厚煤层综放面沿空掘巷分段围岩控制技术研究_左文录.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 1工程背景 图 1工作面煤层柱状图 山西潞安集团黑龙煤业联合开采 9 号、 10 号、 11 号合并煤层， 现开采的 2102 工作面 91011 号煤层 均厚 6.0m， 顶底板综合柱状图如图 1 所示。西翼为已 回采的 2104 工作面采空区， 东翼为轨道、 运输、 回风 三条大巷。考虑到工作面采动扰动， 设计 91011 号 煤层轨道大巷保护煤柱时，计划留设 75m 宽煤柱护 巷， 以控制动压作用大巷围岩大变形。但该布置方式 直接面临的问题是 工作面煤炭资源损失严重， 煤炭 回收率低， 同时工作面倾斜长度较短不利于实现工作 面高产高效。考虑到其邻近 2104 工作面回采结束至 今已有 1a 时间，其采空侧上覆岩层活动已经基本稳 定， 为尽可能提高煤炭资源的采出率， 计划在 2102 工 作面回采时采用窄煤柱沿空掘巷技术， 以减小区段煤 柱宽度， 为此， 亟需开展黑龙煤业 2102 工作面沿空掘 巷支护技术研究。 2沿空掘巷合理煤柱宽度数值模拟研究 为合理确定护巷煤柱宽度，采用 FLAC3D数值模 拟软件进行模拟分析，模拟主要对象是黑龙煤业 2102 工作面回风顺槽，主要研究内容是分析不同宽 度保护煤柱下沿空掘巷围岩的稳定性， 确定护巷煤柱 宽度。 基于 2102 工作面工程地质条件， 数值计算模型 长 300m， 高 65m， 宽 20m。 采用摩尔库伦本构模型， 围 岩物理力学参数见表 1。模型左右、 前后以及底部均 采用固定位移边界条件，在模型顶部施加垂直载荷 4.5MPa， 水平侧压系数为 1.4。 厚煤层综放面沿空掘巷分段围岩控制技术研究 左 文 录 （山西潞安集团蒲县黑龙煤业有限公司 ，山西 蒲县 041200 ） 摘要 针对 2104 工作面生产地质条件， 采用数值模拟、 现场实测的方法， 分析了 2104 采动稳定后 煤壁应力演化规律， 确定了 2102 工作面回风顺槽合理护巷煤柱宽度， 设计了 2102 工作面沿空掘巷支 护方案。 现场工业性试验表明， 采用窄煤柱沿空掘巷技术， 在保证巷道围岩稳定的同时， 提高了煤炭资 源回收率， 技术及经济效益明显。 关键词 数值模拟 ； 现场实测 ； 沿空掘巷 ； 窄煤柱 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0032- 04 Study on control technology of segmentating surrounding rock along roadway excavation in working face of thick coal seam ZUO Wenlu （Department ofEngineeringTechnologyManagement,HeilongCoal Co. ,Ltd. ,Shanxi Lu’ an Group Co. ,Ltd. ， Puxian 041200 ， China ） Abstract in view of the production geological conditions of 2104 working face, numerical simulation and field measurement are adopted to analyze the stress evolution lawofcoal wall after 2104 miningstabilization, determine the reasonable coal pillar width ofroadwayprotection a- longthe return air channel of2102 workingface, and design the supportingscheme ofroadwayexcavation alongthe void of2102 workingface. The field test shows that the technology of tunneling with narrowcoal pillar can not only ensure the stability of surrounding rock, but also im- prove