CN115199272A - 综采工作面预掘回撤通道的全生命周期围岩稳定控制方法 - Google Patents

综采工作面预掘回撤通道的全生命周期围岩稳定控制方法 Download PDF

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Abstract

一种综采工作面预掘回撤通道的全生命周期围岩稳定控制方法，确定回撤通道开始受到叠加应力扰动时的煤柱宽度R1；确定回撤通道高水材料墩柱加固时机G；确定煤柱屈服临界宽度R2；确定回撤通道与工作面贯通后基本顶合理的悬顶长度L；确定水压致裂切顶的范围W；在工作面回撤通道掘进支护完成后，及时对距回撤通道回采侧煤壁b处到煤柱临界屈服宽度R2之间的上覆坚硬顶板进行水压致裂切顶；在工作面距回撤通道的距离接近加固时机G之前，将高水材料墩柱全部浇筑完毕；在回撤通道与工作面完全贯通后，先使支架暂停移架作业，再对高水材料墩柱进行截割作业，为回撤提供作业空间。该方法能提高回撤通道围岩的稳定性，可确保综采设备安全高效的回撤作业。

Description

综采工作面预掘回撤通道的全生命周期围岩稳定控制方法
技术领域
本发明属于煤矿支护技术领域，具体涉及一种综采工作面预掘回撤通道的全生命周期围岩稳定控制方法。
背景技术
对于综合机械化采煤工作面而言，综采设备的安全高效回撤是煤炭生产作业中的重要环节，设备回撤周期将会对煤炭企业的综合效益产生重要的影响。目前，大多数生产矿井为提高设备的回撤速度，在终采线附近沿工作面倾向方向上，预掘单一回撤通道或双回撤通道以用于工作面设备的快速回撤。大量的工程实践表明，采用预掘回撤通道技术来提高工作面设备回撤速度存在以下明显缺陷：(1)工作面与回撤通道贯通前需要停采让压、降低工作面回采速度；(2)采用垛式支架支护，租赁费用较高、贯通前后的支架转运周期较长；(3)采用单体支护配合锚网索支护，其支护强度低不足以抵抗超前支承压力的强烈扰动，同时，工人的劳动强度大、工序较繁琐；(4)采用混凝土墩柱支护，混凝土墩柱脆性强、不能与顶板适应性变形、让压效果差，后期截割效率低；(5)回撤通道加固时机不合理、末采阶段叠加应力环境下，回撤通道围岩失稳灾变的风险性较高，工作面贯通及设备回撤过程中，回撤通道煤壁片帮、单体折损、顶板台阶下沉、冒顶、支架压死等事故频繁发生。为此，亟需提供一种能够在保证综采工作面正常回采速度的基础上，提高回撤通道围岩稳定性的控制方法，以保证综采设备的安全高效回撤。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种综采工作面预掘回撤通道的全生命周期围岩稳定控制方法，该方法工序简单，实施成本低，有利于降低工人的劳动强度，并能在确保工作面回采速度的基础上，显著提升回撤通道的围岩支护的稳定性，同时，有利于提高墩柱后期的截割效率，能极大的缩短支架转动周期，可确保综采设备安全高效的回撤作业。
为了实现上述目的，本发明提供一种综采工作面预掘回撤通道的全生命周期围岩稳定控制方法，包括以下步骤：
步骤一：确定回撤通道高水材料墩柱加固时机；
S11：根据公式(1)确定回撤通道开始受到叠加扰动时的煤柱宽度R1；
R1＝Ι1+Ι2+ΙΙ1+ΙΙ2 (1)；
式中，
Figure BDA0003793448090000021
I1为回撤通道侧塑性区，单位m；其中，k为回撤通道或工作面侧应力集中系数；λ为煤层侧压系数；m为煤层平均厚度，单位m；c为煤层顶底板分界面内聚力，单位MPa；
Figure BDA0003793448090000022
为煤层顶底板分界面内摩擦角，单位°；
Figure BDA0003793448090000023
I2为工作面侧塑性区，单位m；
