柔性护巷技术在大倾角中厚煤层中的应用研究_崔悦震.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 沿空留巷是将上一区段平巷重新支护留下给下 一个区段使用利用的一种技术手段。 采用沿空留巷技 术可以减少巷道的掘进量、 去掉区段煤柱、 减少掘进 队的投入， 继而达到缓解接续紧张、 减少资源浪费、 延 长矿井寿命， 提高社会效应的目的， 同时还可以为矿 井节约大量的掘进费用[1-3]。除此之外， 无煤柱开采对 于控制冲击地压， 瓦斯爆炸等相关事故的发生也有重 要的意义， 基于这些优点， 沿空留巷技术在越来越多 的矿井生产中应用。 在几十年的研究和应用中， 沿空留巷经历了密集 支架、 矸石堆垛、 砌体墙法、 现浇混凝土隔墙法和大型 自移式沿空留巷充填支架等几个阶段，各有优劣[4-8]。 其中目前我国巷旁支护以充填体护巷为主， 该方法机 械化程度高， 施工速度快， 早期强度大， 但是对现场施 做条件有较高的要求， 且成本相对较高， 劳动强度大， 施工环境差、 施工时间长等缺点[8-10]。 沿空留巷技术在 顶底板条件好、倾角较小的煤层中应用已经相对成 熟， 但是在大倾角中厚煤层条件下国内外暂时还没有 较为成熟的无煤柱开采技术， 急需研究完善[11-14]。 作为沿空留巷的巷道从掘进到停止使用这期间 将会经过多次采掘扰动，势必会造成围岩变形量大， 巷道维护困难等问题。 鉴于大倾角中厚煤层特殊的矿 压特点， 要解决其中的沿空留巷， 必须在传统支护技 术的基础上， 研究出更适宜的留巷护巷方法。 基于此， 本文提出了 “柔性护巷” 技术， 并通过现场试验验证了 其有效性。 1柔性护巷技术介绍 柔性护巷技术在大倾角中厚煤层中的应用研究 崔悦震 1 ，王健 2 （1. 石柱土家族自治县七曜山地质公园管理处， 重庆， 409100； 2. 石柱土家族自治县应急管理局 ， 重庆 409100 ） 摘要 由于大倾角中厚煤层具有特殊的围岩结构和垮落规律，故使用传统的支护方式难以达到支 护需要， 在布置沿空留巷时必定造成困难。“柔性护巷” 技术的关键点在于巷道上帮的矸石会不断垮落 在定制的钢筋网上， 继而堆积形成一个 “包护带” ，“包护带” 具有一定的承载作用， 为巷道顶板提供支 撑力。通过在现场布点监控， 分析并总结得到了沿空留巷围岩的矿压显现规律、 钢筋网变形规律和顶 板移动规律； 试验结果表明， 传统支护方式配合实施 “柔性护巷” 技术可以有效地解决大倾角中厚煤层 中沿空留巷的技术难题。 关键词 大倾角中厚煤层 ； 沿空留巷 ； 柔性支护 ； 矸石承载 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0033- 04 Research and Application of Flexible Support Technique in Medium-thichness Seam with Large Inclined Angle CUI Yuezhen1， WANG Jian2 （1. Shizhu Tujia Autonomous CountyQiqishan Geopark Management Office , Chongqing 409100 , China； 2 . Shizhu Tujia Autonomous CountyEmergencyManagement Bureau , Chongqing 409100 , China ） Abstract At the present stage the technology of gob- side entry retaining seldom used in medium- thichness seam with large inclined angle. The reason for this is ,the past support mode can’ t satisfy the special structure of surrounding rock in large incline angle of coal seam road- way, At the same time it cant adapt to the rule of waste rock caving in the working face. In order to solve this problem, the flexible support technique is first proposed. That is, in order to satisfy the requirements of retained road, the technology make full use of the caving coal gangue, allowthe sink ofroofconvergence sothat the waste rock toprovide support for the roofstructure ofcomposite beams. Through the field test, summed up the laws ofthe roadwaymine pressure