厚煤层沿空留巷围岩综合控制技术.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 沙 旋褚晓威.厚煤层沿空留巷围岩综合控制技术.煤炭科学技术 / . . / 厚煤层沿空留巷围岩综合控制技术 沙 旋褚晓威 .山西高河能源有限公司山西 长治 .天地科技股份有限公司 开采设计事业部北京 .煤炭科学研究总院 开采研究分院北京 摘 要针对高河煤矿厚煤层开采条件下沿空留巷围岩的控制难题首先分析了围岩的主要变形特征 为顶煤和煤柱帮煤体剪切严重碎胀变形大 采用数值模拟对不同充填体力学参数和巷内支护强度 下围岩响应进行对比分析结合前期试验经验确定巷旁充填体宽度为 . 抗压强度为 巷内采用高预应力强力支护并在煤柱帮打设锚索 在 和 工作面进行了柔模混凝 土和强力支护留巷试验充填体应力、锚栓受力、单体支柱应力、表面变形等监测表明综合控制技术保 证了留巷围岩的稳定留巷取得初步成功 关键词厚煤层沿空留巷围岩控制柔模混凝土高预应力强力支护 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天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项资助项目中国煤 炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项资助项目 作者简介沙 旋男江苏徐州人工程师 . 引 言 近年来沿空留巷技术在我国的应用越来越多 相关技术也愈发成熟 沿空留巷围岩控制取决于巷 旁支护和巷内支护二者虽作用不同但均起到重要 作用 国内很多学者对沿空留巷围岩的变形特征及 控制方法进行了研究取得积极成果 康红普等提出深部沿空留巷支护原则高预 应力、高强度、高刚度并具有足够冲击韧性的锚杆与 锚索的巷内支护高主动支撑力的巷内加强支护能 控制顶板下沉及离层也利于沿采空侧切断顶板 谭云亮等提出沿空巷旁支护适应性原理构建了 “柔强”组合巷旁支护力学结构模型即采用柔性 材料缓冲坚硬顶板先期剧烈沉降、高强材料承担顶 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 沙 旋等厚煤层沿空留巷围岩综合控制技术 年第 期 板后期作用 张农等阐明了采空侧楔形区顶板 的传递承载机制、采空侧顶板预裂卸压机理提出整 体强化控制原理 总结出预裂爆破卸压、分区治理、 结构参数优化、“ 三位一体”围岩控制及墙体快速构 筑等技术 华心祝指出我国沿空留巷存在的问 题提出将沿空留巷视为系统工程、将锚网索作为巷 内基本支护分析了巷旁锚索对煤帮的支护机理 柏建彪等认为巷旁支护体应具有足够的支护强 度及适量的可缩量 前者切落足够高度的顶板岩 层使更上位岩层得到采空区矸石的支撑后者满足 上覆岩层的旋转下沉防止巷旁支护体破坏 张东 升等采用相似模拟对沿空留巷基本顶破断位置 与形状、不同支护方式对顶板的影响以及巷旁充填参 数进行了研究 还从技术、地质因素两方面论述了综 放沿空留巷围岩变形和应力分布的基本特征 谢文 兵模拟了综放沿空留巷围岩移动规律分析了基 本顶断裂位置、不放顶煤长度、巷内支护技术、充填体 宽度、充填方式和充填体强度对围岩稳定性影响规 律 认为在保证顶板稳定前提下合理利用围岩移动 规律既能保证充填体稳定留巷效果又好 李化 敏分析了沿空留巷顶板岩层运动过程及变形特 征明确了各阶段充填体的作用确定了各阶段充填 体支护阻力的设计原则 张镇等采用 对 各类锚杆在深部沿空留巷支护中的工作状态进行分 析 认为高强度高延伸率锚杆支护系统能适应深部 沿空留巷掘进、留巷和复用各个阶段的要求 针对厚煤层沿空留巷技术潞安矿区及临近的 晋城矿区已开展了大量相关研究学者们采用 多种研究手段针对沿空留巷围岩变形破坏规律及控 制技术、充填体参数及稳定性等都进行了研究探 索 高河煤矿为高瓦斯矿井为解决隅角瓦斯 问题并适当降低掘进率进行了沿空留巷初步试验 针对围岩大变形问题开展相关研究为下一步留巷 提供支撑 笔者在分析厚煤层沿底巷道留巷围岩变 形破坏特征的基础上从巷旁和巷内 个角度探讨 围岩控制的要求及机理 厚煤层沿空留巷围岩变形特征及机理 . 