大采高综采工作面过大断面空巷顶板支护技术

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大采高综采工作面过大断面空巷顶板支护技术 一、项目简介 本项目属于煤炭绿色开发,主要应用于矿压与支护及特殊开采领域。 厚煤层大断面空巷支护与矿山压力问题长期困扰着神东矿区日产4万吨…

大采高综采工作面过大断面空巷顶板支护技术

项目简介

本项目属于煤炭绿色开发,主要应用于矿压与支护及特殊开采领域。

厚煤层大断面空巷支护与矿山压力问题长期困扰着神东矿区日产4万吨以上综采工作面的煤炭资源完全回收,该区域开采条件复杂、安全隐患大,如何安全高效通过空巷是一项重大技术难题。为此,由神东煤炭集团有限责任公司通过研究,从理论、材料和技术角度全面创新,揭示了厚煤层大采高沿空留柱开采过空巷围岩失稳破坏机理,提出了柔模支柱支护快速安全过空巷区的开采方法,研发了新型支护材料及超高空巷支护结构,开发了协同让压和控顶减沉耦合支护技术,彻底破解了厚煤层综采面快速推进及空巷协同支护控顶难题,创造了可观的社会和经济效益,为相似条件煤炭资源安全高效回收提供了技术借鉴和科学依据,理论和实际意义重大,实现了大断面空巷区域煤炭完全开采。

二、主要创新点

创新点1:研究了综采工作面空巷区域矿压显现特点及规律,揭示了空巷顶板和煤体失稳破坏机理,提出了柔模支柱支护快速安全过空巷区的开采方法。

支撑材料:中煤科鉴字[2019]第CM2号

背景与技术难点厚煤层大采高条件下“沿空留柱”存在不确定因素,为了安全高效回收空巷区域煤炭资源,降低技术和安全风险,需解决如下技术难题:(1)研究综采面过空巷矿压显现规律及煤岩体变形破坏特征;(2)提出切实可行的快速通过空巷区的开采方法,为支护材料开发和支护参数选型提供科学依据。

创新性关键技术成果:

1.1 通过比较分析综采工作面正常回采与过空巷区域矿压显现特征,掌握了矿压分布规律,给沿空留柱理论研究提供了有利的数据支撑。

结合复杂条件空巷(平行采面空巷、全长空巷与采面斜交空巷等)区域分布形态,以补连塔矿22310综采面实测数据为例,分析两种回采方式矿压显现规律。

不同点:过空巷区域小压与正常来压对比,次数明显减少,正常回采期间小压每天2~3次,但过空巷区域仅出现1次;过空巷区域大压与正常来压相比,来压步距明显缩短、来压强度显著减弱,正常回采时大压步距40~62m,过空巷区域大压步距仅为11.2~27.4m,步距减少约50~80%;正常回采时约3~5次小压后出现1次大压,但过空巷期间以大压为主。

相同点:机头、机尾压力相对较小;综采面两端与中部支架来压步距不同,周期来压步距整体呈现“中间小,两头大”的特点,工作阻力整体呈现“中间大,两头小”的特征。

总体而言,空巷区域煤层开采矿压显现平缓,割煤速度未受空巷影响,无支架压架和煤壁大面积片帮现象,顶板未现冒落悬空和围岩失稳情况,空巷内支护体完好,相比单体支柱、木点柱、垛式支架、混凝土支柱等传统支护形式,开采效率提高80%以上,切实有效的缓解了接续紧张问题。

1.2 分析了空巷区域顶板破断规律,揭示了厚煤层大采高沿空留柱开采空巷围岩失稳破坏机理,为空巷支护结构设计提供理论依据。

当采煤面前方存在空巷,超前支承压力前移,空巷与采面间煤柱承载能力大幅度降低,临近空巷,直接顶板超前破断,煤岩交界面层间摩擦阻力降低,空巷两侧煤壁塑性区深度增加,顶板下沉加剧、载荷增大,分析空巷基本顶破断位置(图1),有利于超前加固空巷顶板管控。图1(a)顶板实际悬露长度小于极限破断长度(即周期来压步距),煤柱失稳对空巷稳定性影响最小;图1(b)中顶板实际悬露长度小于极限破断长度,一旦煤柱失稳,顶板发生超前破断。

(a)悬顶长度小于周期来压步距     (b)悬顶长度大于周期来压步距

图1 工作面及空巷位置与悬顶长度的关系

当推采至空巷时,顶板呈现悬臂梁结构,矿山压力成倍增大,基本顶一旦超前断裂,空巷原有支护形式失效率增高,若不采取措施,工作面冒顶压架事故频发;常规单体支柱和垛式支架等辅助支护,接触面积小,极易造成支柱柱穿顶钻底、垛体压缩失效,而混凝土支柱稳定性差、易偏心失稳破坏,失去稳定性,导致直接顶切顶冒落,造成顶板失稳事故。

创新点2研发了一种新型高强、阻燃、抗静电的金属骨架纤维膜复合结构双层柔性模袋和泵送浆液支柱材料。

支撑材料:中煤科鉴字[2019]第CM2号

背景与技术难点综采工作面过空巷沿空留柱需解决以下技术难题:(1)高强、阻燃、抗静电、施工方便的柔性模板;(2)注入柔性模板的泵送材料。

2.1 研发了一种侧限增压的复合结构双层柔性模袋,为构筑大断面空巷的巷内支护体提供了一种安全高效、快速施工的泵送浆液柔性模板。

   

