综放沿空小断面留巷技术研究.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 0 4 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．6 N o v ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 6 0 6 5 1 0 5 综放沿空小断面留巷技术研究 曹胜根1 ，刘卫群2 1 ．中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ．中国矿业大学理学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要随着开采强度的增加，综放工作面的瓦斯超限问题日益突出．以王庄煤矿5 2 0 1 综放面为 例，提出采用综放沿空小断面留巷技术，布置J 型通风系统，治理综放工作面瓦斯超限．由关键块 的分析和数值模拟结果，确定了综放沿空小断面留巷的断面形状，给出了斜梁的合理支护设计． 矿压观测结果表明，留巷小断面变形以及留巷煤帮深部位移有较好的收敛性，能够满足工作面抽 放瓦斯的需要． 关键词综放开采；沿空小断面留巷；J 型通风；矿压控制 中图分类号T D3 2 2文献标识码A T e c h n i q u eo fS m a l lS e c t i o nE n t r yR e t a i n i n gA l o n gG o bS i d e i nF u l l y M e c h a n i z e dT o p C o a lC a v i n gF a c e C A O S h e n g g e n l ，L I UW e i q u n 2 1 ．S c h o o lo fM i n e r a la n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fS c i e n c e s ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t D u et Ot h ei n c r e a s i n go fm i n i n gp r o d u c t i o n ，t h ep r o b l e mo fg a sc o n s i s t e n c ee x c e e d i n g n o r m a lv a l u ei sb e c o m i n gs e r i o u si n f u l l y m e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gf a c e ．T a k i n g5 2 0 1f a c e ， W a n g z h u a n gc o a lm i n ea sa ne x a m p l e ，t h em e a s u r e so fp r e v e n t i n gg a sc o n s i s t e n c ee x c e e d i n gn o r m a l v a l u ew e r ep u tf o r w a r d ，t h a ti s ，a p p l y i n gs m a l ls e c t i o ne n t r yr e t a i n i n ga l o n gg o bs i d ea n dl a y o u to f J s h a p ev e n t i l a t i o ns y s t e m ．T h ee n t r ys e c t i o ns h a p ea n dt h er e a s o n a b l ed e s i g no fi n c l i n e db e a mw e r e d e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fk e yb l o c k sa n dt h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．R e s u l t s o fg r o u n dp r e s s u r eo b s e r v a t i o n si n d i c a t et h a tt h e r ea r eg o o dc o n v e r g e n c ei nt h es m a l ls e c t i o ne n t r y d e f o r m a t i o na n dt h er i bi n t e r n a ld i s p l a c e m e n t ．