沿空留巷巷旁作用机理与关键参数研究.pdf

2 0 童撼蒺 斜技 2 0 14 年 第 1 期 沿空留巷巷 旁作 用机理 与关键 参数研 究 周旭 明 龙煤集 团七 台河分公 司龙 湖煤矿 ， 黑龙 江 七 台河1 5 4 6 0 0 摘要沿 空留巷技术是煤矿开采技术的一次重大技 术变革。本文通过沿空留巷巷 旁作 用机理研 究， 建立沿 空留巷 力学作 用 模型 ， 在此基础上进行巷 旁支护 关键技术参数分析 ， 结合 实际工程条件进行 工业试验 ， 取得较好 的效果。 关键词 沿空留巷失稳机理 围岩控制 中图分类号T D 3 5 3 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ． 2 0 1 4 ． O 1 ． 1 0 Al o ng Th e Ro a dwa y M e c ha ni s m And Ke y Pa r a m e t e r s Of Go b Z h o u Xu mi n g L o n g Me i J i T u a n Q i t a i h e b r a n c h i n L o n g h u c o a l mi n e He i l o n g j i a n g Q i t a i h e 1 5 4 6 0 0 Abs t r a c t The g o b s i de e n t r y r e t a i ni ng t e c h n o l o g y i s a n i mp o r t a n t t e c h no l o g i c a l c ha ng e o f c o a l mi ni n g t e c hn o l o gy ．Ba s e d o n t h e a c t i o n me c h a n i s m o f r o a d wa y a l o n g g o b ，a n d e s t a b l i s h t h e me c h a n i c a l mo d e l o f r o a d w a y a l o n g g o b，b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e k e y t e c h n i c a l p a r a me t e r s o f r e t a i n i n g r o a d w a y，i n d u s t r i a l e x p e rime n t c o mb i n e d w i t h t h e a c t u a l e n g i n e e r i n g c o nd i t i o n s，a n d a c h i e v e d g o o d e f f e c t ． Ke y wo r d sr o a d w a y a l o n g g o a f i n s t a b i l i t y me c h a n i s m s u r r o u n d i n g r o c k c o n t r o l 我国的煤炭生产多采用井工开采， 生产矿井每年 新掘巷道 2 k m， 其 中采 区平巷进尺约 占7 0 ％以上 ， 绝大 部分采区平巷 长期 以来 一直 沿用保 留煤 柱 的方法维 护 ， 即在工作面之 间留设 3～ 5 m 的窄煤柱 或 1 5～ 3 0 m 的宽煤柱 ， 其 目的是为 了防止工作 面与相邻采空 区通 透漏风而引起采空 区的 自然 发火 ， 同时也兼顾 了工作 面矿山压力的影响。区段煤柱虽然短期内对防治窜 风 、 自然发火起到一定作用 ， 但造成煤 炭资源 的浪 费 约 占全矿煤炭损失 的 4 0 ％ 。而且 ， 采空 区侧 煤柱被压酥 ， 甚至 压碎 ， 极 易 造成采 空 区煤 柱 自然发 火 ， 严重威胁矿井 的安全 生产 ； 如煤 柱留设不合理 ， 易 形成应力集 中， 造成其下伏巷道维护困难 。因此 ， 研究 区段不留煤柱 ， 实现工作面“ Y ” 型通风 ， 有效解决上 隅 角瓦斯积 聚难题 ； 实现采区无煤柱护巷 、 提高煤 炭回收 率和降低巷道掘进率， 对安全生产、 增加经济效益和社 会效益都具有十分重要的意义 。 