普通混凝土试件     柔模袋试件   环筋柔模袋试件  柔模袋支柱实物   环筋柔模袋支柱实物

图2 不同工况实验实景对照图

结合综采工作面过大断面空巷需支护体易切割、采面快速推进特点,研发出新型高强、阻燃、抗静电且侧限增压的复合结构双层柔性模袋,简称双层模袋,抗拉能力强,可一次注模快速成型。双层模袋均由尼龙纤维膜和金属骨架构成,纤维膜包裹浆液自适应保压,沿模袋直径方向间隔布置横向的金属骨架自承载侧限施压,与其他金属材料模板相比,重量减少了62%,金属骨架抵抗侧压能力相比单一模袋提高了29%,泵送充填浆液受柔性模袋模板限制,有效控制了侧向形变,浆液结合体后期强度相比传统支柱强度可提高34%以上,实验实景如图2所示。

使用前,双层模袋体积压缩率达8%,方便运输;使用中,模袋顶部安装孔悬挂于锚网上,模袋底部直接接触空巷底板,形成柔性充填模板,实现快速成模(图3)。

  

金属骨架纤维膜    模袋顶部挂钩孔     模袋顶部排气孔     柔性模袋注浆孔

图3 柔性模袋结构和快速施工局部图

       2.2 针对大断面空巷顶板矿压显现特点,研制了新型泵送浆液支柱材料,实现了一柱多组分联合让压复合结构,满足了空巷区开采不同阶段顶板支护要求。

考虑到大断面空巷支护体实际应用,在双层模袋上下层内分别注入两种胶凝材料,柔模柱上层设计让压结构、下层设计早强高强自流结构,上层模袋内充填发泡材料,形成让压变形可塑性体,两种材料与柔模袋紧密结合,协同变形,整体力学特性和受力状态得以改善,满足空巷区开采不同阶段顶板恒阻让压特性,适合大断面空巷区域厚煤层开采支护需求。

1 新型泵送浆液支柱材料物理力学性能

流动性/mm 流出时间

/s

凝结时间/min 抗压强度/MPa
初凝 终凝 2h 1d 3d 28d
295 138 7 20 6.31 8.86 12.57 18.32

创新点3研发了一种适合超高空巷的圆台柔模泵送支柱支护结构,抗弯能力强、稳定性好、吸能抗动载、大变形让压,可实现自主接顶,确保柔模柱支护的可靠性。

支撑材料:中煤科鉴字[2019]第CM2号

背景与技术难点空巷内支护常采用单体支柱、木点柱、垛式支架、混凝土支柱等形式,但支护结构控制顶板能力不足,时常发生支护体嵌入顶底板或支柱变形损伤破断致空巷顶板失稳;混凝土支柱强度虽高,但割煤机不易切割、质量大、结顶难;对于超高空巷,圆柱形柔模支柱因较大顶板来压常发生柱体劈裂折断。

模拟实验:设计柱高5.5m、设计强度15MPa、直径0.8m的圆柱与圆台(下底直径1.2m),在位移加载条件下,圆台中心点处应力(约11MPa)要小于圆柱中心点处的应力(约15MPa),且加载平衡后,圆柱发生中部压剪破坏,圆台支护屈服区主要在顶部。当顶部应力加载到15.6MPa时,圆台承载性能要明显优于圆柱,加载过程中,圆台支柱应力调整时间明显比圆柱的时间短,降低了不均衡应力集中系数与影响范围;同时圆台支柱变截面特点,降低了轴向应力,可有效防止支柱失稳破坏。从安全角度,空巷超高段宜采用圆台支柱支护。

圆柱加载                                                圆台柱加载

图4 两种形式柔模柱全应力-应变曲线及加载平衡状态

本项目研发了侧限增压的圆台柔模泵送支柱,简称柔模柱,柱体主材由碳酸锂、碳酸钠、石灰、硫酸盐等多种不同粉料组成,质量是混凝土充填材料78%,轻质易切割,柔模柱外部由双层模袋侧限束缚,内部由上下两层结构组成。

  

大变形让压、自贴顶、稳定性好                          易切割、吸能抗动载、抗弯能力强

图5 圆台柔模柱过空巷现场应用效果

上层柔模柱主动贴顶、吸能抗动载、大变形让压,确保了空巷顶板支护效果,避免了不规则顶板和矿山压力对柔模柱偏心受力劈裂折断,抵抗了顶板动压瞬时载荷的冲击,属高抗塑性材料;下层柔模柱设计成圆柱形结构,重心低、抗弯能力强、稳定性好,适应不同阶段顶板来压;柔模柱整体结构可实现让压大变形,最大变形量达到自身高度5~10%。

创新点4开发了“空巷柔模柱支护+锚索补强”的大断面空巷耦合支护技术,锚索补强确保顶板支护区完整性、空巷柔模柱支护协同让压控顶减沉。

支撑材料:中煤科鉴字[2019]第CM2号

背景与技术难点大断面空巷单一支护形式无法满足围岩变形要求须解决以下技术难题:(1)保持顶板完整程度不冒顶;(2)空巷内支撑顶底板共同承载。

该技术的核心是柔模柱沿空留柱支护增加了空巷内顶板支撑点、增大接触面积,使顶板由静定结构转向超静定结构,锚索补强控顶又是护顶防冒落压架的重要措施,确保了顶板的完整性,改善了围岩受力状况和力学特性,“两位一体”耦合支护,立体护顶,恒阻大变形让压,适应厚煤层空巷区矿压显现,并通过理论分析和模拟分析优化支护效果,应用于工程实践,共同破解了大断面空巷制约煤炭资源回收难题。

 

 

 

 

 

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