T h e s ec a ne n s u r et h en e e d so fg a sd r a i n a g ei nc o a l f a c e ． K e yw o r d s f u l l y - m e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n g ； s m a l ls e c t i o ne n t r yr e t a i n i n ga l o n gg o bs i d e ；J s h a p e v e n t i l a t i o ns y s t e m ；g r o u n dp r e s s u r ec o n t r o l l i n g 综合机械化放顶煤 简称综放 开采技术是采 煤方法中一项新的开采工艺，是厚及特厚煤层采煤 方法的新发展．在一定的条件下，它具有高产、高 效、掘进率低、成本低、经济效益好等优点，但瓦斯 涌出量是综放工作面安全生产的主要制约条件之 一．综放工作面瓦斯超限有效防治技术是保证安全 生产的前提，意义重大，对推动这一新工艺的健康 发展，特别是对在较高瓦斯煤层推广应用这一技术 具有决定作用‘卜2 | ． 潞安矿业集团王庄煤矿现进入二水平开采， 5 2 0 1 综放工作面是进入二水平开采5 2 采区的第 一个回采工作面．由于开采强度增大，工作面回采 初期 8d 内 瓦斯涌出量都超过预测量，波动在 1 0 ．9 ～1 3 ．1m 3 ／m i n 之内，平均值为1 1 ．9m 3 ／m i n ， 收稿日期2 0 0 4 0 3 1 2 基金项目国家杰出青年科学基金项目 5 0 2 2 5 4 1 4 作者简介曹胜根 1 9 6 8 一 ，男，江苏省泰州市人，中国矿业大学副教授，工学博士，从事矿山压力方面的研究 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 超过预测值3 4 ％；从第9 天 工作面推进3 2m 起， 瓦斯涌出量增大，特别是从第1 3 天起 工作面推进 5 0m ，瓦斯涌出量骤增，达1 7 ．6m 3 ／m i n ；第1 5 天 时，瓦斯涌出量达最高值 2 0 ．1m 3 ／m i n ，尽管供风 量达到1 2 5 0m 3 ／m i n ，工作面上隅角仍出现瓦斯超 限现象，专用回风巷风量1 4 0m 3 ／m i n ，其瓦斯浓度 也一度达到3 ．0 ％．因此，研究治理王庄煤矿5 2 采 区综放工作面瓦斯超限关键技术迫在眉睫． 采用综放沿空小断面留巷技术，目的是为了布 置J 型通风系统，解决尾巷通风和排水问题．实现 综放沿空小断面留巷技术的前提是全煤锚网支护 技术，因为全煤锚网支护巷道开采垮落后会形成三 角形“免压”区，只要简单维护便可成为通风 或排 水 尾巷，因而支护成本十分低廉．这项研究对于高 产高效综放开采治理工作面瓦斯超限具有十分重 要的现实意义． 1 工作面概况 王庄煤矿5 2 0 1 工作面位于王庄矿井田的西北 角，是5 2 盘区的第一个工作面，东接5 2 皮带与轨 道，西部与南部均为村庄保护煤柱，北为实体煤，距 风巷1 8 0m 布置有5 2 0 1 放水巷，通过放水斜巷与 风巷沟通． 5 2 0 1 工作面沿倾向布置，工作面长2 5 1 ．1m ， 运巷可采长10 2 7m ，风巷可采长10 5 5m ，平均 10 3 7m ；煤层平均厚度6 ．6 3m ，共含夹矸4 层，总 厚0 ．3 2m ；煤层倾角1 ．5 ～6 ．5 。，平均为3 ．5 。；工作 面工业储量为2 2 3 ．0 万t ，可采储量2 0 7 ．4 万t ． 从整体上看，该工作面煤层为一向西南方向倾 斜的单斜构造，倾向2 2 5 ～2 4 2 。，煤层埋深为3 2 0 ～ 3 5 0m ．工作面西北侧有发育断层一条，编号F 1 1 4 ． 从目前资料分析，工作面内未发现有影响回采的断 层及无炭柱等地质构造． 5 2 0 1 工作面围岩及其特征见表1 ． 表1王庄煤矿5 2 0 1 工作面围岩及其特征 T a b le1 S u r r o u n d i n gr o c k sa n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s i n5 2 0 1c o a lf a c e 围岩名称岩石名称 厚度／m 岩石描述 5 2 0 1 综放面采用一进两回 排 J 型通风系统， 即运输平巷进风，回风平巷和采空区沿空留专用排 瓦斯尾巷回风，如图1 所示．