近距离煤层下分层工作面沿空留巷支护技术应用研究_张建.pdf

煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 1工程概况 霍州煤电集团下属的回坡底煤矿主要负责开采 井田范围内的 10、 11 煤层， 10 煤层平均厚度 2.67 m， 11 煤层平均厚度 3.3 m， 11 煤层与上层煤层间 距为 7.3 到 8.2m 之间， 平均为 7.8m， 距离较近， 煤层 的平均倾角均为 4，属于近距离煤层，平均埋深 220m， 采用走向长壁后退式采煤工艺， 顶板采用全部 垮落法管理。10 号煤层的采掘对下层煤岩造成了很 大的影响，位于上层的 10 号煤层基本上已经开采殆 尽，下层的 11 煤层在其东部已经进入准备阶段， 首 采工作面已经进入回采阶段， 11- 101 工作面与上分 层 10- 101 工作面巷道布置方式为 11- 1011 巷内错 10m， 11- 1012 巷重叠布置， 11- 102 工作面进入准备 阶段， 由于沿空留巷可以最大限度回收资源， 避免煤 体损失， 提高煤炭采出率， 现该矿设计采用沿空留巷， 但是由于没有相关的参考实例， 需要对沿空留巷的具 体参数进行设计研究， 在保证生产安全的前提下取得 最大的经济效益。 为满足综合机械化采煤设备运输、 安装和使用要 求，确保 11- 101 工作面的轨道巷道作为 11- 102 工 作面运输巷服务期间安全可靠， 需结合 10 煤层开采 对工作面顶板的影响， 对下分层采煤工作面沿空留巷 的相关参数进行研究， 同时结合我矿 11- 1011 运输巷 支护方案， 利用数值模拟、 理论分析对 11- 1012 轨道 巷沿空留巷的维护支撑进行探究。 2采空区下垂直应力分布特点 近距离煤层采用下行开采时， 上层煤炭资源率先 回采完毕， 形成采空区， 上覆岩层垮落堆积于采空区 内， 形成一个新的稳定结构， 垂直方向上地应力作用 在层间岩层上， 对下层煤炭资源的采掘过程中顶底板 的稳定性、 完整性造成不利的影响。上层采空区边界 的实体煤柱受力情况如图 1 所示[1]。 图 1采空区边界煤柱支承压力示意图 由图可以看出， 采空区边界煤柱形成了一定程度 的应力集中， 应力集中系数由煤柱支承压力最大值比 近距离煤层下分层工作面沿空留巷支护技术应用研究 张建 （霍州煤电集团汾河焦煤股份有限公司回坡底煤矿 ， 山西 洪洞 041600 ） 摘要 对于近距离煤层下行开采， 下层煤巷道的围岩由于受到上层煤采动影响， 不可避免的受到一 定程度的损伤破坏， 使围岩更为破碎， 为了解决霍州煤电集团回坡底矿 11 煤层 11-101 下分层工作 面沿空留巷的应用问题， 通过理论分析、 数值模拟以及工程实践应用及观测， 确定了合理的巷道维护 方案， 使得沿空巷道变形量得到有效的控制， 满足工作面生产的需求， 为该矿其他工作面沿空留巷的 应用提供了参考。 关键词 近距离煤层 ； 沿空留巷 ； 数值模拟 ； 高水速凝材料 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0086-03 Study on the application of the support technology of the stratified working face along the drift roadway in close coal seam ZHANG Jian （Huozhou Coal Power Group Luhe Coke Coal Co., Ltd. Huipo Bottom Coal Mine , Hong tong 041600 ， China ） Abstract Downward for close coal mining, due to the lower coal roadway surrounding rock affected by mining the upper coal, inevitable by a certain degree of damage, make more broken surrounding rock, in order to solve the huo zhou coal group back to the bottom ore un- der the 11 coal seam 11-101 for layered working face along the application problem, by