appear, the laws ofroofmovement, the rule ofwaste rock cavingaccumulation, the de- ation lawofsteel fabric, alsosummarize the construction technology. Experiments showthat the use ofcombined support systemwith bolt, pillar, steel mesh and anchor applied in flexible support technique can solve the technological problem of large inclination thick coal seam a- longthe emptyleft lane effectively. Key words medium- thichness seamwith large inclined angle ; gob- side entryretaining; flexible support ; gangue supporting 33 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 柔性护巷技术是根据岩层控制的关键层理论提 出， 在大倾角煤一种支护技术层中能有效的控制巷道 的围岩变形和采空区矸石冒落。 1.1技术特点 柔性护巷技术特点主要包括以下两点 1 ） 大倾角中厚煤层在开采过程中， 运输巷道下 帮极易出现片帮现象， 并且应力集中显现明显。 为了 提高下帮煤层的承载能力，利用锚网索联合支护对 下帮进行加强支护。顶板支护方式采用锚网索 支 柱的联合支护， 控制运输巷道顶板离层量， 加强岩层 稳定性。 2 ） 工作面向前推进的过程中， 由于采空区矸石跨 落的时序性， 浮煤和小块碎石会先掉落在柔性支护结 构上， 而后大块矸石开始从采空区上方滚落下来。由 于工作面的倾角较大， 质量过大的矸石会在滚落过程 中产生不小的冲击力， 此时碎矸石和柔性支护将会起 到缓冲作用。 直接顶跨落的矸石不断堆积在柔性结构 上方， 形成了下部致密上部疏松的矸石包， 不仅可以 为顶板提供支撑力， 提高顶板的稳定性， 而且能控制 直接顶的反转变形。 图 1柔性护巷技术实施示意图 如图 1 所示， 开采过后沿空留巷的顶板为稳定结 构， 并且在巷道保留了足够的空间。 1.2技术难点 根据柔性护巷技术的特点， 在现场进行实际应用 时， 需解决以下几个技术难点 1 ） 实施柔性护巷与传统的锚杆支护方式相比， 由 于在采空区靠巷道上帮一侧存在 “包护带” ， 为了保证 生产安全高效的进行，所需的巷道横截面积更大， 巷 道支护强度的要求也更高。 2 ） 由于工作面倾角较大， 矸石在滚落过程中会积 累较大能量，对巷道形成巨大的冲击力和侧向压力。 所以对于钢筋网的设计要求其有较高的屈服强度， 又 能承受矸石的冲击力。 3 ） 对于存在破碎结构或软弱夹层的底板， 直接 底容易顺着层理面向下滑，使得底板的锚杆失去作 用， 造成钢筋网无法有效固定， 需要对底板进行特殊 处理。 2现场试验 2.1工作面概况 本次现场试验选择在河南西部一煤矿的 1813 工 作面进行， 工作面为低瓦斯工作面， 所采煤层为大倾 角中厚煤层， 所采区域内无大地质构造。工作面内采 用俯伪斜走向长壁采煤法， 原运输平巷采取小煤柱留 巷方案。1813 工作面平均埋深为 536m，平均倾角 47， 煤层平均厚度 2.6m。煤层顶底板情况见表 1。 表 1煤层顶底板情况 2.2试验工作面支护方案设计 如图 3 （b ） 所示， 试验工作面原始巷道断面形态 为异形， 巷道顶板处有大量软弱煤体， 锚杆锚索并没 有起到很好的支护效果。 底板有一层 0.5m厚的伪底， 含多层破碎夹层， 支护效果差， 严重时会发生脱锚、 滑 底现象， 造成柔性体支护失败。 2.2.1 钢筋网设计方案 如图 2 所示，钢筋网的主横筋直径为 10mm， 其 余纵筋和横筋直径均为 8mm，网孔规格 20mm 20mm。钢筋网安装后用 Φ3.0mm钢丝铰接以防钢筋 网之间间隙过大。为解决支护前期， 碎小的矸石容易 穿过钢筋网网孔的问题， 在钢筋网上铺一层 50mm 50mm的锚网。各区域放大图， 如图 2 所示 图 2钢筋网设计图及局部放大图 顶板岩性及厚度底板岩性及厚度 基本顶砂岩 13.5m基本底细砂岩 5.3m 直接顶泥岩 4.8m直接底泥岩 3.8m 伪顶泥岩 0.6m伪底泥岩 0.5m 34 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 2.2.2 支护方案 为解决顶底板问题， 根据柔性护巷特点， 设计施 工方案措施如图 3 所示①在工作面前方设置 10m 的超前支护； ②在工作面后方在上帮与巷道中部用支 柱设置滞后支护； ③在工作面下端口要及时清理顶底 板软弱煤岩， 并悬挂钢筋网。 三个支护措施同时进行。 1 ） 超前支护在原有支护条件下，工作面前方 10m范围内， 以 2400mm为排距在靠近下帮顶板每隔 三排锚杆增加一排锚索， 以控制下帮顶板断裂。巷道 中部，每三排锚杆一排单行锚索，并布置排距为 1000mm单排支柱临时支护。