工作面回风巷在进入 采空区后继续留用，并改用适于采空区矿压的新型 支护结构与材料，以保障可靠的专用回风巷通风的 要求．沿空专用排瓦斯巷与5 2 0 1 放水巷相接，并在 两巷道相接处设有密闭．5 2 0 1 放水巷内安设有 K D Z 一2 2 6k W 型和F S D 一2 1 8 ．5k W 型两台抽 出式风机，作为专用排瓦斯巷的辅助通风动力；两 台抽出式风机的负压端风筒穿过密闭进入专用排 瓦斯巷，其正压端风筒一直延伸至5 2 采区回风巷， 将专用排瓦斯巷的较高瓦斯浓度风流直接排放到 采区回风巷内． 图15 2 0 1 综放面J 型通风系统示意图 F i g ．1 J s h a p ev e n t i l a t i o ns y s t e mo f5 2 0 1c o a lf a c e 2综放沿空小断面留巷的合理形状与支护 设计 2 ．1综放沿空小断面留巷的合理形状 由关键块分析可知，当巷道内侧煤帮随工作面 推进而割除后，巷道覆岩老顶 关键块 将垮塌，垮 塌后的关键块一端由老塘矸石支承，另一端由外侧 实体煤帮支承，成斜跨梁结构．而原巷道煤帮和顶 板由于实施锚网支护，破坏前后能保持较好的完整 性．因此，现场观测可以看到，受关键块斜跨支承掩 护和锚网支护作用，综放老塘沿空垮落巷道存在一 个三角形“免压区”或“低压区”[ 3 。7 ] ． 为了能合理利用自然矿压规律，可选定综放沿 空小断面留巷的巷道断面形状为直角三角形，在巷 帮和底板的斜顶上加上一根斜梁，维护住一个较为 稳定的通风断面，确保专用瓦排巷的畅通． 2 ．2 支护斜梁合理角度的数值分析 综放小断面留巷支护斜梁 见图2 的角度要 受到三方面因素的限制，即受力状态、几何约束、 支护成本．由于实施锚网支护的巷道围岩在垮落后 如何对斜梁施加载荷难以确定，因此无法对斜梁载 荷进行合理简化，只能采用数值模拟的方法来分析 斜梁的合理角度． 万方数据 第6 期曹胜根等综放沿空小断面留巷技术研究 陟 N 心a 入／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ．／ ／／，，，／，／／／／／v ． 口 ．f 图2 小断面留巷的支护斜梁 F i g ．2 I n c l i n e db e a mi ns m a l ls e c t i o ne n t r y r e t a i n i n ga l o n gg o bs i d e 以王庄煤矿5 2 0 1 综放工作面回风巷的采矿地 质条件为基础，运用岩石破裂过程分析软件 R F P A 2 D 分析围岩破裂垮落的随机过程，考虑到 留巷支护的成本和巷道几何约束条件，以斜梁角度 口变化 转化为b ／a 比值变化 将数值模拟的方案 分为4 组，其4 组b ／a 比值分别为0 ．5 ，1 ．0 ，1 ．5 ， 1 2 ．0 ．每组中根据留巷断面积s 一口6 的不同，又分 厶 别计算了1 ，2 ，3 ，4r r l 2 等情况． 数值模拟结果见图3 和表2 ．表2 中分别给出 了1 6 个计算模型所得的斜梁内最大弯曲应力‰。． a b 图3b ／a 0 ．5 ，S 一1m 2 时的围岩状态 F i g ．3S u r r o u n d i n gr o c k ss i t u a t i o n b ／a O ．5 ，S 1m 2 表2 斜梁内承受的最大弯曲应力口k ， M P a T a b l e2M a x i m u mb e n d i n gs t r e s si ni n c l i n e db e a m S ／m z 1 6 ．4 9 1 2 ．1 6 1 1 ．8 9 6 ．8 7 1 6 ．9 9 1 3 ．0 4 1 2 ．5 6 7 ．0 6 鉴于表2 的计算结果，综合考虑巷道的几何约 束和支护成本，斜梁的合理角度应选在b ／a 为1 ．5 ～2 ．0 的范围内． 2 ．3 综放沿空小断面留巷的支护设计 随工作面回采，留设2I n 2 左右的通风断面，以 保证瓦斯排放．选取b ／a 为1 ．5 ，支护斜梁选用梯 形棚架回收后的废工字钢，型号为1 1 ，长31 “ 1 1 ，则 计算得b 和口分别为2 ．51 T I 和1 ．7m ． 为防斜梁的弯曲变形和增加其稳定性，在横梁 和巷道帮角之间加设一条支腿，支腿选用约8 0 I n m 左右的圆木．支腿的两个支点分别为巷道帮角 和斜梁从下至上三分之一处．为防斜梁与斜梁之间 巷道顶板破碎下落及保持相邻斜梁之间的稳定性， 在斜梁中部铺设半圆横椽．