综放开采沿空掘巷小煤柱宽度留设及支护技术研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术. . 年 月 综放开采沿空掘巷小煤柱宽度留设及支护技术研究 张鹏鹏郝兵元王 凯黄小朋闫树鹏魏 娟 .太原理工大学 矿业工程学院山西 太原 .汾西矿业集团有限责任公司 中兴煤业公司山西 交城 .山西工程技术学院 矿业工程系山西 阳泉 摘 要为合理确定区段小煤柱宽度及沿空巷道支护方式以阳泉五矿 综放工作面为例基于采 空侧基本顶断裂力学模型及围岩极限平衡理论理论计算了合理煤柱宽度的上下限值采用钻孔应力 监测方法对回采过程中煤柱内部应力分布进行了实测进而确定沿空巷道支护参数 研究结果表 明沿空掘巷小煤柱宽度合理范围为 .. 取 为宜煤柱侧 范围煤体发生塑形 破坏、 范围为弹性核区、 范围靠近 采空区承载能力弱因而在 回风巷掘巷期 间采用锚杆长短锚索一次支护回采期间对煤柱帮进行 钻孔注浆加固二次支护现场实测数据 显示 回风巷沿空掘进期间围岩变形量较小回采期间顶板、注浆加固煤柱帮、实体煤帮最大变 形量分别为 .、.、. 围岩变形处于可控范围实现了综放工作面安全高效回采 关键词综放沿空掘巷小煤柱宽度煤柱应力监测注浆加固 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . .. . . . . . . . . . . . . . . 收稿日期责任编辑曾康生 ./ ..... 基金项目山西省科技重大专项资助项目山西省自然科学基金重点资助项目 作者简介张鹏鹏男山西太原人助理工程师硕士研究生 . 引用格式张鹏鹏郝兵元王 凯等.综放开采沿空掘巷小煤柱宽度留设及支护技术研究.煤炭科学技术. . . . 引 言 综放开采技术已经广泛应用于厚煤层开采由 于其技术特点会产生较大的资源浪费因而对区段 煤柱尺寸留设有更高的要求 煤柱尺寸过大会引起 资源的浪费而尺寸过小则可能无法控制巷道围岩 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 张鹏鹏等综放开采沿空掘巷小煤柱宽度留设及支护技术研究 年第 期 变形严重时可能引起采空区漏风因此合理的区段 煤柱尺寸要兼具保持下区段工作面巷道围岩稳定和 隔绝上区段工作面采空区的作用 近年来广大煤炭科技工作者对沿空掘巷围岩 控制做了大量的研究工作李学华等 统计了中国 东西部 个煤矿典型案例总结分析了影响窄煤柱 变形破坏的关键因素柏建彪等 通过数值计算分 析研究了综放沿空掘巷围岩变形及窄煤柱的稳定 性与煤柱宽度、煤层力学性质及锚杆支护强度之间 的关系郑西贵等 基于理论分析、数值模 拟及现场工程实践的方法研究了不同宽护巷煤柱 沿空掘巷掘采全过程的应力场分布规律分析了煤 柱宽度对沿空掘巷煤柱和实体帮应力演化的影响 张科学等 通过上区段采空区侧向支承应力分 布规律和应力场分布、位移场分布、巷道围岩变形与 煤柱宽度的关系及窄煤柱宽度的极限平衡理论计算 个方面综合确定窄煤柱的宽度王猛等 研究了 深部倾斜煤层沿空掘巷上覆关键块体稳定性与煤层 埋深、倾角间的关系冯吉成等 研究了深井大采 高工作面开采条件下不同煤柱宽度时煤柱两侧塑性 区分布和采掘扰动对巷道变形的影响基于此得到 窄煤柱的合理尺寸朱若军等 通过数值计算方 法研究了沿空掘巷不同煤柱宽度和巷道支护强度 时煤柱的应力场和位移场建议沿空掘巷煤柱的合 理宽度留设标准软煤 硬煤 王德超 等 通过现场侧向支承压力监测和数值模拟相结 合的方法确定赵楼煤矿 工作面沿空掘巷煤 