崔禮韜

（山西長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

1 研究背景

山西長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)公司3-邊角05工作面（邊角煤開(kāi)采工作面）現(xiàn)開(kāi)采3#煤層，該面設(shè)計(jì)可采長(zhǎng)度為670m，切眼長(zhǎng)度為168m，平均采高為2.2m，工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化放頂工藝回采，全部垮落法管理頂板。采用ZF2600/16/24B型液壓支架支撐頂板，共安裝114架支架。由于邊角工作面回采時(shí)沒(méi)有工作面了，而回風(fēng)巷道和軌道巷留的回采煤柱比較寬，具備開(kāi)采條件，故回采過(guò)程連同回風(fēng)巷和軌道巷的部分回采煤柱一同開(kāi)采，所以支架要過(guò)回風(fēng)巷與軌道巷，工作面布置如圖1所示，其中26、27、28號(hào)架過(guò)軌道大巷，56、57、58號(hào)架過(guò)回風(fēng)大巷。采煤機(jī)型號(hào)為6MG200-W型；工作面采用SGZ-630/2×110型可彎曲刮板運(yùn)輸機(jī)；運(yùn)輸順槽為原五采區(qū)皮帶運(yùn)輸大巷，布置一部SZB-730/75型轉(zhuǎn)載機(jī)和DSJ-800/2×*55皮帶輸送機(jī)運(yùn)煤。

該工作面推進(jìn)過(guò)程已通過(guò)一個(gè)正斷層和向斜復(fù)合地質(zhì)構(gòu)造，2018年5月20日，正常推進(jìn)時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示頂板周期來(lái)壓持續(xù)的時(shí)間和持續(xù)距離變長(zhǎng)，頂板開(kāi)始出現(xiàn)緩慢的下沉，之后下沉量逐漸增大，且下沉速度變快。由地勘報(bào)告可知：工作面推進(jìn)過(guò)程中會(huì)通過(guò)兩條與該工作面分別平交和半立交的廢棄空巷，此時(shí)遇到的空巷為與之平交的空巷，通過(guò)此空巷后200m將再通過(guò)一條與之半立交的空巷。本文通過(guò)數(shù)值模擬分析方法,將對(duì)安全、快速通過(guò)該多空間關(guān)系空巷的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。

圖1 工作面布置圖

2 數(shù)值模擬分析

為了保證工作面順利通過(guò)與之平交和半立交的空巷，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件的方式對(duì)該工作面過(guò)空巷的巖層力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，對(duì)工作面推進(jìn)至空巷前15m、12.5m、10m、7.5m以及5m和2.5m時(shí),空巷頂板及圍巖的應(yīng)力變化及塑性變形區(qū)域的變化進(jìn)行研究。

2.1 模型建立

根據(jù)工作面的煤巖層力學(xué)特性（見(jiàn)表1），設(shè)置模型的長(zhǎng)度為318m，寬度為200m，高度為80m，模型劃分299200個(gè)單元，累計(jì)412620節(jié)點(diǎn)，由下至上依次為底板、煤層、直接頂、上覆巖層，上覆巖層的力為均布荷載，側(cè)壓系數(shù)設(shè)定為1，根據(jù)煤巖層力學(xué)特性設(shè)置為4.02MPa。建立庫(kù)倫摩爾本構(gòu)模型，將x軸方向定為工作面推進(jìn)方向，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，切眼處向前推進(jìn)30m時(shí)頂板力學(xué)狀態(tài)會(huì)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，所以選擇采空區(qū)長(zhǎng)度為30m，實(shí)體煤取60m，原因是經(jīng)驗(yàn)分析得出開(kāi)采對(duì)采空區(qū)的影響范圍不會(huì)超過(guò)60m。數(shù)值模擬的模型圖如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

表1 煤巖層力學(xué)特性表

2.2 數(shù)值模擬過(guò)程及分析

數(shù)值模擬的方案設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容為工作面推進(jìn)至空巷前15m、12.5m、10m、7.5m以及5m和2.5m時(shí),煤柱應(yīng)力的變化規(guī)律，煤柱支撐應(yīng)力分布變化如圖2所示。隨著邊角工作面推進(jìn)離空巷距離逐漸減小，煤柱寬度隨之減小，煤柱對(duì)頂板的承載力降低，由采空區(qū)頂板、煤柱形成的砌體梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遭到破壞，采空區(qū)頂板礦壓現(xiàn)象及破斷失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)加劇。

由圖3可看出，煤柱寬度比較大（15m和12.5m）時(shí)，距離空巷比較近處的垂直應(yīng)力較大，采煤工作面應(yīng)力值較小，且應(yīng)力分布呈不規(guī)則的“馬鞍形”，隨著工作面推進(jìn)，距離空巷距離變小，煤柱支撐力應(yīng)力集中現(xiàn)象開(kāi)始顯現(xiàn)，且應(yīng)力集中逐漸于靠近空巷側(cè)，應(yīng)力峰值變化為先增加后減小。這表明在此過(guò)程中，煤柱支撐應(yīng)力的變化引起了工作面與空巷間巖層力學(xué)性能的變化，應(yīng)力逐漸集聚，巖層由彈性變形逐漸向塑性破壞變化，發(fā)生塑性破壞前，應(yīng)力集中的峰值有所降低，發(fā)生塑性破壞后，應(yīng)力不再釋放，逐漸降低。