Figure BDA0003793448090000024
II1为回撤通道侧弹性区，单位m；其中，f为煤层顶底板分界面摩擦因数；
Figure BDA0003793448090000025
II2为工作面侧弹性区，单位m；
S12：根据公式(2)确定回撤通道高水材料墩柱加固时机G；
G＝R1+Vδ (2)；
式中，V为工作面的回采速度，δ为高水材料墩柱阻力增长的时效特性；
步骤二：回撤通道高水材料墩柱加固及水压致裂强制切顶；
S21：根据公式(3)确定煤柱屈服临界宽度R2；
R2＝Ι1+Ι2 (3)；
S22：根据公式(4)确定回撤通道与工作面贯通后基本顶合理的悬顶长度L；
L＝a+b (4)；
式中，a为回撤通道跨度，单位m，b为支架控顶距单位m；
S23：基于降低贯通期间煤柱上覆载荷，减小回撤通道采空区侧悬臂梁长度的原则，确定水压致裂切顶的范围W在距回撤通道回采侧煤壁b处到煤柱临界屈服宽度R2之间；
S24：在工作面回撤通道掘进支护完成后，及时对距回撤通道回采侧煤壁b处到煤柱临界屈服宽度R2之间的上覆坚硬顶板进行水压致裂切顶，降低贯通期间煤柱上方载荷，减小贯通后回撤通道采空区侧基本顶的悬顶长度，改善围岩应力环境；
S25：在工作面距回撤通道的距离接近加固时机G之前，根据生产地质条件及工作面来压特征，将高水材料墩柱全部浇筑完毕，以此抵抗超前应力对回撤通道的强烈扰动，与回撤通道巷内锚网索主动支护协同控制围岩变形；
S26：在回撤通道与工作面完全贯通后，先使支架暂停移架作业，再对高水材料墩柱进行截割作业，为综采设备的回撤提供作业空间。
进一步，为了避免受到回采工艺及生产过程中突发情况的影响，在步骤二的S25中，在工作面距回撤通道的距离较加固时机G多2～3m时完成回撤通道巷内高水材料墩柱超前加固。
进一步，为了确保高水材料墩柱具有可靠的支护强度，在步骤一的S12中，时效特性δ根据对应高水材料在实验室的测定结果确定。
进一步，为了提高截割效率，在步骤二的S26中，利用采煤机对高水材料墩柱进行截割作业。
在回采工作面与回撤通道贯通期间，主要存在以下3个时间节点会对回撤通道围岩的稳定性造成显著影响：(1)随着工作面的推进，回撤通道开始受到回采超前支承压力与掘巷侧向应力的叠加扰动，从而易导致围岩破坏、变形加剧的情况出现；(2)工作面与回撤通道之间煤柱的承载能力随着宽度的减小而下降，容易发生屈服破坏；(3)工作面与回撤通道贯通期间，基本顶悬顶过长易导致顶板超前破断、台阶下沉、支架压死等事故的发生，使工作面综采设备的回撤较为困难。对此，本发明先根据回撤通道开始受到叠加扰动时的煤柱宽度确定回撤通道高水材料墩柱加固时机，再在回撤通道开始受到侧向应力与超前应力的叠加扰动之前完成了高水材料墩柱超前加固，同时，根据煤柱屈服临界宽度和合理的悬顶长度确定水压致裂切顶的范围，并在工作面回撤通道掘进支护完成后，及时对距回撤通道回采侧煤壁之间的上覆坚硬顶板进行水压致裂切顶，有效的降低了贯通期间煤柱上方载荷，进而改变了工作面附近基本顶的断裂时机和位置，由于减小贯通后回撤通道采空区侧基本顶的悬顶长度，转移了高应力，起到了有效的卸压作用。这样，本方法便能对以上3个时间节点上的回撤通道围岩变形进行有力的控制，同时，通过高水材料墩柱和水压致裂切顶的联合控制技术能对综采工作面预掘回撤通道围岩进行有效的支护，可实现对回撤通道围岩全生命周期的稳定控制，其整个操作过程简单，实施成本低，有利于降低工人的劳动强度，能够在保证综采工作面正常回采速度的基础上，显著提高回撤通道围岩的稳定性，并保证了综采设备的安全高效回撤，有利于确保煤矿的安全生产工作。另外，由于墩柱采用高水材料制成，较传统的混凝土墩柱更易截割，从而有利于提高墩柱后期的截割效率，能极大的缩短支架转动周期。
附图说明
