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第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 采矿与井巷工程 切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技术及应用 朱 珍张科学袁红平 中国矿业大学北京 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京 中国矿业大学北京 力学与建筑工程学院北京 中国煤炭科工集团有限公司 北京天地玛珂电液控制系统有限公司北京 煤炭科学研究总院 智能控制技术研究分院北京 陕西瑞能煤业有限责任公司陕西 延安 摘 要基于切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术原理分析了切顶卸压沿空留巷碎石巷帮的形成机 理建立了沿空留巷围岩结构模型明确了顶板岩层运动特征通过结合现场实测数据分析了采空区 矸石运动特征提出了将矸石运动过程划分为两大阶段即快速垮落阶段和缓慢压实阶段揭示了在 矸石不同运动阶段矸石与碎石巷帮支护结构相互作用关系基于顶板岩层及矸石运动特征提出了 “侧向动静结合、纵向伸缩让压”的碎石巷帮控制思路同时针对不同煤层开采厚度开发了 种不同 的碎石巷帮控制结构形成了切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术碎石巷帮稳定性控制体系并在现场 进行了支护应用取得了良好的应用效果 关键词切顶卸压沿空留巷无煤柱开采围岩运动碎石巷帮稳定性控制 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . . .. . . . .. . . . . 收稿日期责任编辑杨正凯 / 基金项目国家重点研发计划资助项目国家自然科学基金资助项目中国博士后科学基金面上资助项目 中国煤炭科工集团科技创新基金资助项目 作者简介朱 珍男湖南邵阳人博士研究生 通讯作者张科学 . 引用格式朱 珍张科学袁红平.切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技术及应用.煤炭科学技术 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 引 言 随着煤炭资源不断被采出其储量越来越少而 传统留设煤柱的采煤方式所造成的煤炭资源浪费问 题日益突出提高煤炭资源采出率是我国煤炭开采 急需解决的重大问题之一 同时随着煤炭开 采深度的增加因煤柱上方应力集中而导致的巷道 围岩大变形、冲击地压以及煤与瓦斯突出等地质灾 害十分严重 因此推广使用沿空留巷无煤柱 开采技术将是我国煤炭资源可持续开采的重要发展 方向不仅能提高煤炭资源回采率在解决煤矿重大 灾害事故方面也起到了重要作用 沿空留巷无煤柱开采技术早在 世纪 年代 便引入我国目前普遍采用的沿空留巷无煤柱开采 技术主要是利用巷旁充填等技术手段随着工作面 的一边推进一边构筑高强度充填墙体以维护保留原 有回采巷道从而回采工作面护巷煤柱 近年 来国内外学者对沿空留巷技术进行了大量的研究 在巷旁充填及支护方面唐建新等通过工程试验 研究了采用普通混凝土进行沿空留巷巷旁充填的可 行性并提出了巷旁普通混凝土充填、巷内锚网索联 合支护、充填体两侧单体支柱临时支撑和巷旁锚索 加强支护的沿空留巷支护体系黄万朋等提出了 一种“钢管混凝土支柱柔性垫层”的沿空留巷巷旁 支护结构并通过力学实验研究了钢管混凝土支柱 的承载性能赵庆彪等提出了沿空留巷特殊“组 合支架”的设计方法并研制了具有强力切顶、高阻 让压、可缩协调符合留巷围岩不同时空矿压规律的 组合支架曹树刚等通过分析 个沿空留巷典 型案例对巷旁充填材料及支护技术的适用条件进 行了系统性总结对沿空留巷技术的推广应用具有 积极的参考意义 在沿空留巷围岩活动及控制方 面李胜等研究了综放沿空留巷顶板下沉规律 通过建立力学模型导出了顶板下沉量的理论计算公 式并针对顶板变形特点提出了相应的控制对策康 红普等基于深部沿空留巷工程实践通过数值模 拟手段分析了深部沿空留巷围岩变形与应力分布特 征并提出了巷内采用高强锚杆锚索作为基本支护、 单体支柱配合铰接顶梁作加强支护巷旁采用膏体 充填的综合控制体系 此外文献也对沿 空留巷技术进行了大量的研究取得了大量有益的 研究成果对沿空留巷技术的应用推广起到了积极 作用 然而上述已有研究成果大多是在巷旁具有 