theoretical analysis, numerical simulation and engineering practice application and observation, the reasonable roadway maintenance plan, makes the empty to effectively control the deation of roadway, and meet the needs of mining production, for the application of the mine working face along the empty left lane other provides reference. Keywords near coal seam along empty roadway ； numerical simulation ； high water speed condensate material 86 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 上在原始条件下地应力的大小得到， 煤柱支承压力的 峰值为 Kγh， 相关研究表明， K 值一般为 2～3.5 之间， 意味着煤柱附近，煤岩体应力为原始地应力的 2 到 3.5 倍； 在远离采空区的区域支承压力为 γh， 煤岩体 受到的支撑压力与原始条件下的地应力相同， 即未受 到采动的影响； 在采空区下支承压力为 Kγh， 研究表 明集中系数 K 值一般在 0.5～0.8 之间， 即采空区下碎 裂的煤岩体对于层间岩层的载荷并不大， 只是原始地 应力的一半； 由此可推知下层煤岩体地应力分布情况 如图 2 所示。 图 2下层煤垂直应力分布示意图 从图 1 中可以看出下层煤体垂直应力分布特点 为 上层采空区下垂直应力最小， 采空区煤柱下边垂 直应力具有一定的集中载荷，在远离采空区的位置， 垂直应力为原始地应力。 因此在进行下层工作面巷道 的布置时应尽量避开煤柱下的应力集中区域， 将巷道 布置在上层煤层采空区下 （应力降低区 ） ， 11 煤层首 采工作面的 11- 102 巷采用重叠布置， 巷道的垂直应 力基本等于原始的地应力， 更利于沿空留巷的维护。 3巷旁支护 3.1巷旁支护的理论基础 为了合理的确定 11- 1012 轨道巷沿空留巷的支 护方案， 现以回坡底煤矿 11 煤层在上层采空区下开 采为工程背景， 利用 FLAC3D软件进行数值模拟[2]， 分 析 11- 101 大采高工作面回采后， 沿空留巷围岩裂隙 发育及顶板垮落运移规律。 图 3沿空留巷巷道围岩裂隙发育及顶板垮落规律图 数值模拟结果如图 3 所示， 10 煤层的 10- 101 工作面回采对其底板煤岩体造成一定程度的损伤破 坏， 10、 11 煤层平均间距为 7.8m， 在 11- 101 工作面 的回采时， 导致层间岩层裂隙发育及损伤破坏区域完 全贯通， 巷道围岩及顶板破碎相当严重， 巷道变形量 较大， 围岩难以控制， 对沿空留巷顶板围岩支护造成 一定的困难。 观测沿空留巷围岩体的变形破碎情况可知， 11- 101 首采工作面回采后，顶板围岩随之破碎垮 落， 层间岩层贯通 10 煤层的采空区， 垮落高度比一 般的回采工作面大，岩体的碎胀性使采空区基本被 碎裂的岩石填满， 形成稳定的结构。 沿空留巷的采空 区侧， 上部围岩也发生了断裂垮落， 但是在锚杆、 锚 索及巷旁充填体的作用下仍然保持着可靠的截面形 状， 围岩和顶板基本没有裂隙的发育， 并且由于充填 体的作用， 避免了采空区碎裂岩块涌入巷道， 保证了 巷道的安全。 通过数值模拟， 为沿空留巷的成功垫定 了理论基础。 3.2巷旁支护体参数的确定 3.2.1充填材料 中国矿业大学侯朝炯[3]等人基于对沿空留巷围岩 受力分析， 并结合传统巷旁支护的特点， 研发了一种 新的充填材料， 即高水速凝材料， 通常由两种浆料组 成， 单独的浆液不会固化， 在需要充填的位置进行混 合， 快速凝固。 高水速凝材料具有便于运输、 节省材料 等优点， 并且能承受较大的载荷， 当载荷超出其承载 的极限时， 也不会立即失效， 仍然拥有相当一部分残 余强度和缓冲的能力， 并且相对于岩石、 混凝土等材 料具有更长的使用期限， 诸多特点使其相比于其他材 料更适合用于采空区下巷道的沿空留巷中。 以此选择 高水速凝材料作为回坡底煤矿沿空留巷支护的巷旁 充填体， 分析高水速凝材料本身特点， 综合考虑经济 效益、 安全生产等多方面的因素， 结合相关成功案例， 最后将巷旁充填体的水灰比定为 1.8∶1。 