the recoveryrate ofcoal resources. Keywords numerical simulation ；field measurement ； roadwayexcavation alongthe void ； narrowcoal pillar 32 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 数值计算时， 2104 工作面采高取 6.0m， 2102 工 作面回风顺槽沿底掘进，矩形断面，尺寸（宽高 ） 4.0m3.0m， 基于此， 分别模拟受 2104 工作面采空区 侧向支承应力影响不同煤柱宽度下 （5m～30m ） 沿空 掘巷围岩应力变化特征。 表 1岩层物理力学参数 护巷煤柱宽度影响着沿空掘巷所处应力环境， 采 用较宽或者较窄的煤柱进行沿空掘巷时， 可使试验巷 道避开受采空区侧向支承应力集中峰值区， 从而一定 程度上改善巷道围岩应力状态， 因此在选择煤柱宽度 时， 要充分考虑试验巷道所处应力环境， 避免将试验 巷道选择在应力集中峰值范围内， 减小巷道围岩产生 大变形的能力。 图 2 给出了 5m～20m 不同煤柱宽度下， 在 2104 工作面采空区侧向支承压力作用下试验巷道 （2102 工作面回风顺槽 ） 围岩应力分布云图， 从图中可以看 出， 在邻近工作面采空区覆岩活动基本趋于稳定进行 沿空掘巷， 巷道围岩应力重新分布， 当采用窄煤柱掘 巷时 （煤柱宽度 5m ） ， 煤柱承载能力较低， 属于屈服煤 柱， 煤柱内应力向深部 （实煤体帮） 转移， 此时试验巷 道煤柱内应力较小，实煤体帮应力集中程度较大， 但 巷道整体处于卸压范围，围岩应力环境相对良好， 随 着煤柱宽度的增加，试验巷道煤柱承载能力提高， 应 力出现明显增加， 而试验巷道实煤体帮煤体内应力逐 渐减小，当煤柱宽度达到一定后（煤柱宽度 20m ） ， 2104 工作面采空区侧向支承压力传递到下工作面回 风顺槽围岩的应力将可忽略， 此时巷道围岩应力环境 亦相对良好， 但该布置方式将损失大量煤炭资源。 a煤柱宽度 5m（b） 煤柱宽度 10m （c ） 煤柱宽度 15m（d） 煤柱宽度 20m 图 2不同煤柱宽度下沿空掘巷围岩垂直应力分布云图 为提高黑龙煤业 2102 工作面单产以及煤炭回收 率， 在调研工作面生产地质资料、 分析煤柱宽度对沿 空掘巷围岩稳定性的影响后，最终确定 2102 工作面 回风顺槽采用窄煤柱沿空掘巷布置方式， 煤柱宽度设 计为 5m。 3沿空巷道分段围岩控制参数 由矿井地质资料可知， 2102 工作面回风顺槽掘 进期间会通过水平残余煤柱影响区区域和顶板出现 黄泥和伪顶破碎的区域， 针对沿空掘巷不同区域不同 的顶板条件， 提出不同的支护方案， 共 3 种方案， 包括 正常区域沿空掘巷支护方案、 残余煤柱影响区域沿空 掘巷支护方案、 特殊区域沿空掘巷支护方案， 其中， 残 余煤柱影响区域是指上水平残余煤柱影响范围内， 特 殊区域是指在顶板出现黄泥或伪顶极为破碎， 现场无 法施工锚杆 （索 ） 的区域。 1 ）正常区域沿空掘巷支护方案。正常区域沿空 掘巷支护参数如下 巷道为矩形断面， 尺寸 （宽高） 4.0m3.0m， 锚杆直径 Φ22mm， 长度 L2400mm， 间排 距 800mm800mm，顶板锚索为 Φ18.9mm 的钢绞 线， 长度 L6300mm， 间排距 1800mm1600mm， 如图 3 所示。 图 3正常区域巷道支护断面图 岩性 体积模 量 /GPa 剪切模 量 内摩擦 角 f/ 内聚力 C/MPa 抗拉强 度 t/MPa 厚度 /m 上覆岩层2.441.53241.13.420.0 石灰岩2.782.08352.07.6814.0 泥岩2.441.53241.13.41.0 91011 煤层1.230.81200.82.286.0 泥岩2.441.53241.13.42.0 细砂岩2.681.84301.86.242.0 下伏岩层2.441.53241.13.420.0 33 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 2 ）残余煤柱影响区域沿空掘巷支护方案。