充填结构的情况下对沿空留巷围岩控制进行的研 究对于切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术巷旁 是采空区顶板自然垮落矸石堆叠而成的散体并 构成了巷道一帮目前少有文献针对碎石巷帮的 控制技术进行系统研究 基于此笔者拟基于切 顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术结合工程实例 系统研究碎石巷帮稳定性控制技术为切顶卸压 沿空留巷无煤柱开采技术碎石巷帮控制提供 参考 碎石巷帮形成机理 切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术与常规充填 沿空留巷无煤柱开采技术有所不同 前者通过超前 工作面一定距离采用双向聚能张拉成型爆破技术 预先对顶板进行定向预裂爆破切缝切断巷道顶板 与采空区顶板的应力传递利用矿山压力和岩体碎 胀特性使采空区顶板岩层沿设定轨迹自然垮落垮 落后的矸石在挡矸支护结构的防护作用下形成巷道 一帮即碎石巷帮并作为巷道顶板岩层结构的一 个支撑点将上覆岩层荷载部分地传递至采空区其 工作面与巷道平面布置如图 所示而后者常是通 过在巷旁构筑高强度人工充填体来平衡上覆岩层压 力使巷道顶板岩层形成一端由煤壁支承、另一端由 充填体支承的结构随着科学技术的发展其充填体 材料已由传统矸石墙、木跺等发展到高水速凝材料、 膏体材料、柔模混凝土以及钢管混凝土等其工作 面与巷道平面布置如图 所示 碎石巷帮形成过程 如图 所示 图 切顶卸压沿空留巷示意 . 切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术碎石巷帮形 成主要过程如下 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 朱 珍等切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技术及应用 年第 期 图 常规充填沿空留巷示意 . 如图 和图 所示首先超前工作面一定距 离采用恒阻大变形锚索对巷道顶板进行加强支护 恒阻大变形锚索与普通锚索相比具有“拉而不断” 的超常力学性能能适应围岩大变形、适应周期来压 及爆破震动产生的瞬时震动荷载等特征 采用双向聚能张拉成型爆破技术在巷道顶 板靠回采工作面侧进行预裂爆破切缝切断巷道顶 板与采空区顶板之间的物理联系 当工作面推过时紧跟液压支架在巷内设 置密集单体支柱等竖向支撑结构临时加强支撑巷道 顶板并在切缝下方布置矸石防护结构防止采空区 矸石垮落时窜入巷内此时沿工作面倾向其断面如 图 所示 由于预裂爆破切缝切断了巷道顶板与采空 区顶板之间的物理联系增加了采空区顶板的自由 面当液压支架前移后采空区顶板岩层失去支撑将 很快垮落并充填采空区而巷道顶板在巷内临时加 强支撑结构的支护作用下仍保持稳定垮落矸石在 矸石防护结构的防护作用下保持稳定并形成巷道一 帮此时沿工作面倾向其断面如图 所示 由于顶板岩体具有碎胀效应采空区顶板垮 落后矸石堆积高度将大于顶板原来的厚度因此通过 合理控制顶板切缝高度可使切顶范围内采空区顶板 垮落完成后正好充满采空区矸石则在上覆岩层荷载 作用下被逐渐压实 此时巷道顶板可形成一端由实 煤体支撑、另一端由采空区压实矸石支撑的大结构 当工作面推过一定距离上覆岩层运动基本完成后 将巷内临时加强支撑结构撤除最终形成稳定巷道 此时沿工作面倾向其断面如图 所示 留巷围岩运动特征 . 顶板岩层运动特征 根据切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术原理及 图 碎石巷帮形成过程示意 . 覆岩运动相关理论建立切顶卸压沿空留巷围岩结 构模型如图 所示 随着工作面向前推进采空区 侧切顶岩层逐渐垮落上位基本顶岩层逐渐弯曲下 沉当达到其极限跨距后产生断裂并形成关键块体 巷道上方基本顶关键块体 在实煤体侧断裂位置 通常位于实煤体里侧断裂点距煤壁的水平距离可 通过极限平衡理论导出 断裂后关键块体 将绕其断裂点产生回转下沉直至其采空区端触矸 并将矸石压实此时关键块体 形成一端由实煤体 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 支承、另一端由采空区矸石支承的大结构 图 切顶卸压沿空留巷围岩结构模型 . 