1 巷旁充填体作用机理 鉴 于沿 空 留巷 顶 板 岩层运 动 规律 ， 沿 空 留巷 围 收稿 日期2 0 1 3 0 41 0 作者简介周旭 明 1 9 7 1一 ， 黑龙 江七 台河 市人 ， 高级 工程 师， 主 要从事煤矿安全与 灾害防治方 面的研究。 岩变形 ， 巷旁支护体变形以及支护体载荷 的变化都 与 回采工作 面的周期来压 有关 系。回采工作 面后 方 2 0 m范围内 ， 巷 道围岩变形 速度 较大 ； 当周期 来压 引 起工作面后 方基本 顶 弧形 三 角板 失稳 时 、 巷道 围岩 及巷旁支护 体产 生剧 烈变 形 ， 支护 体 承受 载荷 也 剧 烈增 加 ， 这 个 区域 一 般 在 工 作 面后 方 2 0～4 0 m 范 围内。 巷旁支护体控制巷道顶板 、 维护巷道， 关键是要 有足够 的支 护强度 及 适量 的 可缩 量 ， 足 够 的 支护 强 度能够及时切落采空区侧足够高度的顶板岩层， 使 更上位岩层得到采空区冒落矸石及侧 向煤体支撑， 同时 ， 适量 的可缩 量满 足巷 旁 支护 体服 从 岩层 的旋 转下沉 ， 防止在 顶 板岩 层旋 转 下沉 时破 坏 巷旁 支 护 体， 实现控顶 载荷 向侧 向煤体及采 空区 冒落矸 石 转移 。 因此， 沿空留巷巷旁支护的作用机理为 1 巷旁支护体应具有早期强度高 、 增阻速度快 的力学特性 ， 紧随工作面构筑 ， 及时支护直接顶， 控 制巷道 围岩变形 ， 与巷 内支护 共 同作 用 ， 确保 巷道 内 直接顶不破碎 、 避免 与上部基 本顶 离层 ， 并切 断采 空 区侧的直接顶， 减小巷旁支护体所承受的载荷。支 护体切落顶板岩层需要 的支 护阻力 决定于 巷道 围岩 2 0 1 4年第 1 期 圭 ． 靠娥i 支 2 1 条件 、 基 本顶厚 度 及抗 拉 强度 、 直 接顶 厚 度 、 沿 空 留 巷参数 、 工作面采高以及煤层倾角、 开采深度 、 巷道 支 护等。 2 回采 面的推进 ， 必 然引起基 本顶破 断 、 失稳 、 剧烈沉降， 在基本顶破断时巷旁支护体 的支护阻力 应达到切顶阻力 ， 切断采空区侧基本顶 ， 减小巷旁支 护体载荷。垮落的矸石 由于破碎后体积增大， 当充 填满采空区时， 更上位岩层在矸石及煤体的支撑作 用下取得平衡 ， 巷 道 围岩 变形趋 于缓 和并 稳定 下来 ， 所以巷旁支护体的切顶高度由采高及矸石的碎涨系 数决定， 并与煤层倾角有关； 另外 ， 巷旁支护体应具 有一定的可缩 量 ， 对上 位 岩层 在取 得 平衡 之前 的急 剧沉降有较好的适应性， 其大小与采高成正比， 与采 空区侧冒落岩层的碎胀系数 ， 残余碎胀系数及煤层 倾角等有关。 3 巷道围岩运动稳定后 ， 巷旁支护体具有的支 护阻力为后期支护阻力， 其大小应能够维持巷道上 方已切断岩层 的平 衡 ， 同时 将 巷道 顶板 下 沉量 控 制 在设计 范围内 ， 一般后期支护 阻力小 于切顶 阻力 。 2 沿空留巷巷旁支护参数分析 沿 空留巷 示意图见图 1 所示。 ， ‘T B ， , T I M ，， ． ’ q i n ’ a ’ T 丁 ’ 0 毋 0 ， L ． ‘ ， 6 根据 图 1 ， 用 平 衡法 对 A B、 B C两 岩块 分 别建 立 力 学方程 。 B C岩块 ， 垂直于倾角 O t 方向， ∑F 0 ， 得 N口一q c o s a 。e～Nc0 平行于 O L 方 向， ∑F 0 ， 得 T B T cq s i n a e ∑M 0 ， 得 L 一g c o s e 一 Ⅳ c e h A S c i⋯e 一 A S 。 0 T c h A S n a e 告 一 A S 一 s e2N 一 一 A B岩块 ， ∑ 0 ， 得 P q 。 c 萼 。 一 M o 一 A S q s in o t c d ． 一 A S 一} g g 0 c o s 0 c d 一 N 日 0 c d 一 M￡0 P q [ ML N c q c o s a。 e 0 c d 1 g q 0 C O S O L 0 c d 一 』 。 O y 0 一 一 q s i n u e 一 A S 一 M o q s in 。 