圖3 推進(jìn)過(guò)程中不同寬度煤柱支承應(yīng)力分布

工作面向空巷推進(jìn)過(guò)程發(fā)生塑性破壞的情況,如圖4所示。

由圖4可知：當(dāng)邊角工作面距離空巷15m時(shí)，邊角工作面推進(jìn)方向前方煤巖層及空巷圍巖塑性破壞范圍比較小，為5～6.5m，此時(shí)空巷頂板未發(fā)生破斷，說(shuō)明此時(shí)空巷受工作面推進(jìn)的影響較??；推進(jìn)至12.5m時(shí)，塑性破壞的范圍開(kāi)始增大，空巷頂板開(kāi)始發(fā)生破斷，工作面受空巷影響開(kāi)始明顯；推進(jìn)至距空巷2.5m的過(guò)程中，空巷頂板破斷高度由2m增加到5m，且為逐漸遞增的過(guò)程，推進(jìn)至2.5m時(shí)塑性破壞范圍不再增加，應(yīng)力不再釋放。

由此可見(jiàn)，隨著工作面距離空巷的距離逐漸減小，空巷受工作面推進(jìn)的影響逐漸增大，直到工作面推進(jìn)至距離空巷2.5m時(shí)，空巷頂板的塑性破壞達(dá)到最大。為保證工作面過(guò)空巷的安全性，必須提前采取相關(guān)措施進(jìn)行防范。

3 過(guò)空巷技術(shù)措施分析

過(guò)空巷常見(jiàn)的措施有：提前聯(lián)接金屬網(wǎng)、提前對(duì)空巷區(qū)支護(hù)。

3.1 提前聯(lián)接金屬網(wǎng)

圖4 工作面靠近空巷過(guò)程煤柱及空巷圍巖塑性變形情況

無(wú)論空巷與工作面切眼位置呈任何關(guān)系，必須至少提前5米將空巷與切眼對(duì)應(yīng)區(qū)域進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，保證在通過(guò)空巷時(shí)，金屬網(wǎng)在支架頂部后柱位置。金屬網(wǎng)對(duì)過(guò)空巷起到至關(guān)重要關(guān)系，各班需嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，搭接要合理，必要時(shí)鋪設(shè)雙層金屬網(wǎng)，尤其在割煤過(guò)程中，嚴(yán)加管理，防止出現(xiàn)采煤機(jī)絞網(wǎng)，移架時(shí)將網(wǎng)頂破等情況，出現(xiàn)破口時(shí)要及時(shí)補(bǔ)聯(lián)。待金屬網(wǎng)移至支架尾梁落地后，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂板完好情況，及時(shí)利用尾梁插板將金屬網(wǎng)扎破進(jìn)行放煤，如頂板破碎時(shí)，則不可將金屬網(wǎng)扎破放煤。

3.2 平交關(guān)系時(shí)推進(jìn)技術(shù)措施

提前15m對(duì)空巷區(qū)域進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)材料選用φ18mm，長(zhǎng)短合適圓木和單體液壓支柱，垂直于工作面推進(jìn)方向支設(shè)，排距以1m為宜，柱距以0.8m為宜，支護(hù)高度不得低于2.3m，接頂不實(shí)時(shí)及時(shí)絞頂，保證支護(hù)強(qiáng)度。距空巷12.5m前，調(diào)整工作面機(jī)頭和機(jī)尾推進(jìn)進(jìn)度，將工作面調(diào)斜，使機(jī)頭和機(jī)尾推進(jìn)進(jìn)度相差7～8m，調(diào)斜完后，加快空巷區(qū)域推進(jìn)進(jìn)度，直至推進(jìn)空巷區(qū)域，支架鉆入木料下方來(lái)控制頂板，控制采煤機(jī)割煤速度在1m/min，割一架移一架，緊跟采煤機(jī)前滾筒移架，并逐架回收單體液壓支柱。調(diào)斜的目的在于減少空巷內(nèi)頂板壓力，避免空巷整體與工作面切眼對(duì)接，造成頂板壓力過(guò)大，將支架壓死或推進(jìn)困難等情況。

3.3 半立交關(guān)系時(shí)推進(jìn)技術(shù)措施

提前15m對(duì)空巷區(qū)域進(jìn)行支護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況支護(hù)方法有兩種：①在空巷區(qū)域底板上鋪設(shè)假頂，利用厚度不低于5cm，長(zhǎng)度不小于3m的木板提前沿工作面推進(jìn)方向鋪設(shè)，木板不留間隙，木板上方鋪設(shè)金屬網(wǎng)。②利用φ18mm，長(zhǎng)短合適圓木和單體液壓支柱進(jìn)行超前支護(hù)，排距以1m為宜，柱距以0.8m為宜，隨工作面推進(jìn)逐步增設(shè)。在割煤過(guò)程，在支架前梁上方鋪設(shè)厚度不低于50mm，長(zhǎng)度不小于3m的木板，超前移架來(lái)控制頂板，預(yù)防前方冒頂。

4 結(jié) 語(yǔ)

邊角工作面過(guò)多空間位置關(guān)系空巷時(shí)，施工風(fēng)險(xiǎn)更大。隨著工作面推進(jìn)，距離空巷的距離越近，空巷頂板會(huì)由于受到采動(dòng)影響而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而發(fā)生塑性破壞。對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題應(yīng)引起足夠重視，應(yīng)提前分析問(wèn)題，采取必要的防治措施，確保煤礦安全、高效生產(chǎn)。