在考虑技术经济的前提下巷内或巷旁支护不 可能改变基本顶关键块体 的运动状态因此可认 为关键块体 以“给定变形”的方式作用在其下位 切顶岩层上使切顶岩层相应产生下沉变形 显然 实煤体的压缩刚度远大于巷内和巷旁支护结构的压 缩刚度因此切顶岩层最终也将呈现非对称的倾斜 下沉状态即采空区侧下沉变形大于实煤体侧大量 充填沿空留巷或切顶卸压沿空留巷工程也证实了这 一观点 因此对于碎石巷帮支护结构在竖向应具有让 压变形能力以适应巷道顶板倾斜下沉变形特点避 免支护结构因产生过大压缩变形而导致失稳破坏 为证实该结论分别采用不可伸缩的工字钢和可伸 缩 型钢对碎石巷帮进行了支护试验现场试验效 果如图 所示 图 工字钢和 型钢支护效果对比 . 采用工字钢进行碎石巷帮支护时巷道顶板下 沉变形后工字钢普遍被严重压弯最终失去支护能 力 而采用可伸缩 型钢进行支护后由于可伸缩 型钢在纵向可产生滑移变形当巷道顶板产生下 沉变形后可伸缩 型钢可通过纵向伸缩来进行让 压因此在支护过程中几乎未发生过大变形或失稳 破坏且最终该 型钢被回采重新利用 . 采空区矸石运动特征 由于顶板定向切缝切断了巷道与采空区部分顶 板之间的物理连接大幅削弱了采空区顶板岩层在 留巷侧的约束图 而切顶高度以下巷道顶板在 锚索的支护作用下“悬吊”于上位基本顶岩层并在 实煤体和巷内竖向临时支撑结构的支护下可保持稳 定当工作面液压支架前移后采空区顶板将失去支 撑并很快向采空区垮落 图 采场切顶岩层四周约束情况 . 根据已有研究成果及现场对切顶卸压沿空留巷 工作面后方采空区矸石垮落过程的观察采空区矸 石的运动过程总体可分为两大阶段即快速垮落阶 段和缓慢压实阶段 快速垮落阶段 当支架进行若干次前移后 切顶高度范围内采空区顶板破断并向采空区快速垮 落在这一阶段顶板岩层运动剧烈常伴随有顶板 岩层断裂及矸石垮落时相互撞击等剧烈声响 矸石 垮落时对碎石巷帮支护结构产生一定冲击动荷载 且采高越大冲击作用越明显 当切顶高度范围内 顶板岩层垮落完全后采空区被矸石充填满此时矸 石垮落运动完成此后表现出缓慢压实特性 缓慢压实阶段 在采空区矸石垮落的过程 中在垂直于巷道轴线方向巷道上方基本顶岩层将 向采空区产生回转下沉变形 当矸石垮落完成后 基本顶关键块体 在采空区端开始触矸此时巷道 顶板上覆岩层荷载逐渐由实煤体和巷内竖向临时支 撑结构向采空区转移并将采空区垮落矸石缓慢压 实 可通过矸石碎胀系数的变化情况来描述矸石压 实特性根据对瑞能煤矿薄煤层切顶卸压沿空留巷 采空区矸石碎胀系数的测量其曲线如图 所示 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 朱 珍等切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技术及应用 年第 期 由图 可以看出在采空区矸石垮落初期初始碎胀 系数较大最大可达 . 以上 随着上覆岩层荷载 的作用矸石逐渐被压实最终基本稳定在 . .表现出了缓慢压实特性 图 切顶卸压沿空留巷矸石碎胀系数变化曲线 . 碎石巷帮稳定性控制技术 . 矸石与支护结构相互作用关系 由上节对切顶卸压沿空留巷采空区矸石运动特 性的分析可知采空区矸石对碎石巷帮支护结构的 侧向挤压力呈现较明显的时空特性 在矸石垮落初期即靠近工作面液压支架较 近的位置矸石的垮落运动对支护结构存在一定动 态冲击作用冲击力大小一般与采高呈正相关采高 越大矸石垮落前势能越大垮落时产生动能越大 因此对支护结构冲击作用越强 当滞后工作面液压支架一定距离矸石运动 进入到缓慢压实阶段以后矸石对支护结构产生似 静态挤压作用 当滞后支架较远距离矸石被压至密实后 围岩结构再次达到平衡状态此时矸石对支护结构 的侧向挤压力为静态挤压力 根据图 所示围岩结构模型及矿山压力相关理 论在巷道上方基本顶形成的大结构的保护下其下 位切顶岩层及切缝附近一定范围内采空区矸石将处 于卸压状态其竖向与侧向应力将远小于原岩应力 状态因此通过较小强度的支护即可维持碎石巷帮 的稳定 且当围岩运动完成达到稳定状态后巷内 及巷旁加强支护结构可撤除仅保留较小强度永久 支护即可维持围岩稳定 在矸石运动的快速垮落阶段采空区矸石对碎 石巷帮支护结构的冲击作用时间较短难以准确地 测出其作用力大小 但由于切顶后矸石垮落速度较 快处于该阶段的留巷范围较小对于开采高度为 以下的工作面一般不大于 当煤层开采厚 度较小时冲击荷载也较小而当煤层开采厚度较大 时可通过增加特殊防冲结构对其进行防护 当矸 石运动进入到压实阶段以后通过在矸石与支护结 构间布置测力仪可较准确地测出作用力大小几个 不同开采厚度的切顶卸压沿空留巷工程测力仪所测 得矸石与支护结构作用力大小情况见表 表 部分典型切顶卸压沿空留巷矸石与 支护结构间作用力 序号煤矿平均采高/ 侧向压力/ 瑞能煤矿... 