如图 3 （b ） 所示。 2 ） 下端口支护 炮掘超前缺口尺寸为 3m3m 2.8m。采用单体密集支柱、 锚杆锚索对顶底板进行加 强支柱， 具体布置参数如图 3 （c ） 所示。 3 ） 滞后支护 在工作面后方， 运输巷高帮位置处 及沿走向方向布置单体液压支柱，柱间距分别为 800mm和 2400mm如图 3 （d ） 所示。 （a ） 柔性护巷平面布置图 （b） A- A 剖面图 （c ） B- B 剖面图 （d） C- C 剖面图 图 3柔性护巷支护示意图 3留巷效果分析 为了分析现场留巷效果，对留巷顶底板移近量、 钢筋网变形量和锚索受力情况分别进行了跟踪监测。 3.1顶底板的运移规律 留巷顶底板移动规律如图 4 所示，从图中可知， 在工作面后方， 顶底板活动可分为 激烈变形区、 缓慢 变形区和变形稳定区。激烈变形区位于工作面后方 0～9m， 顶底板移近速率随远离工作面而急剧增加。 缓 慢变形区位于后方 9～22m， 顶底板的移近速率随着开 采推进而减小。变形稳定区位于工作面后方 22m 以 外， 顶底板的移近速率趋于稳定。 巷道不同位置处顶板的运动规律不同， 下帮顶板 位移量较小， 而采空区侧顶板的位移量较大。这主要 是顶板的反转下沉现象造成的。 图 4巷道顶底板位移变化 3.2钢筋网的变形规律 通过监测钢筋网上位移变化情况， 发现钢筋网的 最大变形速率发生钢筋网受力前期采空区的上部。 工 作面后方 25m 后钢筋网逐渐趋于稳定，此时钢筋网 不同位置处的累计变形量各有不同， 中部变形程度最 大， 钢筋网最终呈现 “C” 字形。如图 5 所示。 3.3锚杆锚索的受力规律 采用 MJ- 60 锚索测力计监测锚索的受力情况。 结果表明， 工作面后方 0～20m， 锚索的受力呈急速增 长形态，上部锚索受力大于下部锚索受力。工作面 35 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 20m以外， 锚索受力逐渐趋于稳定。 图 5钢筋网相对变形量 图 6锚索受力变化 有以上分析可知， 在经历了工作面的采掘影响和 多次周期来压之后， 沿空留巷的巷道顶底板移近量能 控制在安全范围内且巷道两帮的移近量较小， 说明柔 性护巷的支护效果可以达到安全生产的需要。 与此同 时， 柔性护巷的设计中巷道断面空间要大于原留巷空 间， 更加有利于生产工作的高效进行。 图 7柔性护巷现场效果图 4结论 1 ） 在大倾角中厚煤层沿空留巷中提出了柔性护 巷技术，详细介绍了柔性支护的技术要点和实施方 法。 2 ） 采用柔性护巷技术可以有效加固巷道围岩。 与 此同时， 在钢筋网处形成的 “包护带” 不仅可以管理垮 落的矸石， 经过一段时间的堆积压实作用后还可以为 顶板提供支撑力。 3 ） 在 1813 工作面内实验表明 使用柔性护巷技 术后， 留巷的顶底板移近量和两帮的变形量都能控制 在一个安全范围内， 说明柔性护巷技术能较好的解决 大倾角中厚煤层沿空留巷问题。 参考文献 [1] 钱鸣高， 刘听成. 矿山压力及其控制[M]. 北京煤炭工业 出版社,1992. [2] 钱鸣高， 缪协兴， 何富连. 采场” 砌体梁” 结构的关键块分 析[J]. 煤炭学报,1994 ,19（6） 557- 563. [3] 钱鸣高， 缪协兴， 许家林. 岩层控制的关键层理论[M]. 徐 州中国矿业大学出版社,2000. [4 李晋平. 综放沿空留巷技术及其在潞安矿区的应用[D]. 煤 炭科学研究总院， 20053. [5] 朱衍利. 杜家村矿大倾角松软煤层综放开采矿压特征与 围岩控制[D].中国矿业大学 （北京） ， 20124 . [6] 柏建彪， 周华强， 侯朝炯， 等. 沿空留巷巷旁支护技术的 发展[J]. 中国矿业大学学报， 2004,332 183- 186. [7] 李化敏. 沿空留巷顶板岩层控制设计[J]. 岩石力学与工程 学报， 2000， 19 （5） 651- 654． [8] 郭育光， 柏建彪， 侯朝炯. 沿空留巷巷旁充填体主要参数 研究[J]. 中国矿业大学学报， 1992,21 （4） . [9] 张吉雄， 姜海强， 缪协兴， 等. 密实充填采煤沿空留巷巷 旁支护体合理宽度研究 [J]. 采矿与安全工程学报， 2013,30 （2） 159- 164. [10] 华心祝， 赵少华， 朱昊， 等. 沿空留巷综合支护技术研究 [J].岩土力学， 2006,27 （12） 2225- 2228. [11] 谢文兵， 殷少举， 史振凡. 综放沿空留巷几个关键问题的 研究[J].煤炭学报， 2004,29 （2） 146- 149. [12] 杨永辰， 尹博， 赵贺. 带网栓式矸石袋巷旁充填支护 体力学性能研究 [J]. 矿业安全与环保， 2013, 40 （4） 16- 18. [13] 陈勇， 柏建彪， 王襄禹， 等. 沿空留巷巷内支护技术研究 与应用[J].煤炭学报， 2012,37 （6） 903- 910. [14] 张荣立， 何国维， 等. 采矿工程设计手册[M]. 煤炭工业出 版社， 2003. 作者简介 崔悦震 （1989.09-） ， 男， 重庆渝北人， 采矿工程硕士， 主 要从事地质公园的创建与开发、 地质遗迹的保护以及日常管 理等工作。 （收稿日期 2019- 6- 13） 36 ChaoXing