跨巷回采工作面过空巷覆岩破断机制及围岩控制研究

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在我国诸多大型矿井中,为满足通风及快速掘进而在回采工作面采用多巷布置方式。待回采结束后,采空区两侧将遗留多条煤柱,势必造成资源的极大浪费。随着煤炭资源的日渐枯竭,煤柱回收事宜早已提上日程。而在煤柱回收时,工作面内不可避免地存在大量空巷,导致煤柱回收工作十分困难。为此,回收煤柱工作面过空巷条件下矿压显现规律、覆岩破断运移机制以及此类工作面围岩控制技术的研究显得尤为重要。本文以华润大宁煤矿二〇二综采工作面(项目定义名称为“跨采工作面”)为工程依托,在进行现场调研和相关研讨后制定初步开采方案。通过现场跟踪实测,分析得出二〇二工作面矿压显现规律。着重以跨采工作面过12#平行联络空巷期间发生严重切冒事故为背景,综合现场实测数据、理论分析、工程经验、FLAC3D数值模拟,研究了跨采工作面过平行空巷期间覆岩破断机制及安全过空巷技术,力图为类似工程提供指导。具体研究内容及结论如下:1)前期调研发现,煤柱两侧顺槽、顺槽间联络空巷受二〇一工作面回采扰动导致底鼓、片帮严重,煤柱压缩导致顶板下沉量大,原锚杆(索)大面积破坏需作补强支护,且拉拔测试表明补强支护也存在一定程度失效,可能导致回采中围岩控制困难。初采阶段现场监测表明,工作面初次来压步距39~45 m,周期来压步距12~14 m,动压比1.4~1.6,符合理论计算和工程经验;而在过12#联络巷期间,联络巷内发生严重切冒事故,来压步距变大到22~24 m,支架超负荷工作,与实体煤矿压规律存在明显差别。2)基于Winkler弹性地基梁模型对空巷与工作面间覆岩所做力学分析表明,当基本顶中弯矩达到极限时基本顶发生破断,因破断位置与空巷空间位置的不同将存在正常来压、压力稍大及来压异常剧烈三种来压形式。基于SMP屈服准则求得残余煤柱极限失稳尺寸为4.2~5.7 m。3)理论分析指出,发生“基本顶超前破断”是过空巷异常来压、切冒的根本原因。在二〇二工作面特定赋存状况下,分析基本顶超前破断的三个因素煤柱极限失稳尺寸、基本顶预计破断位置、空巷跨(宽)度间关系后,发现跨采工作面过空巷发生基本顶超前破断近乎必然。4)基于前述分析,提出以充填为主的过空巷对策。通过FLAC3D数值模拟,分析验证了跨采工作面过空巷基本顶超前破断的必然性。对比分析了3种不同充填体强度下的控制效果,最终确定支护强度1.5 MPa,水灰比6:1为最佳方案。5)后续监测表明,在采取以充填为主的综合治理方案下,后续过空巷未发生异常来压、空巷切冒事故,顺槽收敛变形降低50%以上,有效解决了相关难题,为类似工程提供了参考和指导,也为下一步跨采的合理布置及新控顶构想打下了前步研究基础。
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