综放工作面钻孔断顶沿空留巷技术应用研究(1).pdf

2020年第8期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-10-23 作者简介 陈文云 （1986-） ， 男 （汉族） ， 陕西榆林人， 工程师， 现从事煤矿技术管理工作。 综放工作面钻孔断顶沿空留巷技术应用研究 陈文云* （同煤集团晋华宫煤矿， 山西 大同 037000） 摘要 为缓解跳采引起的矿井采掘接替紧张问题。对工作面的煤岩体进行力学参数实验测试。煤 层的直接顶厚度大、 强度小， 在钻孔断顶沿空留巷中， 在原有支护基础上调整锚索布置方式， 采用3 排矩形布置方法， 并在巷道煤壁侧搭设柱腿。根据数值模拟结果及现场观测可知 巷道顶板的平均 下沉量90mm， 采用锚索网和巷旁支护措施可以对围岩变形问题加以控制， 满足留巷的施工要求。 关键词 综放工作面； 钻孔断定； 沿空留巷技术； 锚网索支护； 数值模拟 中图分类号 TD353 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202008-0160-03 晋华宫矿井 307 盘区共包括 8701、 8703、 8705 和 8707四个工作面。在回采过程中若采取跳采形式， 极 容易因跳采不开而形成孤岛工作面， 对矿井正常生产 运行产生不利影响。因此， 为了避免因跳采问题的发 生， 确保矿井的正常生产， 以8701工作面为例， 在下顺 槽回采过程中运用钻孔断顶沿空留巷技术， 针对8703 工作面的上顺槽， 运用8701下顺槽作为替代， 避免孤岛 工作面的形成， 减少巷道掘进任务量， 形成矿井正常生 产的保障。 1工程概况 307盘区首采工作面为8701工作面， 该工作面位 于307盘区西部， 工作面长度和倾斜长度分别为728m 和120m。回采层厚度是4.5m， 厚度范围在3.06.3m 之间， 属于山西组下部二1煤。该煤层的平均倾角17， 倾角为822， 煤层结构整体较为简单。其中， 部分煤 层中含有厚度为0.10.3m的煤矸石层。采用综采放 顶煤回采工艺。其中， 煤层的直接顶为平均厚度5.94m 的砂泥岩互叠层， 老顶为粉砂岩、 细粒砂岩， 平均厚度 为12.5m， 煤层的直接底是泥岩， 平均厚度为4.97m。 2煤岩力学参数 测试煤岩力学， 对围岩稳定性的进行判定， 为巷道 支护参数设计等提供参考。本工程在测试物理力学参 数时， 主要根据 煤与岩石物理力学性质测定方法 ， 实 现试验过程的编制[1-4]。在测试过程中， 将煤岩采样点 设计在 8701 工作面上， 煤岩样的尺寸规格为 20cm 20cm20cm。在测试过程中， 先测定2组煤岩样的纵波 波速和密度， 再采用岩石力学试验系统， 对煤岩样的单 轴压缩、 常规三轴压缩和巴西劈裂进行测试 （表1） 。从 测试结果来看， 该工作面的煤层为软煤类， 底板泥岩为 软岩类， 顶板属于中等坚硬岩类。其中， 煤层直接顶具 有厚度大、 强度小的特点， 符合该技术的应用条件。 3钻孔断顶沿空留巷技术 岩石名称 煤样 顶板砂质 泥岩 底板泥岩 自然密度 （km/m3） 1529 14891567 2698 27272741 2479 24592527 纵波波速 （m/s） 1829 14781934 3635 31763959 1517 11271833 抗拉强度 （MPa） 0.55 0.190.72 8.21 6.1910.53 7.52 7.227.63 抗压强度 （MPa） 4.36 4.304.86 68.19 59.3381.22 35.26 10.1464.97 弹性模量 （GPa） 1.11 1.021.34 13.31 11.8214.70 5.33 2.997.79 变形模量 （GPa） 0.54 0.510.62 10.20 8.7110.92 4.12 1.206.22 泊松比 0.31 0.210.29 0.33 0.070.52 0.35 0.120.18 坚固性 系数 0.39 0.40.5 6.78 5.96.4 3.32 1.26.5 内聚力 （MPa） 1.42 36.11 23.11 内摩擦角 （） 27.68 30.12 28.59 表1煤岩力学参数测试结果 160 2020年第8期西部探矿工程 在8701工作面运输巷道的掘进过程中， 沿煤层顶 板方向进行。