为防巷道顶板碎石垮落 和增加斜梁和巷道顶板的稳定性，在斜梁上部加铺 一层塑料编织网，在原巷道顶板上预拉两根钢丝 绳．此外，为防金属支护接触之间由于滑动摩擦而 产生火花，在支护设计中不使用金属与金属的连 接． 因为可选用矿上废料作为综放小断面留巷支 护材料，例如废工字钢和废钢丝绳，以及废木料等， 所以支护材料成本较低． 3 综放沿空小断面留巷矿压规律及控制 3 ．1 矿压观测、 对综放小断面留巷围岩变形布置了两组观测 站其一为深部围岩位移测站；其二为巷道表面位 移测站． 1 深部围岩位移测站 利用锚杆支护矿压监测测站布置在巷道外侧 煤帮上的两个深基点位移观测孔．此孔分别设置在 离开切眼为4 0m 和8 0m 处，测孔直径为4 3m m ， 长度为50 0 0r n m ，可读取离巷道表面不同深度处 围岩水平移动量．分别编号为测点I 和测点Ⅱ． 2 巷道表面位移测站 离开切眼4 0m 处起，每间隔4 0r n 连续布置3 个测站，分别观测留巷直墙高度b 和三角形断面腰 线长度C 的变化量出和 ，编号分别为断面I ， Ⅱ和Ⅲ． 3 ．2 留巷围岩变形规律 3 ．2 ．1留巷断面收敛变形 万方数据 6 5 4 中国矿业大学学报第3 3 卷 3 个巷道断面表面位移测站的观测结果见图 4 ．从图4 中可见，综放小断面留巷断面变形有如下 断面I 特点 断面I I 断面f T T 鬻一要2 囊0 0 一r 0 1 0 2 03 04 0 L ／m a 留巷直墙高度变化量△6 随工作面推进距￡变化 0 1 02 03 04 0 L ／r n b 留巷断面中腰线长度变化量△c 随工作面推进距￡变化 l 8 毫1 ．6 1 ．4 1 ．2 01 02 03 04 0 L ／m c 留巷断面积躏工作面推进距￡变化 图4 △6 ， 和S 随工作面推进距L 的变化曲线 F i g ．4T h er e l a t i o n s h i pc u r v e so f △6 ，＆a n dSw i t ht h ec h a n g eo fm i n i n gd i s t a n c eL 1 断面变形有较好的收敛性．在工作面推进 过o ～2 0m 范围内，变形十分显著，占整个收敛变 形的8 0 ％左右．在工作面推进3 0 ～4 0m 范围内， 变形已趋于收敛，占整个收敛变形的5 ％左右． 2 结合现场实际观察，留巷断面收敛变形量 主要来自支护斜梁上下端部插底和嵌墙，以及煤帮 鼓出． 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 3 由于及时采取抗变形措施，从断面I 至断 面Ⅲ留巷断面收敛变形量依次显著降低得到了具 体验证． 3 ．2 ．2 留巷煤帮深部位移 留巷煤帮深基点位移测点观测结果见图5 ，从 中可见，留巷煤帮深部位移也具有良好的收敛性． 一l ⋯ ■- 一2 m _ ．| _ 一3m 姜 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 1 02 03 04 0 0 L ／m a 测点1 处 1 02 03 04 0 L ／m b 测点I I 处 图5 测点I ，1 I 处煤帮深部位移 F i g ．5 R i bi n t e r n a ld i s p l a c e m e n ti nm o n u m e n tIa n d Ⅱ 3 ．3 巷道矿压控制 综放沿空小断面留巷是一项全新的设计，完善 其矿压控制技术需要一个长期的发展过程．在王庄 煤矿5 2 0 1 综放面沿空留巷实践中，我们采取了如 下措施 1 高强度支护斜梁及其结构抗变形加固技术 支护斜梁是整个支护中的关键结构，采用矿用 废工字钢不仅能满足支护强度和刚度要求，而且成 本较低．为了进一步加强斜梁的抗弯曲变形能力， 设计中还加设了中部支腿．实践表明，斜梁无明显 弯曲变形．另外，在实践中很快发现，斜梁上下两端 由于与底板和煤墙接触处产生嵌入，使留巷断面产 生很大变形．因此，我们及时采取了抗嵌入措施，一 是变尖点接触为平面接触，二是在接触处加设木制 平板垫块．从巷道收敛变形实测情况中可以见到其 产生的显著支护效果． 2 防落渣措施 由于原巷道顶网在顶板垮落过程中破损严重， 因而留巷斜顶部破碎顶煤极易出现落渣现象，所以 我们在实践中及时采用了加铺塑料顶网的措施，消 除了斜顶落渣现象． 3 巷道顶板整体稳定性控制 为了控制巷道顶板和斜梁沿轴向的整体稳定 性，在支护设计之初就加设了两项措施，其一是在 原巷道顶网上加拉两条钢丝绳，其二是在支护斜梁 中部铺设一根半圆木横椽，实践中收到了十分理想 的效果． 