3.2.2巷旁支护体宽度的确定 依据回坡底煤矿 11- 101 工作面沿空留巷具体 的工程地质条件，利用数值模拟软件模拟了在采空 区下进行沿空留巷，工作面推进过程中不同宽度的 巷旁充填体对巷道围岩变形的影响，综合考虑工作 面安全生产的需要， 人员材料的成本， 最终确定合理 的充填体宽度。 参考以往相关的沿空留巷的工程实例， 通过理论 计算分析， 依次模拟沿空留巷巷旁支护体宽度分别为 1m、 1.4m、 1.8m时工作面回采时巷道变形量，对不同 条件下围岩的变形量进行对比， 得到的相关数据详见 87 ChaoXing （上接第 85 页 ） 参考文献 [1] 翟明华,姜福兴,齐庆新等.冲击地压分类防治体系研究与 应用[J].煤炭学报,2017,42 （12） 3116- 3124. [2] 姚丽芳. 坚硬顶板工作面冲击地压远近场联合监测预警 技术[J].煤矿安全,2017,48 （09） 100- 103106. [3] 孔令海,邓志刚,梁开山等.深部煤巷顶帮控制防治冲击 地压研究[J].煤炭科学技术,2018,46 （10） 83- 89. [4] 姜福兴,刘烨,刘军,张明等.冲击地压煤层局部保护层开 采的减压机理研究[J].岩土工程学报1- 8. 作者简介 仝佳（1979 年 6 月 -） ,男,汉族， 河南安阳人， 2007 年 7 月毕业于徐州中国矿业大学安全工程专业, 采矿工程师， 现 就职于山西阳泉煤业集团有限公司安监局。 （收稿日期 2019- 3- 18） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 图 4。 a充填体帮水平变形曲线b顶板下沉量曲线 图 4巷道围岩变形曲线 由巷道围岩变形曲线可知， 图 （a ） 为充填体变形 图， 在不同宽度的充填体条件下， 充填体的水平变形 量最大值均在距离顶板 2.1m位置附近取到，煤层厚 度为 3.3m， 即两帮的变形量集中在巷道的中下部； 当 充填体的宽度有 1.0m增加到 1.4m时， 两帮的变形量 显著的减小， 而进一步增加到 1.8m时， 变形量只是略 微的减小； 由图 （b ） 顶板下沉量曲线可以看出， 距离充 填体越远， 顶板下沉量越小， 即在实体煤位置顶板下 沉量最小， 说明充填体只能一定程度上减小顶板的下 沉。当支护体宽度由 1.0m增加为 1.4m时， 顶板下沉 量急剧减小， 继续增加充填体宽度， 下沉量变化不大。 综合考虑在不同支护体宽度下沿空留巷巷道支 护体变形量、顶板下沉量等因素，当充填体宽度为 1.4m时， 进行沿空留巷更加经济合理， 并且巷道断面 满足矿山工作面正常回采的要求， 因此确定巷旁支护 体宽度为 1.4m。 4巷道断面收敛变形量监测与分析 通过对巷道围岩表面位移观测数据分析可知 在 工作面回采过程中， 沿空留巷实体煤帮侧顶底板最大 移进量为 785mm， 充填体侧最大移进量为 595mm， 两 帮的最大移进量为 530mm， 由图 （b ） 可知实体煤帮侧 顶板最大下沉量为 150mm， 充填体侧为 250mm， 即充 填体侧顶板下沉量要大于实煤帮侧。 顶底板移进量主 要是底板鼓起量， 而煤帮侧底板鼓起量要远远大于充 填体侧底板鼓起量， 大概是充填体侧的 1.2 倍。综上 可知， 沿空巷道围岩变形量在可控范围内， 经过卧底 等巷道维护修复措施后可以很好的复用， 满足下个工 作面回采的需求。 （a ）围岩移进量（b）顶板下沉量 图 5巷道围岩表面位移观测结果图 研究选取了巷旁支护体材料以及确定了巷旁支 护体的具体参数。 选择了高水速凝材料浇筑的巷旁充 填体作为巷旁支护体。确定了巷旁充填体水灰比为 1.8∶1； 巷旁支护体宽度为 1.4m。 并通过工程实践、 现 场观测证明其安全可靠。 参考文献 [1] 王卫东.采空区下近距离煤层回采巷道布置优化[J].煤矿 现代化,2018 （06） 1- 3. [2] 陈阳洋. 基于 FLAC3D 数值模拟的巷道支护参数优化及 分析[J].内蒙古煤炭经济,2017 （08） 91115. [3] 叶文登. 庞庄煤矿深部采空区下沿空留巷围岩控制技术 研究[D].中国矿业大学,2016. 作者简介 张建， 男， 1985 年 6 月生， 汉族， 山西省阳高县人， 工程 师， 毕业于太原理工大学机电一体化工程专业， 现为霍州煤 电集团汾河焦煤股份有限公司回坡底煤矿安全科科长。 （收稿日期 2018- 11- 9） 88 ChaoXing