巷道断面呈斜顶梯形， 回采后， 为保证沿 空留巷时巷道下帮及顶板不发生变形。下帮采用的锚 杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆， 锚杆长度为2.50m， 直径 为18mm。顶板的锚杆长度为2200mm， 直径为20mm， 锚杆的间排距为650mm800mm。同时， 采用补打锚 索的方式进行补强。顶部的锚索间排距为2000mm 2400mm， 五花眼布置三排锚索加固。通过支护补强， 提高巷道支护的稳定性， 满足巷道安全的需求。回采 完毕后， 由于工作面巷道顶板上帮失去支撑力， 容易导 致悬臂梁结构的形成。因此， 为了加大上帮支护强度， 需要进一步加大锚索密度， 将锚索的布置形式由五花 眼三排锚索改变为矩形三排锚索。在8701工作面放顶 后， 极容易出现顶板垮落岩块现象， 针对这一现象的处 理， 可借助于废旧的36U型钢材质的柱腿搭设于巷道 上方， 以此来防止顶板垮落岩块进入巷道。与此同时， 还可将菱形网提前布设在液压支架的上方， 并搭接在 巷道顶板的铁丝网上， 起到挡矸的作用。具体支护示 意图如图1、 图2所示。此外， 可在巷道煤壁侧进行钻 孔， 通过这种方式， 防范岩石垮落。 图1留巷支护示意图 4沿空留巷支护数值模拟 为了模拟8701工作面运输巷锚网索的支护效果， 对相关物理力学参数进行模拟分析[5-7]。 （1） 沿空留巷围岩应力分析， 如图3、 图4所示。巷 道顶板03m、 巷道煤壁侧39m间， 垂直应力集中现 象较为常见， 左帮的应力较低。顶、 底板应力集中最为 明显， 表明应于实体煤侧以及顶板处加大支护力度。 与此同时， 应做好矸石进入巷道的防护工作， 除此之 外， 还要强化切顶侧的顶板支护。巷道底板较深的部 位存在水平应力集中问题， 可能会出现底鼓现象。 图3垂直应力分布 （2） 沿空留巷围岩位移情况， 如图5所示。实体煤 侧与顶板主要由锚网进行支护， 并且获得良好的效 果。而底板因为无支护的保障， 因此存在较大的变形 量， 最大变形量为0.34m。在回采时， 需要采用窝底手 段来保证巷道断面尺寸满足生产需要。 图236U型钢柱腿示意图 161 2020年第8期西部探矿工程 5留巷效果分析 在8701工作面回采期间， 根据数据的模拟结果， 采 取木垛、 加密点柱等方式对支护情况进行强化， 实现对 巷道变形的有效控制。结合观测的数据统计可知 整 条巷道的顶板最大下沉量为 200mm， 平均下沉量在 90mm左右。因此， 采用锚网索支护的方式能够对顶板 离层进行有效控制。受底鼓的影响， 巷道底板局部区 段的底鼓量超过900mm。主要是因为巷道底板存在泥 浆， 在遇水的条件下出现膨胀、 变形等问题， 且容易同 时受到回采动压以及其他因素的作用。总的来说， 钻 孔断顶沿空留巷技术在8701工作面运输巷中取得了良 好的应用成效， 留巷效果如图6所示。 6结语 （1） 根据煤岩层力学参数的测试结果将钻孔断顶 沿空留巷技术应用在晋华宫煤矿中， 符合矿井生产的 实际需求。明确锚杆锚网支护参数， 在工作面超前 20m处实施钻孔断顶操作。 （2） 根据数值的模拟结果及巷道实际变形情况统 计， 巷道的顶板下沉量小于200mm。因此， 该沿空留巷 技术实现了对围岩变形的有效控制， 满足运输巷道的 使用需求。 参考文献 [1]闫南飞.沿空留巷巷旁充填体承载作用及围岩控制技术浅 析[J].能源技术与管理,2019,44578-80. [2]李卫伟.沿空留巷巷旁充填体合理宽度研究[J].能源技术与 管理,2019,44587-88. [3]尘兴邦,丁锴,姜子琦,杜树言.沿空留巷施工与支护技术的应 用研究现状[J/OL].世界有色金属,201916198,201[2019- 10-19]. [4]崔贝贝.沿空留巷支架后置可自移式支护机构的设计及应 用[J].机械工程与自动化,20195205-206. [5]李西凡,熊祖强,张耀辉,苏承东,王鹏.沿空留巷高水充填材 料改性试验及工程应用[J/OL].重庆大学学报1-12[2019- 10-19]. [6]王绪强,王飞,成飞.黄陵矿业一号煤矿501工作面无煤柱开 采方案探讨[J].价值工程,2019,3827165-170. [7]王栋.榆树坡煤业沿空留巷围岩控制技术研究[J].山东煤炭 科技,2019911-12,15. 图4水平应力分布 图5巷道围岩中位移变化 图610311运输巷沿空留巷效果 162