图1是煤柱叠加应力扰动结构模型示意图；
图2是本发明中基本顶合理悬顶长度结构模型示意图；
图3是本发明中基本顶水压致裂切顶范围示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，本发明提供了一种综采工作面预掘回撤通道的全生命周期围岩稳定控制方法，包括以下步骤：
步骤一：确定回撤通道高水材料墩柱加固时机；
S11：图1给出了叠加应力扰动结构模型，其中，I1为回撤通道侧塑性区，单位m；I2为工作面侧塑性区，单位m；II1为回撤通道侧弹性区，单位m；II2为工作面侧弹性区，单位m；III为原岩应力区，m；k1为侧向应力集中系数；k2为超前应力集中系数；γ为上覆岩层平均容重，kN/m3；H为煤层平均埋藏深度，m。当工作面与回撤通道之间的原岩应力区消失(III＝0)时，回撤通道开始受到侧向应力与超前应力的叠加扰动，在此之前回撤通道应该完成高水材料墩柱超前加固。因此，可根据公式(1)确定回撤通道开始受到叠加扰动时的煤柱宽度R1；
R1＝Ι1+Ι2+ΙΙ1+ΙΙ2 (1)；
式中，
Figure BDA0003793448090000041
其中，k为回撤通道或工作面侧应力集中系数；λ为煤层侧压系数；m为煤层平均厚度，单位m；c为煤层顶底板分界面内聚力，单位MPa；
Figure BDA0003793448090000042
为煤层顶底板分界面内摩擦角，单位°；
Figure BDA0003793448090000051
Figure BDA0003793448090000052
其中，f为煤层顶底板分界面摩擦因数；
Figure BDA0003793448090000053
S12：根据公式(2)确定回撤通道高水材料墩柱加固时机G；
G＝R1+Vδ (2)；
式中，V为工作面的回采速度，δ为高水材料墩柱阻力增长的时效特性；
步骤二：回撤通道高水材料墩柱加固及水压致裂强制切顶；
S21：根据公式(3)确定煤柱屈服临界宽度R2；
R2＝Ι1+Ι2 (3)；
S22：图2给出了基本顶合理悬顶长度结构模型，可根据公式(4)确定回撤通道与工作面贯通后基本顶合理的悬顶长度L；
L＝a+b (4)；
式中，a为回撤通道跨度，单位m，b为支架控顶距单位m；
S23：图3给出了基本顶水压致裂切顶范围。基于降低贯通期间煤柱上覆载荷，减小回撤通道采空区侧悬臂梁长度的原则，确定水压致裂切顶的范围W在距回撤通道回采侧煤壁b处到煤柱临界屈服宽度R2之间；
S24：在工作面回撤通道掘进支护完成后，及时对距回撤通道回采侧煤壁b处到煤柱临界屈服宽度R2之间的上覆坚硬顶板进行水压致裂切顶，降低贯通期间煤柱上方载荷，减小贯通后回撤通道采空区侧基本顶的悬顶长度，改善围岩应力环境；
S25：在工作面距回撤通道的距离接近加固时机G之前，根据生产地质条件及工作面来压特征，将高水材料墩柱全部浇筑完毕，以此抵抗超前应力对回撤通道的强烈扰动，与回撤通道巷内锚网索主动支护协同控制围岩变形；
S26：在回撤通道与工作面完全贯通后，先使支架暂停移架作业，再对高水材料墩柱进行截割作业，为综采设备的回撤提供作业空间。
为了避免受到回采工艺及生产过程中突发情况的影响，在步骤二的S25中，在工作面距回撤通道的距离较加固时机G多2～3m时完成回撤通道巷内高水材料墩柱超前加固。
为了确保高水材料墩柱具有可靠的支护强度，在步骤一的S12中，时效特性δ根据对应高水材料在实验室的测定结果确定。
为了提高截割效率，在步骤二的S26中，利用采煤机对高水材料墩柱进行截割作业。
