切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉分析及控制技术.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 青年博士学术专栏 切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉分析及控制技术 朱 珍袁红平张科学高玉兵 .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 .陕西瑞能煤业有限责任公司陕西 延安 .华北科技学院 安全工程学院北京 .煤炭科学研究总院 智能控制技术研究分院北京 摘 要为控制切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉根据切顶卸压无煤柱自成巷技术原理明确了沿空切 顶巷道围岩结构体系演化过程及上覆岩层荷载传递机制基于顶板岩层运动特征及围岩结构状态揭示 了切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉量主要由基本顶“给定变形”下沉量和切顶岩层离层量共同组成通 过建立顶板下沉力学模型得到了基本顶“给定变形”下沉的计算式探讨了其下沉量与切顶高度、开采厚 度的影响关系并针对顶板下沉的主要影响因素提出了相应的控制对策 结合瑞能煤矿 工作面工 程地质条件计算得出沿空切顶巷道切缝侧、实煤体侧顶板下沉量分别为 .、. 与现场实测 结果较为吻合 研究结果可为分析切顶卸压无煤柱自成巷围岩运动及其控制提供参考 关键词切顶卸压沿空留巷无煤柱开采顶板下沉围岩控制 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 / 基金项目国家重点基础研究发展计划 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创业专项资助项目 作者简介朱 珍男湖南邵阳人博士研究生 通讯作者张科学博士后副研究员 . 引用格式朱 珍袁红平张科学等 切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉分析及控制技术 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 煤炭采出率一直是困扰我国煤矿开采的核心问 题之一 随着煤炭资源不断被采出其储量越来 越少传统留煤柱采煤工艺所造成的资源浪费问题 日益突出提高采出率是我国煤炭开采急需解决的 重大问题 沿空留巷无煤柱开采技术自 世 纪 年代引入我国以来一直是我国煤炭开采的重 要技术发展方向在提高采出率、延长矿井服务年 限、降低掘巷率等方面起到了重要作用 近年来我国沿空留巷理论与技术取得了丰富 的研究成果 在巷旁充填及支护材料方面唐建新 等基于缓倾斜中厚煤层工作面沿空留巷顶板运 动与变形特点分析了巷旁普通混凝土充填的可行 性贾民等提出采用钢管内充砂石的墩柱结构进 行巷旁支护并通过试验确定了最佳砂石配比文献 介绍了以矸石砖墙作为主墙体、无机材料瑞 米 号作为副墙体的复合墙体巷旁支护技术文献 分别介绍了以“钢管混凝土矸石墙”、“钢 管混凝土柔性垫层”的巷旁支护结构作支护材料 在沿空留巷顶板下沉变形规律方面李胜等结合 损伤力学和能量守恒原理推导了顶板下沉量的理论 计算式并分析了其影响因素殷伟等基于多元 回归分析法得到了沿空留巷顶板下沉量的非线性预 测公式陈勇等基于 地基假设建立了固 体充填沿空留巷顶板力学模型并分析了巷宽、巷旁 支护阻力及支护体宽度、采空区充实率等因素与顶 板下沉量的关系卢小雨等基于支架围岩整体 力学模型利用能量变分理论求解了巷道顶板下沉 变形并探讨了下沉量与巷内支护阻力、巷宽、直接 