留巷围岩变形分类 任何围岩的变形都由连续变形和不连续变形组 成 具体到沿空留巷连续变形指由于顶板岩层受 采动影响发生断裂、偏转等导致的巷道顶板下沉、煤 柱帮整体移近等不连续变形指巷道浅部围岩受岩 层运动等采动影响下发生离层、滑移、碎胀等变形 特别是厚煤层沿空留巷巷道巷道顶板、煤柱帮均为 软弱煤体不连续变形更大、更易发生 不少矿井沿 空留巷的实践中过于关注充填体的强度和类型忽 视了巷内支护导致留巷变形大无法满足使用要 求 因此要想留巷成功就必须同时控制连续变形 和不连续变形二者均可以通过一定的工艺进行控 制 连续变形可以通过巷旁充填体的参数设计、沿 空顶板结构的人工干预等综合措施进行控制不连 续变形则可以通过提高锚杆、锚索的主动支护效果、 注浆加固提高破碎煤岩强度等措施来控制 连续变形由于受岩层结构、采高、顶板垮落结构 的影响在巷旁支护有效的前提下其变形量变化不 大而不连续变形则和支护密切相关可控性较大 不同的控制方式下变形量相差较大 . 厚煤层沿底留巷巷道变形特征 针对高河煤矿的地质及采掘特点建立数值模 型模拟分析厚煤层综放开采条件下巷道围岩的变 形破坏特征 号煤层及顶底板岩性见表 模拟所 取各岩层物理力学参数见表 模拟选取的锚杆锚 索锚固剂力学参数见表 模型尺寸为长宽高 按照实测地应力施加应力垂 直应力 . 最大水平主应力 . 最 小水平主应力 . 最大水平主应力方向 . 表 号煤层顶底板岩性 . 岩性厚度/ 岩性描述 中砂岩. 灰色成分以石英为主长石次之含云母碎片 平行层理泥质胶结 粉砂岩. 深灰色中厚层状波状层量小型交错层理发 育见少量植物化石 细砂岩. 灰色中厚层状含云母碎片小型交错层理 发育 泥岩.灰黑色厚层状均匀层理见大量植物化石 号煤层. 黑色块状光亮型参差状断口内生裂隙发 育含炭质泥岩夹矸 泥岩.黑色厚层状均匀层理见大量植物化石 粉砂岩. 深灰色中厚层状小型交错层理发育夹泥岩 条带含植物化石 砂质泥岩.灰黑色厚层状均匀层理夹菱铁质结核 厚煤层沿底巷道围岩变形破坏情况如图 所 示由于留设顶煤厚煤层沿底巷道留巷围岩主要变 形特征为顶煤变形大受采动影响最为软弱的煤 体破坏严重由于充填体与煤体有一定的刚度差包 括充填体上方未放出煤体在内的煤出现强碎胀、剪 切滑移挤出流动效应显著 煤柱帮变形大从剪 切应变增量图中可以看出除了充填体及上方煤体 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 在顶板回转作用下出现强剪切变形外煤柱帮的上 部分及对应顶角处也出现了强剪切区域造成煤柱 帮煤体滑移变形严重煤柱帮支撑能力的降低又进 一步造成顶板剪切 表 模拟煤岩体物理力学参数 岩性 密度/ 体积 模量/ 剪切 模量/ 内摩 擦角/ 抗拉 强度/ 黏聚 力/ 中砂岩 .... 粉砂岩 .... 细砂岩 .... 砂质泥岩 .... 泥岩 .... 煤 .... 充填体 .... 表 模拟锚杆锚索参数 支护方式 直径/ 长度/ 屈服 强度/ 弹性 模量/ 黏结 刚度/ 黏结 强度/ 锚 杆 锚固段 自由段 .. 锚 索 锚固段 自由段 .. 注锚杆预紧力 锚固长度 . 锚索预紧力 锚 固长度 . 高河煤矿前期试验监测也表明围岩变形以顶板 下沉和煤帮内移为主底鼓量占顶底板总移近量的 两帮移近以实体煤帮内移为主 图 厚煤层沿底巷道围岩变形破坏情况 . 围岩稳定性控制原理 留巷围岩特别是顶板的连续变形主要受顶板结 构、采高等参数控制与巷旁支护密切相关而不连 续变形则主要受巷内支护控制与支护形式、强度等 相关 拟对巷旁支护和巷内支护均进行探索和实 践以期得到适合于矿井的沿空留巷综合控制技术 . 巷旁支护 高河煤矿在前期留巷试验中发现充填体宽度偏 小时. 采空区挡矸支柱偏移挤压充填体导致 实际宽度减小按照容易发生破坏 因此综合考虑充 填成本及充填现场实际情况将充填体的宽度定为 . 采用上述数值模型对不同充填体强度下的围岩响 应进行分析 充填体参数选取见表 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 沙 旋等厚煤层沿空留巷围岩综合控制技术 年第 期 表 充填体物理力学参数 参数 代码 密度/ 体积 模量/ 剪切 模量/ 内摩 擦角/ 抗拉 强度/ 黏聚 力/ .... .... .... .... .... 