柱留设尺寸为 赵启峰等 针对谢桥煤矿 综采工作面沿空掘巷工程地质条件采用 模拟软件对沿空巷道不同阶段覆岩应力 分布、围岩变形特征、支护体受力进行模拟研究 并对其支护参数进行优化于洋等 采用极限平 衡理论和数值模拟方法分析了不同宽度的窄煤柱 与巷道围岩变形量的关系确定了合理的窄煤柱 宽度并应用于工程实践赵国贞等 研究表明 对沿空小煤柱两侧分阶段注浆加固可形成由小 煤柱、顶煤、顶板构成的超静定悬臂梁结构可以 促使顶板断裂线的位置从实体煤侧向邻近工作面 的采空区侧移动减小煤柱载荷从而达到减小巷 道变 形、 增 强 巷 道 围 岩 稳 定 性 的 目 的 文 献 将 宽区段小煤柱留设成功用于生产 实践马金宝等 对高家堡煤矿 工作面推过 前后的侧向煤体应力分布特征进行了实测至煤 壁 之内属于应力降低区同时结合数值模拟 综合确定了沿空掘巷合理小煤柱宽度为 阳泉五矿综放工作面原护巷煤柱宽度为 为进一步对煤柱尺寸进行优化以增加煤炭资源产 量以 工作面回风巷沿空掘进为工程背景理 论分析确定沿空掘巷位置及小煤柱宽度通过回采 过程中对煤柱内部应力实测提出合理支护方案最 后对沿空掘进的 回风巷掘进全过程围岩变形 进行监测验证煤柱宽度留设及支护方式的合理性 该研究不但优化了阳泉五矿综放工作面区段煤柱宽 度同时对矿区同类煤柱留设及支护提供一定的参 考借鉴 矿井概况 阳泉五矿综放工作面设计走向长. 倾 斜长 . 主要开采太原组 号煤层 号煤 层平均厚度为 . 平均倾角为 平均容重为 . / 含 .. 的 层夹矸煤层结构复 杂 号煤层的平均埋深为 直接顶为泥岩 灰黑色性脆易碎平均厚度为 基本顶为细砂 岩泥质胶结平均厚度为 . 底板为细砂岩、砂 质泥岩经实验室测得 号煤试件的平均抗压强度 为. 直接顶泥岩平均抗压强度为. 基本顶细砂岩平均抗压强度为 . 采用综 采放顶煤开采工艺工作面平均采高 . 放煤高 度 . 采放比为 .工作面采用 / 型双滚筒采煤机双向割煤采用全部垮落法管 理顶板 沿空掘进试验巷道为该矿 工作面回 风巷沿着 工作面采空区边缘 号煤顶板掘 进 回风巷断面为矩形巷道宽 高 工作面巷道布置如图 所示 图 工作面巷道布置 . . 沿空掘巷煤柱合理宽度计算 . 煤柱宽度上限计算 上区段工作面回采完成后基本顶发生断裂会 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 在采空区边缘和下区段煤体内形成弧形三角块即 关键块体 关键块体 一端发生回转变形在采空 区触矸另一端在采空区边缘的实体煤内断裂并与 相邻岩块形成铰接结构 关键块体 在基本顶内 的断裂位置对沿空掘巷围岩稳定性具有重要的影 响上覆岩层在基本顶断裂后传递到煤体内的支承 压力 会在断裂线左右分为应力降低区和应 力升高区应力降低区内部支承压力由断 裂线左侧基本顶自重及其运动状况决定 其 力学模型如图 所示 图 沿空掘巷基本顶断裂力学模型 . 沿空掘巷的基本原则是将巷道布置在应力降低 区宽度这样有利于维护巷道围岩的稳定因 此需要先确定 区域的范围 分布在 区域中的 支承压力 与工作面初次来压时基本顶的自重相 等即 式中为侧向支承压力为顶板断裂线周围 发生塑性变形的煤体刚度为煤壁煤体压缩量 值 为基本顶平均容重/ 为工作面长 度 为基本顶厚度 为基本顶的初次来压 步距 基本顶的初次来压步距为 式中为基本顶抗拉强度 为基本顶所承受 上覆岩层的载荷 将式和式联立求解可得 / 结合 综放工作面相关数据得到 区域宽 度为 . 