在上 水平采空区残余煤柱影响范围内， 采用残余煤柱影响 区域沿空掘巷支护方案， 主要包括残余煤柱及其两侧 30m范围内下方的沿空掘巷区域，支护参数如下 巷 道为矩形断面， 尺寸 （宽高） 4.0m3.0m， 锚杆直径 Φ22mm， 长度 L2400mm， 间排距 800mm800mm， 顶 板锚索为 Φ18.9mm 的钢绞线， 长度 L7300mm， 锚索 采用 “212” 布置方式， 如图 4 所示。 图 4残余煤柱区巷道支护断面图 3 ）特殊区域沿空掘巷支护方案。在顶板出现黄 泥或伪顶极为破碎， 现场无法施工锚杆 （索） 的区域， 采用特殊区域沿空掘巷支护方案，支护参数如下 巷 道为矩形断面， 尺寸 （宽高） 4.0m3.0m， 顶板采用 “单体液压支柱 工字钢棚” 进行支护， 棚距 800m， 巷 道两帮采用锚杆支护，锚杆直径 Φ22mm，长度 L2400mm， 间排距 800mm800mm。 4技术及经济效益分析 4.1围岩变形特征分析 依据上述技术方案， 展开 5m 窄煤柱沿空掘巷 工业性试验， 2102 回风顺槽采用分段支护方案， 巷 道 掘 进 阶 段 围 岩 变 形 量 很 小 ， 基 本 控 制 在 10～20mm， 2102 工作面回采过程中对沿空巷道的围 岩变形量进行了观测， 绘制如图 5 所示的围岩变形 曲线。如图 6 所示，当测点距离回采工作面 40m 时， 沿空巷道开始发生快速变形， 当距离回采工作 面 20m 时， 围岩变形速度达到最大， 当工作面推进 到测站位置时， 巷道顶两帮相对移近量为 980mm， 顶底板相对移近量为 580mm，基本可满足工作面 回采的需求。 图 5围岩变形量观测 4.2经济效益分析 沿空掘巷具有提高煤炭回收率的优点，本节对 2102 工作面采用窄煤柱沿空掘巷前后工作面可采储 量进行估算，已知 2104 工作面采空区距 3 条大巷约 270m， 2102 工作面推进长度按 560m 计算， 平均煤厚 6.0m， 采高 3.00.1m， 放煤高度 3.0m， 采放比为 1 1， 底分层回收率为 95％， 顶煤回收率为 85％， 煤的容重 1.4t/m3。 1 ）宽煤柱 大巷留设 75m保护煤柱， 相邻工作面 留设 20m煤柱， 此时， 2102 工作面长度 175m， 可采储 量 Q1175560 （30.9530.85 ） 1.474 万 t。 2 ）窄煤柱 2102 回风顺槽进行沿空掘巷， 大巷留 设 75m保护煤柱，相邻工作面留设 5m煤柱，此时， 2102 工作面长度 190m，可采储量 Q2190560 （30.9530.85 ） 1.480 万 t。 综上计算， 2102 工作面采用窄煤柱沿空掘巷布 置后， 可多回采原煤 6 万 t， 工作面煤炭回收率提高了 8。 5结论 1 ）为提高黑龙煤业 2102 工作面单产以及煤炭 回收率，最终确定 2102 工作面回风顺槽采用窄煤柱 沿空掘巷布置方式， 煤柱宽度设计为 5m。 2 ） 针对 2102 工作面回风顺槽不同区域地质条 件， 沿空掘巷设计了不同的支护方案， 包括正常区域 沿空掘巷支护方案、 残余煤柱影响区域沿空掘巷支护 方案、 特殊区域沿空掘巷支护方案。 3 ）沿空巷道在工作面回采过程中，巷道顶两 帮相对移近量为 980mm，顶底板相对移近量为 580mm， 基本可满足工作面回采的需求。采用沿空 掘巷技术可多回采原煤 6 万 t，工作面煤炭回收率 提高了 8。 34 ChaoXing 参考文献 [1] 虎鹏.王洼二矿 110507 工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度 及支护设计[J].煤,2019,28 （10） 19- 21. [2] 孙柏彦. 斜沟煤矿厚煤层孤岛综放工作面沿空掘巷技术 应用[J].煤,2019,28 （08） 23- 26. [3] 包海昇. 孤岛工作面窄煤柱沿空掘巷围岩控制技术研究 [J].矿业装备 , 2019 （04） 38- 39. [4] 张煜. 孤岛综放面窄煤柱沿空掘巷围岩控制技术研究[J]. 煤,2019 , 28 （07） 13- 1521. [5] 张鹏鹏,郝兵元,王凯,黄小朋,闫树鹏,魏娟.综放开采沿空 掘巷小煤柱宽度留设及支护技术研究[J].煤炭科学技术, 2018,46 （05） 40- 46. 作者简介 左文录 （1986-），男，河北省石家庄市人 ，2010 年 7 月 毕业于太原理工大学采矿工程专业， 助理工程师， 现从事煤 炭开采技术工作。