顶厚度及其弹性模量之间的相互关系 经查阅文献发现多数研究成果是针对巷旁具 有充填材料或被动支护结构的沿空留巷技术开展研 究对切顶卸压无煤柱自成巷围岩结构及变形分析 研究较少 随着切顶卸压沿空留巷技术的发展及成 功应用其在削弱巷道围岩应力集中、降低支护成 本、控制围岩变形、提高工作效率等方面均体现出较 大的优势是无煤柱开采技术一个新的发展趋势 等 与充填沿空留巷不同切顶卸压无煤柱自成 巷中巷旁无充填体因而其围岩结构与充填沿空留 巷有较大差别 笔者拟针对切顶卸压无煤柱自成巷 技术中顶板下沉特性进行研究提出针对性的控制 对策以丰富切顶卸压无煤柱自成巷技术体系 切顶卸压无煤柱自成巷技术 . 技术原理 切顶卸压无煤柱自成巷开采是通过联合采用双 向聚能张拉成型爆破技术、恒阻大变形锚索支护技术 和挡矸支护技术实现工作面一边回采一边维护原有 回采巷道并将该巷道保留下来供相邻下一工作面继 续使用其工作面与巷道平面布置如图 所示 图 工作面与巷道平面布置 在工作面回采时首先超前工作面一定距离对 计划留巷顶板进行恒阻锚索加强支护随后采用双 向聚能张拉成型爆破技术在巷道顶板靠回采工作面 侧沿巷道轴向进行定向预裂爆破切缝以削弱巷道 顶板与采空区顶板之间的力学约束当工作面推过 时在巷内支设密集单体支柱等支护结构临时加强 支撑顶板并在巷旁架设碎石防护结构形成挡矸支 护系统当工作面推过后采空区顶板沿切缝面向采 空区垮落并在挡矸支护系统的支护作用下形成巷道 一帮待碎胀矸石稳定后逐步撤出临时支护最终 形成稳定巷道 . 留巷围岩结构体系演化过程 在整个留巷过程中巷道围岩在不同阶段经历 了不同的结构形态上覆岩层荷载相应地存在不同 的传递方式 对顶板实施预裂切缝前上覆岩层尚未产生 采动裂隙或破断巷道顶板可看成两端均为固定支 承的固支梁结构且该结构及其所受荷载在不考虑 煤层倾角及构造应力的情况下沿巷道断面中垂线基 本呈左右对称此时巷道顶板尚未开始产生明显下 沉变形如图 所示 对顶板实施预裂爆破切缝后巷道与采空区 部分顶板之间的物理联系被切断切缝两侧岩体的 相互约束被削弱此时切顶高度范围内巷道顶板可 视为一端在下区段工作面实煤体内固支、一端在本 区段工作面实煤体上方简支的梁结构因而该范围 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 朱 珍等切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉分析及控制技术 年第 期 图 预裂切缝前围岩结构形态 内岩层荷载将更多地向下区段工作面侧转移 由于煤 层尚未开采顶板仍未开始产生明显下沉变形如图 所示 但当工作面推采至距离该断面较近时上覆岩 层开始产生采动裂隙围岩呈现一定的矿压显现 图 预裂切缝后围岩结构形态 工作面推过后煤层被采空采空区顶板逐 渐垮落上覆岩层发生断裂、下沉 巷道上方基本顶 断裂成关键块体并在相邻块体的水平挤压下形成 相对稳定的“砌体梁”结构同时绕其在下区段工作 面实煤体侧断裂点向采空区产生回转下沉 巷内密 集竖向支撑虽无法改变基本顶的运动形态但可控 制其下沉速度并有效切断部分预裂爆破时未能完 全切断的顶板岩层 上覆岩层荷载主要通过自身形 成的“砌体梁”结构传递至离巷道较远的实煤体和 采空区部分荷载通过巷内临时支撑结构直接传递 至底板 此时巷内切顶高度范围内岩层可视为仅一 端有支承的悬臂结构如图 所示 图 矸石垮落过程中围岩结构形态 若形成的“砌体梁”结构不能长期保持自稳 基本顶关键块体将持续回转下沉至其在采空区端触 矸并逐渐将矸石压致密实此时该关键块体可视为 一端在下区段工作面实煤体上方支承、另一端由采空 区矸石支承的简支梁结构上覆岩层荷载则可认为一 方面通过切顶岩层传递至实体煤另一方面通过基本 顶的悬臂端直接传递至采空区 而巷道上方切顶岩 层荷载则一部分通过恒阻锚索传递至上位稳定岩层 并最终传递至实煤体和采空区另一部分则通过自身 梁结构传递至实煤体围岩结构如图 所示 图 留巷稳定后围岩结构形态 上述分析发现切顶卸压无煤柱自成巷全过程 中巷道上方基本顶岩层结构呈现出“固支梁结构 砌体梁结构简支梁结构”的演化过程而其下 位岩层则呈现出“固支梁结构一端固支、一端简 支梁结构悬臂梁结构”的演化过程 留巷顶板下沉分析 . 