沿空掘巷位置应处于应力降低区域 则沿空巷道宽度 和小煤柱宽度 之和应不大于 应力降低区 宽度即 沿空巷道宽度 可得 的最大值为 . . 煤柱宽度下限计算 阳泉五矿 工作面沿空掘巷煤柱两侧分别 为 工作面采空区和 工作面回风巷根据 围岩极限平衡理论可得煤柱最小宽度计算公式由式 得出计算示意如图 所示 图 小煤柱宽度计算 . 式中为上区段工作面回采后形成的塑性区宽 度其值按式计算为锚索长度取 . 为煤柱的安全系数按 .. 计算 即 计算式为 式中 为煤层采高取 为侧压系数取 . 为煤层内摩擦角取 为煤柱与顶底板交界 处的黏聚力取 . 为集中应力系数取 . 为上覆岩层平均容重取 / 为巷道埋 深取 为煤柱采空区一侧的支护阻力取 . 将上述参数代入式计算可得 . .. 最小宽度为 .. 综 合考虑 工作面沿空掘巷煤柱宽度取 回采过程中煤柱内应力分布 . 煤柱内部应力现场监测 阳泉五矿 回风巷沿空掘进期间围岩变形 量相对较小为了掌握沿空小煤柱在工作面回采过 程中应力变化情况超前工作面 在 工 作面回风巷煤柱侧安装一组 个矿用本安型围岩 应力传感器 编号为 号各测点钻孔 深度分别为 .、.、.、.、.、.、.、.、.、 .、.、. 钻孔直径 钻孔水平间隔 . 距底板高 . 如图 所示 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 张鹏鹏等综放开采沿空掘巷小煤柱宽度留设及支护技术研究 年第 期 图 应力传感器布置 . . 煤柱内部应力分布特征 留设 小煤柱内部不同位置围岩应力变化 曲线如图 所示由图 分析可知超前工作面不同 距离煤柱内部应力变化趋势基本一致沿回风巷帮 向煤柱深部方向都呈现先增大再减小的过程由于 受到工作面超前峰值支承压力的影响超前工作面 处各测点应力均大于其他位置 煤柱内部深 度 范围内围岩应力为 .. 应力集 中系数为 ..内部深度 .. 范围内 围岩应力由.. 急剧增大到 应力集中系数由 .. 增加到 ..在煤 柱内部深度为 . 处达到峰值支承压力 应力集中系数达到 .内部深度 .. 范围 内围岩应力由 减小到.. 应 力集中系数由 .. 减小到 ..内部深 度 .. 处围岩应力继续减小到.. 应力集中系数为 .. 图 煤柱内部应力分布规律 . 通过现场实测 工作面回采过程中侧向支 承压力降低区为煤柱侧 范围该范围内煤体 发生塑形变形破坏应力增高区域为煤柱侧 范围即煤柱的弹性核区而煤柱侧 范围靠 近 采空区围岩强度较低发生变形破坏承载 能力弱 锚杆锚索配合注浆加固支护方案 通过对回采过程中煤柱内部应力的观测可知 煤柱边缘 范围已经处于破碎状态围岩承载 能力低在回采过程中两帮移近量很大最大处可达 到 左右已经严重影响了运输、通风及工作面正 常回采的要求因此在掘进期间锚杆长短锚索一 次支护的基础上进行回采过程中煤柱边缘注浆加固 二次支护即采用二次支护方式 . 锚杆长短锚索支护方案 .. 顶板支护 巷道顶板采用 根 . 的钢绞 线锚索配合 眼 钢带支护中间 根锚索垂直于 顶板布置靠近两帮处 根顶锚索与水平面呈 斜向上布置锚索间排距为 每根 锚索需用 支 和 支 树脂锚固剂作 为加强支护每 排锚索间隔排布置 根 . 和 根 . 的钢绞线锚 索其间排距为 加强锚索锚固 段长度为 上述锚索配备 的托盘 .. 实体煤帮支护 实体煤帮采用 根 的左旋 螺纹钢锚杆支护靠近顶板帮锚杆与水平面呈 斜向上布置其余 根锚杆垂直于巷帮布置锚杆间 排距为 每根锚杆需用 支 和 支 树脂锚固剂锚杆锚固力大于 扭力矩大于 .. 