不同充填体参数下巷道顶板及两帮的变形量 变化规律如图 和图 所示 图 不同充填体参数下巷道顶板变形量 . 图 不同充填体参数下煤柱帮变形量 . 可以看出随着充填体物理力学参数的降低顶 板下沉量逐渐增大但当充填体强度达到一定程度 变形增加不明显煤柱帮变形量先增大后降低但变 形量差值不大 另外通过模拟结果发现不同充填体力学参数 下充填体与煤帮之间的剪切变形之间存在一定的 关联如图 所示 从不同充填体强度参数下巷道 围岩的剪切变形情况对比看充填体强度参数对围 岩的剪切变形有明显的影响 当充填体强度较低 时最大剪切应变发生在充填体上部充填体易发生 剪切破坏不稳定当充填体强度较高时最大剪切 应变则发生在充填体上方未放出煤体中充填体虽 稳定但上部煤体受破坏严重 充填体的强度越高 煤柱帮及顶角上部煤体的剪切变形越大可见充填 体的强度不一定越高越好与煤体强度刚度的匹配 对整个系统的稳定至关重要 图 不同充填体参数下围岩剪切应变增量 . 综合考虑充填体、巷道变形及整个系统的稳定 性选择充填体参数介于参数代码 根据地质 力学测试中物理力学参数与抗压强度之间的关 系充填体的抗压强度为 因此综合前期留巷经验及数值计算结果初步 确定充填体的宽度为 . 抗压强度为 . 巷内支护 在前期留巷试验中监测表明巷内变形最严重 的是顶板和煤柱帮这是由于煤体相对软弱在强烈 采动影响下最易发生破坏和大变形 针对厚煤层 沿底巷道顶煤及煤柱帮煤体变形破坏严重的情况 采用高预应力强力支护并配合帮部锚索支护方式 最大限度的保持煤体的完整性减小不连续变形导 致的围岩强剪切滑移、碎胀等大变形 同样采取上 述模型对不同巷内支护方式进行了模拟 采用的 普通高强锚杆锚索参数见表 采用的强力锚杆锚 索参数见表 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 普通支护下围岩变形破坏情况和强力支护下围 岩变形破坏情况分别如图 和图 所示 可以看出 锚杆锚索在沿空强采动影响下变形较大围岩的错动 使支护体产生剪切变形 不同的支护方式下巷道的 变形不同 相较于普通支护高预应力强力支护有效 的控制了大变形顶板和帮部煤体的变形都有所减 小特别是帮部打设锚索后 这是因为帮部锚索有效 减小了煤体剪切变形将“”形剪切带与深部稳定煤 体连接增强了围岩结构稳定性 因此高河煤矿 地质条件下留设顶煤沿空留巷巷道的巷内支护支护 应优先选择高预应力强力支护系统 表 强力支护锚杆锚索模拟参数 支护方式 直径/ 长度/ 屈服 强度/ 弹性 模量/ 黏结 刚度/ 黏结 强度/ 锚 杆 锚固段 自由段 . 锚 索 锚固段 自由段 . . 注锚杆预紧力 锚固长度 . 锚索预紧力 锚 固长度 . 图 普通支护下围岩变形破坏情况 . 图 强力支护下围岩变形破坏情况 . 现场试验分析 . 柔模混凝土巷旁支护 根据相关研究不同的充填材料具有不同 的特性及使用条件厚煤层应优先选用胶凝类材料 相对于高水材料、膏体材料等其他胶凝类材料普通 混凝土具有终凝强度高、劳动强度低、等特点在多 个矿区得到应用 因此本次留巷采用混凝土作为充 填材料 采用柔模混凝土充填留巷工艺充填体宽 度为 . 材料为 混凝土 在柔模混凝土巷 旁支护充填体内预置锚杆锚杆规格为 两端分别配置梯子梁、托盘及螺母间排 距为 在超前工作面 和滞后 工作面 范围内采用“单体液压支柱 型 梁”临时加强支护一梁三柱单体柱配合 型梁 棚距. 在柔性模板上预留一排瓦斯抽采孔柔 模挂设好以后将 根聚乙烯筛管预埋在柔模预留孔 内混凝土浇筑完毕且达到初凝强度后将聚乙烯筛 管与巷内瓦斯抽采主管路连接以此实现采空区内 瓦斯抽采 留巷及加强支护如图 所示 . 高预应力强力巷内支护 根据高预应力强力支护理念及上述模拟结果 巷内支护布置如图 所示 顶板采用 号锚杆规格 间排距 使用一支 一支 锚固剂预紧扭矩不低于 配 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 沙 旋等厚煤层沿空留巷围岩综合控制技术 年第 期 合 高强度拱形托板和 的 钢护板并配套钢筋 托梁 顶板锚索为 的 股高强度低松 弛钢绞线“五花三二三”布置长度为 . 