在回采工作面与回撤通道贯通期间，主要存在以下3个时间节点会对回撤通道围岩的稳定性造成显著影响：(1)随着工作面的推进，回撤通道开始受到回采超前支承压力与掘巷侧向应力的叠加扰动，从而易导致围岩破坏、变形加剧的情况出现；(2)工作面与回撤通道之间煤柱的承载能力随着宽度的减小而下降，容易发生屈服破坏；(3)工作面与回撤通道贯通期间，基本顶悬顶过长易导致顶板超前破断、台阶下沉、支架压死等事故的发生，使工作面综采设备的回撤较为困难。对此，本发明先根据回撤通道开始受到叠加扰动时的煤柱宽度确定回撤通道高水材料墩柱加固时机，再在回撤通道开始受到侧向应力与超前应力的叠加扰动之前完成了高水材料墩柱超前加固，同时，根据煤柱屈服临界宽度和合理的悬顶长度确定水压致裂切顶的范围，并在工作面回撤通道掘进支护完成后，及时对距回撤通道回采侧煤壁之间的上覆坚硬顶板进行水压致裂切顶，有效的降低了贯通期间煤柱上方载荷，进而改变了工作面附近基本顶的断裂时机和位置，由于减小贯通后回撤通道采空区侧基本顶的悬顶长度，转移了高应力，起到了有效的卸压作用。这样，本方法便能对以上3个时间节点上的回撤通道围岩变形进行有力的控制，同时，通过高水材料墩柱和水压致裂切顶的联合控制技术能对综采工作面预掘回撤通道围岩进行有效的支护，可实现对回撤通道围岩全生命周期的稳定控制，其整个操作过程简单，实施成本低，有利于降低工人的劳动强度，能够在保证综采工作面正常回采速度的基础上，显著提高回撤通道围岩的稳定性，并保证了综采设备的安全高效回撤，有利于确保煤矿的安全生产工作。另外，由于墩柱采用高水材料制成，较传统的混凝土墩柱更易截割，从而有利于提高墩柱后期的截割效率，能极大的缩短支架转动周期。
实施例：
某西部矿井9号煤层9001工作面平均埋深H＝440m，9号煤层平均厚度m＝3.5m，平均倾角4°，上覆岩层平均容重γ＝24.0kN/m3，工作面长度300m，走向推进长度700m。回撤通道断面跨度a＝5.2m，支架控顶距b＝4.8m。根据煤岩体力学性能测定及现场实测结果：煤岩层顶底板分界面内聚力c＝1.2MPa，内摩擦角
Figure BDA0003793448090000071
工作面超前应力集中系数k2＝2.72，侧压系数λ＝0.6。
步骤一：确定回撤通道高水材料墩柱加固时机；
S11：λ取0.6；m取3.5m；c取1.2MPa；
Figure BDA0003793448090000072
取24.8°；γ取24.0kN/m3；H取440m；f取0.03；k1取1.64，k2取2.72。经过计算确定Ι1＝4.63m，Ι2＝5.65m，ΙΙ1＝17.31m，ΙΙ2＝35.02m。根据公式(1)确定回撤通道开始受到叠加扰动时的煤柱宽度R1＝4.63+5.65+17.31+35.02＝62.61m；
S12：根据煤柱受到叠加扰动时的宽度R1、工作面的回采速度V，高水材料墩柱阻力增长的时效特性δ，(高水材料墩柱浇筑完成后，存在一个阻力增长期)；
工作面回采速度V＝5m/d，根据实验室测定结果，高水材料在浇筑δ＝7d后，能够达到设计定的支护强度，因此，根据公式(2)确定回撤通道高水材料墩柱加固时机G＝62.61+5×7＝97.61m；
考虑到工作面回采速度、回采工艺及生产过程中的突发状况，最终确定：工作面距回撤通道100m之前应该完成回撤通道巷内高水材料墩柱超前加固。
步骤二：回撤通道高水材料墩柱加固及水压致裂强制切顶；
S21：根据公式(3)确定煤柱屈服临界宽度R2＝4.63+6.65＝11.28m；
S22：a取5.2m；b取4.8m；根据公式(4)确定回撤通道与工作面贯通后基本顶合理的悬顶长度L＝5.2+4.8＝10.0m；
S23：确定水压致裂切顶的范围W：距回撤通道回采侧煤壁4.8～11.28m之间。
S24：在工作面回撤通道掘进支护完成后，及时对距回撤通道回采侧煤壁4.8～11.28m之间的上覆坚硬顶板进行水压致裂切顶，降低贯通期间煤柱上方载荷，减小贯通后回撤通道采空区侧基本顶的悬顶长度，改善围岩应力环境。