煤柱帮支护 煤柱帮采用 根 的左旋螺 纹钢锚杆支护布置方式与实体煤帮相同煤柱帮受 采动应力影响较大作为加强支护在帮中间布置两 根 . 的钢绞线锚索间排距为 整个支护方案如图 所示 . 注浆加固支护方案 注浆加固的实质就是将渗透性强的浆液注入破 碎的煤柱裂隙内利用浆液的骨架和密实作用将破 碎围岩整合成为一个整体改善围岩的力学性能提 高其承载能力 本次注浆加固所选用材料为水、添 加了 复合剂的 号普通硅酸盐水泥和 固化剂其比例为 . .. . 根据实测的煤柱内部支承压力分布及围岩松动圈理 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 图 回风巷支护断面 . 论综合确定注浆孔深度为. 根据既能使浆液渗 透又不损坏喷层的原则注浆泵的注浆压力取 在煤柱帮侧布置五花孔上部和下部双排孔分 别距离顶底板 . 中部单孔位于巷道中央位置 其中上部孔斜向上 布置中部和下部孔垂直于 煤柱帮布置相邻孔间距为 . 注浆加固完成 后采用堵漏剂对煤柱表面进行密闭以防瓦斯等有 害气体从注浆孔溢入回风巷道 注浆加固方案如图 所示 图 注浆加固方案示意 . 矿压监测分析 . 顶板下沉量监测结果分析 对掘进及回采过程中回风巷顶板下沉量进行持 续观测绘制顶板下沉曲线如图 所示由图 分 析 回风巷在沿空掘进期间巷道顶板下沉量总 体比较小在 内顶板离层速度较大平均变 形速度达到 . / 此后变形速度逐渐减缓在 第 以后巷道顶板变形基本趋于稳定掘进期间 巷道顶板下沉量共计 巷道维护良好 在 工作面回采过程中前 内顶板离层仪安装 点距离回采工作面距离较远读数变化较为缓慢仅 为 / 后随着工作面的向前推进上覆岩 层受到工作面回采动压影响顶板下沉速度急剧增 大到 / 至 顶板下沉量已达到 此后顶板下沉速度又逐渐变缓从顶板离层仪安装 开始到第 工作面回采到该位置为止顶板下沉 量共计 图 回风巷顶板下沉量曲线 . . 两帮移近量监测结果分析 对掘进及回采过程中回风巷两帮移近量进行持 续观测绘制两帮移近量曲线如图 所示 图 回风巷两帮移近量曲线 . 由图 分析可知 回风巷沿空掘进期间两 帮变形量小在 后两帮累计移近量为 . 此后巷道两帮围岩变形趋于稳定 工作面回采期 间对煤柱帮进行了注浆加固由于浆液的骨架和密 实作用注浆加固帮移近量很小仅为 . 反观 实体煤帮从工作面回采开始便出现变形随着工作 面的推进围岩变形逐渐加剧到第 回采结束 实体煤帮累计变形量为 . 采用锚杆长短锚 索联合支护煤柱帮注浆加固很好的控制了巷道围 岩的位移变形量在可控范围内该支护方式对巷道 围岩变形起到很好的控制作用 . 底鼓量监测结果分析 回风巷掘进期间底鼓量很小对回采期间底鼓 变形量进行观测曲线如图 所示 由图 分析可知由于巷道留底煤沿顶掘进 巷道底鼓量相对较大未注浆加固段底鼓量最大为 . 注浆加固段底鼓量最大为 . 为保证回采 期间回风巷断面要求安排一台铲运机进行起底平 均起底高度为 . 可有效增加资源回收量 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 张鹏鹏等综放开采沿空掘巷小煤柱宽度留设及支护技术研究 年第 期 图 回风巷底鼓量 . . 巷道瓦斯含量监测分析 回风巷沿空掘进期间巷道内瓦斯含量保 持在 ..回采期间巷道内瓦斯含量有所 增大通过对回采期间 巷道内瓦斯含量进行监 测其浓度值基本稳定在 . .未出现大范 围内的浓度波动表明注浆加固可以有效密闭围岩 内部裂隙对采空区起到很好的隔离作用防止了采 空区瓦斯溢入回采空间 结 论 基于基本顶断裂力学模型及极限平衡理论 综合 工作面工程地质条件计算得小煤柱合理 留设宽度范围为.. 