顶板岩层运动特征 根据矿山压力相关理论可知当工作面推进至 超前支承压力影响范围内时巷道围岩便产生一定 的矿压显现顶板开始产生少量下沉变形随着工作 面逐步靠近其显现情况将越来越剧烈 当工作面 推过时采空区切顶岩层垮落上覆基本顶岩层弯曲 下沉随后断裂并在巷道上方形成关键块体关键 块体绕其在实煤体侧断裂点向采空区发生回转下 沉并以“给定变形”方式促使其下位顶板产生下沉 变形 在此过程中切顶岩层的垮落和基本顶的周 期来压将使巷道顶板处于承受动压状态若顶板支 护强度较差可能导致顶板发生离层 当关键块体在 采空区端触矸后矸石将在上覆岩层荷载作用下被 逐步压实期间巷道顶板产生缓慢下沉变形直至矸 石被压至密实状态 . 顶板下沉力学分析 根据文献的研究巷内支护阻力对顶 板下沉量影响甚小且由成巷围岩稳定后的结构状 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 态可以看出处于悬臂状态的切顶岩层下表面为无 约束的自由状态因此可认为基本顶关键块体以 “给定变形”方式促使切顶岩层下沉后切顶岩层内 部不积累变形能而是以刚性块体形式产生“给定 变形” 由此巷道顶板的最终下沉量可认为是由 “给定变形”下沉量和切顶岩层的离层量两者共同 组成 建立顶板下沉计算模型如图 所示 采高即煤层开采厚度切顶高度即切顶岩层厚度 巷道宽度基本顶关键块体 的长度 实煤体塑性区宽度 图 顶板下沉计算模型 可通过经验公式进行计算 即 / / / 式中 为周期来压步距 为工作面宽度 实煤体塑性区宽度 根据文献进行求解 其计算式为 / / / 式中 为侧向压力系数为煤帮支护强度 为巷道埋深为煤岩体黏结强度为煤岩 体内摩擦角 为上覆岩层平均重度/ 为应力集中系数 当采空区顶板垮落完成、关键块体 刚好触矸 时巷道顶板在切缝处、煤帮边缘处的“给定变形” 下沉量 、分别为 / / 式中为切顶岩层刚好垮落完成时的初始碎胀 系数 当矸石被压至密实后设其残余碎胀系数为 则在矸石压密过程中巷道顶板在切缝处、煤帮边缘 处的“给定变形”下沉量 、分别为 / / 则在整个留巷过程中巷道顶板在切缝处、煤帮 边缘处的最终下沉量 、分别为 式中、分别为切缝处、煤帮边缘处切顶岩层离 层量 留巷顶板下沉控制对策 . 顶板给定变形下沉控制 由式可以看出在关键块体 触矸前巷道 顶板的“给定变形”下沉量 、与实煤体塑性区 宽度 、巷道宽度 、煤层开采厚度 、切顶高度 、初始碎胀系数 、基本顶关键块体 的长度 等因素有关 对于特定的工程地质条件及开采技术 条件除切顶高度 为可控因素外其他均为给定 条件因此可通过调整 的大小来使下沉量降低到 最小值 由式可知下沉量 、随切顶高度 的增大而减小 事实上令 或 即可得 到使关键块体 触矸前巷道顶板“给定变形”下沉 量的最小切顶高度理论计算式即 / 由式可以看出当顶板岩性确定后切顶高 度仅与采高有关采高越大所需切顶高度也越大 将最小切顶高度理论计算式代入式即可得到 / / 通过分析式可以看出对于特定的工程地 质条件实煤体帮塑性区宽度 、基本顶关键块体 的长度 、初始碎胀系数 、残余碎胀系数 均为 给定值且巷道宽度 也是确定的此时巷道顶板因 采空区矸石压缩产生的“给定变形”下沉量仅与采 高相关采高越大其下沉量越大 而根据上述分析 当采高增大时为减小顶板下沉切顶高度也应 增大 因此为控制顶板“给定变形”下沉归根结底 在于合理控制切顶高度 . 