S25：在工作面距离回撤通道100m之前，根据生产地质条件及工作面来压特征，将高水材料墩柱全部浇筑完毕，以此抵抗超前应力对回撤通道的强烈扰动，与回撤通道巷内锚网索主动支护协同控制围岩变形。
S26：回撤通道与工作面完全贯通后，先使支架暂停移架作业，采煤机截割高水材料墩柱，为综采设备的回撤提供作业空间。
通过实践应用表明，该控制方法可以对回撤道围岩变形进行有力控制，可以保证综采设备的安全高效回撤。

Claims (4)

1.一种综采工作面预掘回撤通道的全生命周期围岩稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定回撤通道高水材料墩柱加固时机；
S11：根据公式(1)确定回撤通道开始受到叠加扰动时的煤柱宽度R1；
R1＝Ι1+Ι2+ΙΙ1+ΙΙ2 (1)；
式中，
Figure FDA0003793448080000011
I1为回撤通道侧塑性区，单位m；其中，k为回撤通道或工作面侧应力集中系数；λ为煤层侧压系数；m为煤层平均厚度，单位m；c为煤层顶底板分界面内聚力，单位MPa；
Figure FDA0003793448080000012
为煤层顶底板分界面内摩擦角，单位°；
Figure FDA0003793448080000013
I2为工作面侧塑性区，单位m；
Figure FDA0003793448080000014
II1为回撤通道侧弹性区，单位m；其中，f为煤层顶底板分界面摩擦因数；
Figure FDA0003793448080000015
II2为工作面侧弹性区，单位m；
S12：根据公式(2)确定回撤通道高水材料墩柱加固时机G；
G＝R1+Vδ (2)；
式中，V为工作面的回采速度，δ为高水材料墩柱阻力增长的时效特性；
步骤二：回撤通道高水材料墩柱加固及水压致裂强制切顶；
S21：根据公式(3)确定煤柱屈服临界宽度R2；
R2＝Ι1+Ι2 (3)；
S22：根据公式(4)确定回撤通道与工作面贯通后基本顶合理的悬顶长度L；
L＝a+b (4)；
式中，a为回撤通道跨度，单位m，b为支架控顶距单位m；
S23：基于降低贯通期间煤柱上覆载荷，减小回撤通道采空区侧悬臂梁长度的原则，确定水压致裂切顶的范围W在距回撤通道回采侧煤壁b处到煤柱临界屈服宽度R2之间；
S24：在工作面回撤通道掘进支护完成后，及时对距回撤通道回采侧煤壁b处到煤柱临界屈服宽度R2之间的上覆坚硬顶板进行水压致裂切顶，降低贯通期间煤柱上方载荷，减小贯通后回撤通道采空区侧基本顶的悬顶长度，改善围岩应力环境；
S25：在工作面距回撤通道的距离接近加固时机G之前，根据生产地质条件及工作面来压特征，将高水材料墩柱全部浇筑完毕，以此抵抗超前应力对回撤通道的强烈扰动，与回撤通道巷内锚网索主动支护协同控制围岩变形；
S26：在回撤通道与工作面完全贯通后，先使支架暂停移架作业，再对高水材料墩柱进行截割作业，为综采设备的回撤提供作业空间。
2.根据权利要求2所述的一种综采工作面预掘回撤通道的全生命周期围岩稳定控制方法，其特征在于，在步骤二的S25中，在工作面距回撤通道的距离较加固时机G多2～3m时完成回撤通道巷内高水材料墩柱超前加固。
3.根据权利要求1或2所述的一种综采工作面预掘回撤通道的全生命周期围岩稳定控制方法，其特征在于，在步骤一的S12中，时效特性δ根据对应高水材料在实验室的测定结果确定。
4.根据权利要求3所述的一种综采工作面预掘回撤通道的全生命周期围岩稳定控制方法，其特征在于，在步骤二的S26中，利用采煤机对高水材料墩柱进行截割作业。
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