（收稿日期 2020- 1- 16） 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 0引言 煤矿在采掘作业过程中，会受到各种水害的威 胁， 我国煤矿生产中水害事故中， 工作面采掘作业致 使贯通采空区积水的事故占到约 30。回采工作面 在进行回采作业前， 必须对上覆采空区的积水进行有 效的探测与疏放，由于采空区内积水的因素较为复 杂， 积水的赋存状态形式多样， 积水的总量不清楚等 均给工作面回采前的探放水作业带来困难， 给工作面 的安全回采带来隐患。 本文以东曲矿 24808 工作面上 覆采空区积水为研究背景， 具体分析采空区积水的充 水因素， 并对采空区积水探访水作业后的采空区充水 系数进行分析， 充分保障工作面回采作业时的安全。 1工程概况 西山煤电集团东曲矿 24808 工作面位于 4 煤层 东曲矿 24808 工作面上覆采空区充水水源与充水系数分析 裴 利 军 （西山煤电集团东曲矿 ，山西 古交 030200 ） 摘要 为保障 24808 工作面回采作业时不出现突水现象， 结合矿井 2 煤层及 4 煤层的地质条件， 进行 2 煤层采空区充水水源及充水通道的分析，根据分析结果可知， 24808 工作面回采前必须进行 上覆采空区的疏放水作业， 在工作面进行探放水作业时， 进行各项参数的监测， 结合地质条件进行上 覆采空区充水系数的分析。结果表明 24808 工作面探放水作业后， 上覆 2 煤层采空区的充水系数为 0.3， 满足煤矿防治水细则要求， 能够进行 24808 工作面的回采作业。 关键词 采空区积水； 充水水源； 充水系数 中图分类号 TD745文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0035- 03 Analysis of Water Filling Source and Water Filling Coefficient in Overhead Mined Area of Dongqu Mine 24808 Working Face PEI Lijun （Dongqu Mine, Xishan coal electricitygroup , Gujiao 030200 ， China ） Abstract In order to ensure that no water inrush phenomenon occurs during the mining operation of the 24808 working face, combined with the geological conditions ofthe 2 coal seamand 4 coal seam, the analysis ofthe water source and channel ofthe 2 coal seamgoafis based on the analysis results. Before the working face is mined, the dredging and drainage operations of the overburden goaf must be carried out. When carryingout the exploration and drainage operation at the workingface, various parameters are monitored, and the water fill coefficient of the overburden goaf is analyzed in conjunction with the geological conditions. The results show that the water- filling coefficient of the mined- out area ofthe 2 coal seam after the 24808 working face is 0.3, which meets the requirements of coal mine water control regulations, and can perthe miningoperation at the 24808 workingface. Key words Water in goaf; water source ; water fillingcoefficient 35 ChaoXing