4 巷道煤帮鼓出变形控制 由于巷道斜梁的支撑作用，留巷后巷道煤帮的 横向鼓出变形得到了十分有效的控制，深基点位移 观测表明，留巷动压引起的变形量与采场超前支承 压力引起的变形量基本相当．如希望进一步控制巷 道煤帮的鼓出变形，还可采用加打强力锚杆等措 施． 万方数据 第6 期曹胜根等综放沿空小断面留巷技术研究 4结论 1 J 型通风系统的专用排瓦斯巷，巧妙利用其 覆岩关键块结构和全煤锚网支护垮落共同形成的 “免压区”做掩护，实施沿空小断面留巷 不掘新巷 道 ．巷道维护容易，服务期间通风断面收缩小，可 靠地保障了其排瓦斯功能；支护结构合理、安全性 能好；施工工艺简单、工时短、工程量小、使用废旧 钢材、工程费用低． 2 由关键块分析，确定综放沿空小断面留巷 的巷道断面形状为直角三角形，在巷帮和底板的斜 顶上加上一根斜梁，维护住一个较为稳定的通风断 面，确保专用瓦排巷的畅通． 3 综放小断面留巷支护斜梁的角度要受到三 方面因素的限制，即受力状态、几何约束、支护成 本．采用数值模拟的方法来分析斜梁的合理角度， 综合考虑巷道的几何约束和支护成本，斜梁的合理 角度应选在b ／a 为1 ．5 ～2 ．0 的范围内． 4 矿压观测结果表明，综放小断面留巷断面 变形有较好的收敛性，留巷断面收敛变形量主要来 自支护斜梁上下端部插底和嵌墙，以及煤帮鼓出． 留巷煤帮深部位移也具有良好的收敛性． 5 在综放沿空小断面留巷的控制过程中已采 取高强度支护斜梁及其结构抗变形加固技术、防落 渣措施、巷道顶板整体稳定性控制技术、巷道煤帮 鼓出变形控制技术等控制巷道的变形，效果显著． 参考文献 [ 1 ] 俞启香．矿井瓦斯防治[ M ] ．徐州中国矿业大学出版 社，1 9 9 2 ． [ 2 ] 戴广龙．“品”字型巷道系统综放工作面瓦斯涌出规律 研究[ J ] ．中国煤炭，2 0 0 0 ，2 6 7 2 3 2 6 ． D a iGL ．G a se m i s s i o nr e g u l a r i t yi nf u l l y m e c h a n i z e d t o p - c o a lc a v i n g f a c eu s i n g “品”s h a p e e n t r y d i s t r i b u t i o ns y s t e m 口] ．C h i n aC o a l ，2 0 0 0 ，2 6 7 2 3 2 6 ． [ 3 ] 钱鸣高，缪协兴，许家林，等．岩层控制的关键层理论 [ M ] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 0 ． [ 4 ] 钱鸣高，缪协兴，许家林．岩层控制中的关键层理论研 究口] ．煤炭学报，1 9 9 6 ，2 1 3 2 2 5 2 3 0 ． Q i a nMG ，M i a oXX ，X uJL ．T h e o r e t i c a ls t u d yo f k e ys t r a t u mi ng r o u n dc o n t r o lI - j ] ．J o u r n a lo fC h i n a C o a lS o c i e t y ，1 9 9 6 ，2 1 3 2 2 5 - 2 3 0 ． [ 5 ] 缪协兴．砌体梁结构分析与应用[ D ] ．徐州中国矿 业大学理学院，1 9 9 6 ． [ 6 ] 缪协兴，钱鸣高．采场围岩整体结构与砌体梁力学模 型[ J ] ．矿山压力与顶板管理，1 9 9 5 3 ，4 3 - 1 2 ． M i a oXX ，Q i a nMG ．S o l i ds t r u c t u r ea n dv o u s s o i r b e a mm o d e lo f f a c e s u r r o u n d i n gr o c k [ J ] ．G r o u n d P r e s s u r ea n dS t r a t aC o n t r o l ，1 9 9 5 3 ，4 3 1 2 ． [ 7 ] 钱鸣高，缪协兴．采场矿山压力理论研究的新进展 [ J ] ．矿山压力与顶板管理，1 9 9 6 2 1 7 - 2 0 ． Q i a nMG ，M i a oXX ．N e wd e v e l o p m e n to ff a c e u n d e r g r o u n dp r e s s u r et h e o r y [ J ] ．G r o u n dP r e s s u r e a n dS t r a t aC o n t r o l ，】9 9 6 2 17 2 0 ． 责任编辑陈其泰 万方数据