使用一支 支 锚固剂构件为 高强度拱形托板初始张拉力 不低于 排距为 图 柔模混凝土充填留巷示意 . 图 巷内强力支护布置 . 煤柱帮锚杆规格、锚固参数与顶板相同间排距 配合 钢护板帮锚索长度 . 其余参数与顶板锚索相同间排距 距巷道顶、底板 工作面帮锚杆参数与煤柱帮相同配合钢筋 托梁不打设锚索 顶板及煤柱帮使用金属网工作面帮使用塑 料网搭接 双边逐孔联接 试验效果监测分析 通过混凝土强度的现场测试充填体 强度 可达 以上 可达 以上 可达 以上满足设计要求 充填体应力随回采变 化如图 所示 留巷充填体钻孔应力在滞后工作 面 时开始迅速增加在 时达到最大值 在 左右时又降至 说明基本顶来 压的剧烈显现范围为 左右 工作面来压步距 约为 混凝土充填体的最大压力为 图 充填体应力变化 . 混凝土强度等级为 设计满足要求 充填体内锚栓应力随回采变化如图 所示 锚栓受力与充填体压力变化规律相近充填体压 力主要是垂直荷载锚栓受力主要是垂直荷载作用 下充填体变形引起的水平拉力 在距离工作面约 时基本顶第一次破断失去侧向支撑断裂岩 块直接作用在充填体上造成充填体压力和锚栓受 力线性增加 由于顶板岩层破坏不断向上发展 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 基本顶采空区内悬臂荷载持续增加在距离工作面 约 时悬臂基本顶达到其强度极限二次破断 破断后锚栓压力骤降之后缓慢增加直到采空区岩 层活动稳定 左右时充填体压力骤然下降 是由于充填体破坏锚栓卸压所致非顶板压力降 低 充填体经过 次基本顶来压基本顶周期来 压步距在 左右 图 充填体内锚栓应力变化 . 加强支护用单体支柱应力随回采变化如图 所示充填体侧加强支护单体支柱的压力要高于煤 柱侧这是由于留巷顶板为悬臂梁结构越靠近梁的 前端单体承受的压力越大 条曲线相交后充填 体侧单体压力继续升高煤柱侧单体压力保持稳定 这是由于悬臂梁端头由充填体和单体支撑而悬臂 梁根部由煤柱和单体支撑煤柱支撑范围大承载力 高因此煤柱侧单体受力小 图 巷内加强支护用单体支柱应力变化 . 巷道表面变形随回采变化如图 和图 所 示 从超前工作面 到滞后工作面 范 围内顶底板总移近量为 其中顶板下沉量 底鼓量 顶板下沉量占总移近量的 .留巷变形以顶板下沉为主 超前工作面 顶板下沉量为 占总下沉量的 .滞后工 作面为 占 .底鼓变形主要发生在滞 后工 作 面 范 围 内 两 帮 总 移 近 量 为 其中煤柱帮为 充填体为 煤柱帮占总移近量的 .煤柱帮超前工作面移 近量 占 .滞后工作面为 占 . 滞后工作面 以后留巷围岩变形 基本稳定 图 巷内顶底板移近量变化 . 图 两帮移近量变化 . 结 论 留巷围岩连续变形在巷旁支护有效的情况 下其变形量变化不大而不连续变形则和支护密切 相关不同的支护方式变形相差较大 厚煤层沿底巷道留巷围岩主要变形特征为 顶煤和煤柱帮变形大这是因为受采动影响软弱煤 体在强剪切作用下出现碎胀、滑移挤出流动效应 显著 通过数值模拟及前期试验经验初步确定巷 旁充填体的宽度为 . 抗压强度为 巷内支护采用高预应力强力支护技术并配合帮 锚索 在 和 工作面进行了柔模混凝 土和强力支护留巷试验并对充填体应力、锚栓受 力、单体应力、变形等进行监测综合控制技术有效 保证了留巷围岩稳定为成功留巷奠定基础 参考文献 康红普牛多龙张 镇等.深部沿空留巷围岩变形特征与支 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 沙 旋等厚煤层沿空留巷围岩综合控制技术 年第 期 护技术.岩石力学与工程学报. . . . 谭云亮于凤海宁建国等.沿空巷旁支护适应性原理与支护 方法.煤炭学报. . . . 张 农韩昌良阚甲广等.沿空留巷围岩控制理论与实践 .煤炭学报. . . . 华心祝马俊枫许庭教.锚杆支护巷道巷旁锚索加强支护沿 空留巷围岩控制机理研究及应用.岩石力学与工程学报 . . . . 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