综合考虑取 为 宜掘进期间采用锚杆长短锚索进行一次支护 通过对回采过程中煤柱侧向支承压力的现 场实测得出煤柱侧 范围煤体发生塑形破 坏、 范围为弹性核区、 范围靠近 采空区承载能力弱因而回采期间对煤柱帮进行 钻孔注浆加固二次支护 通过对巷道掘进和回采期间顶板下沉量、两 帮位移量、底鼓量及瓦斯含量进行监测监测结果表 明 回风巷在掘进及回采期间顶板及两帮变形、 瓦斯含量都处在工程允许范围内底鼓现象相对严 重应采取适当措施进行治理 留设 煤柱并采用二次支护方式可以 有效保持沿空巷道围岩的稳定实现综放工作面的 安全高效回采 参考文献 王 成韩亚峰杜泽生等.沿空掘巷围岩控制技术的发展与 展望.煤矿开采. . . . 柏建彪.沿空掘巷围岩控制.徐州中国矿业大学出版社 . 谭云亮吴士良尹增德等.矿山压力与岩层控制.北京 煤炭工业出版社. 李学华鞠明和贾尚昆等.沿空掘巷窄煤柱稳定性影响 因素及工程应用研究.采矿与安全工程学报 . . . . 柏建彪侯朝炯黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研 究.岩石力学与工程学报. . . . 郑西贵姚志刚张农.掘采全过程沿空掘巷小煤柱应力分 布研究.采矿与安全工程学报. . . . 张科学张永杰马振乾等.沿空掘巷窄煤柱宽度确定.采 矿与安全工程学报. . . . 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. . . . 王 猛柏建彪王襄禹等.深部倾斜煤层沿空掘巷上覆结构 稳定与控制研究.采矿与安全工程学报 . . . . 冯吉成马念杰赵志强等.深井大采高工作面沿空掘巷窄煤 柱宽度 研 究 . 采 矿 与 安 全 工 程 学 报 . . . . 朱若军郑希红徐乃忠.深井沿空掘巷小煤柱合理宽度留设 数值模拟研究.地下空间与工程学报 . . . 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 . 王德超李术才王 琦等.深部厚煤层综放沿空掘巷煤柱合 理宽度试验研究.岩石力学与工程学报 . . . . 赵启峰杜 锋李 强等.综采工作面沿空掘巷围岩控制技 术.煤炭科学技术. . . . 于 洋柏建彪陈 科等.综采工作面沿空掘巷窄煤柱合理 宽度设计及其应用.煤炭工程. . . . 赵国贞马占国孙 凯等.小煤柱沿空掘巷围岩变形控制机 理研究.采矿与安全工程学报. . . . 徐光亮.成庄矿沿空掘巷窄煤柱宽度确定研究.煤炭工程 . . . . 余学义王 琦赵兵朝等.大采高工作面区段窄煤柱合理尺 寸研究.煤炭工程. . . . 马金宝王 胜宋宗武.基于煤岩应力监测的深井沿空掘巷 煤柱宽留设研究.煤炭科学技术. . . . 李 磊柏建彪王襄禹.综放沿空掘巷合理位置及控制技术 .煤炭学报. . . . 侯朝炯李学华.综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理 .煤炭学报. . . . 上接第 页 . . 王方田.浅埋房式采空区下近距离煤层长壁开采覆岩运动规 律及控制.徐州中国矿业大学. 黄庆享周金龙.浅埋煤层大采高工作面矿压规律及顶板结构 研究.煤炭学报. . . . 白庆升屠世浩袁 永等.基于采空区压实理论的采动响应 反演.中国矿业大学学报. . . . 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et