哈拉沟煤矿. 柠条塔煤矿. 由表 可以看出随着采高的增大矸石与侧向 支护结构相互作用力也相应增大 其中瑞能煤矿部 分测点碎石巷帮侧向压力监测曲线如图 所示 由 图 可以看出在矸石垮落初期随着工作面向前推 采侧向压力逐渐增大当滞后工作面距离 时侧向压力达到峰值但峰值压力整体不大最大 约 . 图 瑞能煤矿矸石与支护结构相互作用力监测曲线 . . 碎石巷帮稳定性控制体系 根据对切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术围岩 运动特征及矸石与支护结构相互作用关系的分析 碎石巷帮支护结构不仅需在采空区矸石的不同运动 阶段具备不同的侧向支护性能同时还应能适应巷 道顶板回转下沉对其产生的“给定变形”特征 针对上述特点提出“侧向动静结合、纵向伸缩 让压”的碎石巷帮稳定性控制理念并针对不同采 高提出 种碎石巷帮支护结构即“可伸缩 型钢 单体支柱金属网”结构采高 当采高较小时 采空区矸石在垮落的过 程中对碎石巷帮支护结构冲击荷载更大且在矸石 缓慢压实阶段其侧向挤压力仍然较大此时可采用 “可伸缩 型钢切顶护帮支架防冲板金属网” 结构对碎石巷帮进行支护如图 所示 与 相比将单体支柱更换成切顶护帮支架切顶护 帮支架不仅能提供强大的竖向支撑力同时还具备 较大的侧向支撑能力 图 碎石巷帮支护结构型式 . 工程应用 . 薄煤层碎石巷帮控制 以瑞能煤矿薄煤层试验工作面为例 试验段 长度 煤层厚度 .. 控制采高 . . 煤层近水平 碎石巷帮采用“可伸缩 型 钢单体支柱金属网”进行支护 其中可伸缩 型钢间距 相邻两架可伸缩 型钢 采用金属拉杆铰接连接单体支柱间距 与可伸缩 型钢间隔均匀布置并贴紧金属拉杆 金属网为直径 、网孔 的钢 筋网片 试验结果表明在支护过程中 型钢未出现严 重弯曲变形现象碎石巷帮无明显侧鼓现象取得了 良好的应用效果 现场支护效果如图 所示 图 瑞能煤矿碎石巷帮支护效果 . . 厚煤层碎石巷帮控制 以柠条塔煤矿厚煤层试验工作面为例 试验工 作面煤层开采厚度. 煤层近水平 碎石巷帮采 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 朱 珍等切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技术及应用 年第 期 用“可伸缩 型钢切顶护帮支架防冲板金属 网”进行支护 其中可伸缩 型钢间距 切 顶护帮支架间距. 每架切顶护帮支架侧向支撑 四架可伸缩 型钢防冲板长度约 挂设在端头 支架后方并随端头支架拉架而前移 试验结果表 明在支护过程中 型钢未出现严重弯曲变形现 象切顶护帮支架未产生明显倾斜碎石巷帮无明显 侧鼓现象取得了良好的应用效果 现场支护效果 如图 所示 图 厚煤层碎石巷帮支护效果 . 结 论 得到了切顶卸压沿空留巷碎石巷帮侧向支 护结构必须具备纵向伸缩让压能力以避免因产生 过大压缩变形而导致弯曲失稳破坏 提出了采空区矸石的运动过程可划分为 个阶段即快速垮落阶段和缓慢压实阶段在不同运 动阶段矸石与支护结构表现出不同的相互作用紧 跟工作面液压支架时矸石对支护结构产生一定动态 冲击作用滞后工作面一定距离时产生似静态挤压 作用滞后工作面较远后产生静态挤压作用 揭示了采空区矸石与碎石巷帮支护结构的 挤压作用大小与煤层开采厚度呈正相关开采厚度 越大挤压作用越明显根据煤层开采厚度的不同应 设计不同的碎石防护结构 参考文献 袁 亮.煤炭精准开采科学构想.煤炭学报 . . . . 韩可琦王玉浚.中国能源消费的发展趋势与前景展望.中 国矿业大学学报. . . . 张科学姜耀东张正斌等.大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽 度的确定 . 采矿与安全工程学报 . . . . 孙晓明刘 鑫梁广峰等.薄煤层切顶卸压沿空留巷关键参 数研究.岩石力学与工程学报. . . . 张科学.深部煤层群沿空掘巷护巷煤柱合理宽度的确定.煤 炭学报. . . 张科学.构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制 研究.岩石力学与工程学报. . . . 张科学何满潮姜耀东.断层滑移活化诱发巷道冲击地压机 理研究.煤炭科学技术. . . . 宋振骐崔增娣夏洪春等.无煤柱矸石充填绿色安全高效开 采模式及其工程理论基础研究.煤炭学报 . . . . 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