顶板离层控制 根据切顶卸压沿空留巷技术原理切顶岩层可 能产生离层的来源主要有 个采空区顶板垮落 及基本顶周期来压期间对巷道围岩产生过大动荷 载致使锚索产生不可恢复的大变形巷内临时支 护结构撤除后因锚索支护强度不足导致的离层 对 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 朱 珍等切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉分析及控制技术 年第 期 于第一种来源可通过适当提高顶板在运动期间巷内 临时支撑来进行限制第二种来源可通过合理设计 锚索支护强度来进行控制 为分析锚索合理支护强 度建立切顶岩层悬臂梁力学模型如图 所示 切顶岩层残余抗弯能力切顶角度第 根锚索 提供的支护力作用点到悬臂梁支点的距离 切顶岩层几何形心横坐标切顶岩层自重荷载 煤帮对切顶岩层的反力假定按三角形分布 图 锚索支护强度分析力学模型 由 得 / 由 得 / 联立式、式得 由式可以看出等式左边为“承载部分”数 值越大说明支护强度越高等式右边为“施载部分” 数值越大说明载荷越大 当“承载部分”数值大于 “施载部分”数值时巷道顶板可处于稳定安全状态 根据现场施工条件确定锚索安装位置及锚索型号后 将其代入式即可验算锚索支护阻力是否满足要 求同时能根据计算结果对其位置进行优化调整 工程应用 . 工程概况 瑞能煤矿 工作面煤层平均埋深 煤层 厚度.. 采高.. 煤层普氏系数 直接顶为厚约 的砂质泥岩基本顶为 厚约 的细砂岩和砂质泥岩互层直接底 为平均厚约. 的砂质泥岩基本底为厚约 的中砂岩 巷道宽度 . 巷道高度 . 顶板原支护为“锚网锚索梁”联合支护 锚 索 根 . 高强度预应力钢绞线 间排距 钢筋网直径为 、尺 寸 的钢筋焊接网锚索梁 号槽 钢长度 顶锚杆 根 左 旋无纵筋螺纹钢锚杆间排距 巷道 两帮锚杆为 玻璃钢锚杆间排距 均为 并铺设规格为 的塑料编织网 . 切顶成巷关键参数设计 根据相邻工作面顶板垮落情况及切顶卸压无煤 柱自成巷工程实践经验设计时初始碎胀系数取为 .采高按最大值 . 考虑综合考虑依式得 出的理论计算值和现场施工条件取切顶高度为 . 切缝角度 由于普通锚杆索在动荷载作用下可能遭到 破坏本次留巷设计采用恒阻大变形锚索补强支护 且设计时按最不利情况考虑即不计原普通锚索支 护强度同时忽略切顶岩层受损伤后难以量化的残 余抗弯强度 恒阻锚索支护参数为钢绞线直径 . 恒阻力 长度 . 共布置两列 靠采空区侧距切缝 . 、排距 . 巷中排距 . 根据工作面实际工程地质条件及上述支护形 式经计算得 . . . . . . . 代入式后左端“承载部分”为 右 端“施载部分”为 显然满足支护要求 为了避免采空区顶板垮落及基本顶周期来压期 间巷道围岩产生过大动荷载减少锚索产生不可恢 复大变形本次留巷滞后工作面进行临时加强支护 根据现场岩层动载情况在巷内布置排距为 . 的“一梁三柱”即一根 型梁三根单体支柱临 时支撑顶板支护距离根据矿压监测情况调整 详 细留巷支护参数如图 所示 图 切顶成巷设计方案 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 . 应用效果 留巷过程中对顶板下沉及离层情况进行监测 发现绝大部分区段顶板未产生明显离层表明恒阻 锚索支护强度满足要求 切缝侧顶板平均下沉约 实煤体侧平均下沉约 满足下区段 工作面回采要求现场应用效果如图 所示 将现 场相关参数代入上述理论计算模型中得顶板切缝 侧给定变形下沉量约 . 实煤体侧约 . 理论计算值与实测值相差不大侧面验证了无 煤柱自成巷顶板下沉计算模型的合理性 图 现场应用效果 结 论 切顶卸压无煤柱自成巷围岩在不同时期具 有不同的结构形态基本顶岩层和切顶岩层分别呈 现“固支梁结构砌体梁结构简支梁结构”和“固 支梁结构一端固支、一端简支梁结构悬臂梁结 构”的围岩结构演化过程在不同结构形态时期其 荷载传递机制不同 切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉主要由“给 定变形”下沉和切顶岩层的离层两部分组成其中 前者在特定的工程地质条件和开采技术条件下其 下沉量主要与切顶高度相关通过合理控制切顶高 度可减小其下沉量后者主要由顶板承受动压或锚 索支护强度不足引起通过适当的巷内临时支撑、设 计合理的锚索支护强度可避免或减小顶板离层 工程实践表明基于理论分析和工程经验所 提出的“一梁三柱”临时支护和恒阻锚索补强支护 技术可有效抵抗冲击大动载减少锚索产生的不可 恢复变形和顶板离层量控制效果良好 依据刚性 块体平衡原理建立的顶板下沉力学模型理论计算值 与实测值相差不大侧面验证了无煤柱自成巷顶板 下沉计算模型的有效性 参考文献 王家臣刘 峰王 蕾.煤炭科学开采与开采科学.煤炭学 报. . . . 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. . . . 华心祝.我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议.煤炭 科学技术. . . . 唐建新胡 海涂兴东等.普通混凝土巷旁充填沿空留巷试 验.煤炭学报. . . . 贾 民柏建彪田 涛等.墩柱式沿空留巷技术研究.煤 炭科学技术. . . . 李舒霞姜福兴朱权洁.复合墙体支护技术在沿空留巷中的 应用研究.煤炭科学技术. . . . 叶根喜朱权洁李舒霞等.千米深井沿空留巷复合充填体研 制与应用.采矿与安全工程学报. . . . 王 军高延法何晓升等.沿空留巷巷旁支护参数分析与钢 管混凝土墩柱支护技术研究.采矿与安全工程学报 . . . . 黄万朋高延法文志杰等.钢管混凝土支柱巷旁支护沿空留 巷技术研究.中国矿业大学学报. . . . 李 胜李军文范超军等.综放沿空留巷顶板下沉规律与控 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 朱 珍等切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉分析及控制技术 年第 期 制.煤炭学报. . . . 殷 伟陈志维周 楠等.充填采煤沿空留巷顶板下沉量预 测分析.采矿与安全工程学报. . . . 陈 勇李百宜郝德永等.固体充填采煤沿空留巷顶板下沉 影响因素研究.矿业研究与开发. . . . 卢小雨华心祝赵明强.沿空留巷顶板下沉变形的力学分析 .地下空间与工程学报. . . . 何满潮陈上元郭志飚等.切顶卸压沿空留巷围岩结构控制 及其工程应用.中国矿业大学学报 . . . . 何满潮曹伍富单仁亮等.双向聚能拉伸爆破新技术.岩 石力学与工程学报. . . . 何满潮曹伍富王树理.双向聚能拉伸爆破及其在硐室成型 爆破中的应用.安全与环境学报. . . . 何满潮王 炯孙晓明等.负泊松比效应锚索的力学特性及 其在冲击地压防治中的应用研究.煤炭学报 . . . . 何满潮高玉兵杨 军等.无煤柱自成巷聚能切缝技术及其 对围岩应力演化的影响研究.岩石力学与工程学 . . . . 侯朝炯马念杰.煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的研讨 .煤炭学报. . . . 韩昌亮张 农李桂臣等.大采高沿空留巷巷旁复合承载结 构的稳定性分析.岩土工程学报. . . . 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et