c d 1 一 △ 5 ] ／ 。 c 式中 一煤层倾角； c 一巷道宽度 ； d 一巷旁支护体宽度； 一 基本顶岩层厚度 ； p 。 一巷旁支护体的切顶阻力； 一 基本顶岩层的极限弯矩 ； _ _ A端基本顶的残余弯矩 ； g 一基本 顶 及 其上 部 软 弱岩 层 单 位 长度 的 自重 ； q o 一 直接顶单位长度 自重 ； △ ．s 一基本顶跨落前 日端 的下沉量 ， cde ASc ‘ASs e 一曰 c岩块的长度 ， 其计算式为 e √ o 0 。 2 一 。 一 c d 6 一 基本顶来 压步距 ； 一 工作面长度。 3 工程 实例 桃 山煤矿 1 6 2 2 1 工作 面走 向长 8 9 5 m， 倾 斜宽 1 2 6～1 7 1 m。煤 厚 1 ． 0～1 ． 7 m， 卧底 采煤 ， 保 证 采高 不低于 1 ． 8 m。直 接顶 以粉砂 岩 为 主， 厚 2 ． 9～ 7 ． 5 m， 局 部 为砂 质 泥 岩 。老 顶 为 粉 细砂 岩互 层 ， 厚 4 ． 6～ 1 7 ． 5 m 。底板为砂 质泥 岩 ， 厚 4 ． 7 m。工作 面风 巷采用沿空留巷技术 ， 断面形状为斜梯形， 留巷巷宽 3 ． 8 m， 中高 2 ． 4 m。 2 2 互娃震 科技 2 o 14 年 第 1 期 1 根据桃 山煤矿岩层力 学参数 和以往 的实践 ， 确定巷旁充填体宽度为2 m， 充填体抗压强度 8 ． 0 MP a 即能 满足沿 空留巷的要求 ， 根据 实验室试 验 ， 确定 采 用高水速凝材料与水的比例是 1 1 ． 5 ， 即 1 k g 高水 速凝 材料加 1 ． 5 k g 水 ， 该 水灰 比固结料的抗压强度为 1天 9 ． 1 MP a 。 2 当顶 板 稳定 完整 时 ， 巷道 顶板 采 用 “ q b 2 0 2 2 0 0 m m螺纹 钢锚 固锚 杆 钢 筋 梯子 梁 金 属菱 形 网 锚索 ” 的联 合 支 护形 式 ； 锚 杆 布置 形 式 为 三花 眼， 巷道顶锚杆问排距 8 0 0 8 0 0 m m； 锚索支护为 锚 索长度 8 ． 3 m每 3 ． 2 m打 1 根 ； 然后再用锚索加强支 护 ， 锚 索长度 6 ． 3 m， 每 4 m 打 2根 。顶 网规 格 LB 6 0 0 01 2 0 0mm。 施工时注 意利用 原 有 的还确 定 有效 的锚杆 、 锚 索等支护设 施 。 3 两帮支护 两帮采用 02 01 8 0 0 m m端 头 锚 固树 脂 玻璃 钢 锚杆并 加挂 网支 护 ， 锚 杆 问排距 8 0 08 0 0 ra m， 上排 帮锚 杆距 顶板 5 0 0 ra m， “ 矩形 ” 布 置 ， 帮 网规 格 LB 6 0 0 01 2 0 0 m m 或 L B1 5 0 01 0 0 0 m m。由于沿 空 留巷 围岩 发生 大变 形 难 以避免 ， 而 玻璃 钢 锚杆 支 护阻力小、 抗变形能力小， 实煤体帮仅采用玻璃钢锚 杆支护将极为困难 ， 因此， 将顺槽实煤体帮增加高强 度螺纹钢锚杆 支护 ， 增加 的帮螺纹 钢支护参 数 为 在 原每 2排玻璃钢锚杆之间增加一排螺纹钢锚杆 ， 加 钢筋 梯子 梁 ， 锚 杆 间排距 为 8 0 0 8 0 0 m m， 最 上 1根 帮锚 杆距 顶板 3 0 0 m m， 每根 锚杆 采用 一 支 Z 2 3 6 0树 脂药卷锚 固。 【 参考文献】 [ 1 ] 华心祝 ．我 国沿空留巷 支护技 术发展 现状 与改进 意 见[ J ] ．煤炭科学技术， 2 0 0 6 ， 1 2 1 2 7 8 8 1 ． [ 2 ] 漆泰岳． 沿空留巷整体浇注护巷带主要参数及适应 性[ J ] ． 中国矿业大学学报， 1 9 9 9 ， 3 2 1 2 2～1 2 5 ． [ 3 ] 黄王成， 孙恒虎．沿空留巷护巷带参数的设计方法 [ J ] ． 煤炭 学报 ， 1 9 9 7 ， 4 5 8 6 1 ． [ 4 ] 张俊云 ， 柴敬． 沿空留巷研 究 中若干 问题分析 [ J ] ． 矿 山压力与顶板 管理 2 0 0 0 ， 1 3 8 ～3 9 ． [ 5 ] 孙春东． 新型高水材料巷旁充填沿空留巷技术[ J ] ． 煤矿 开采 ， 2 0 1 0 ， 2 1 2 91 3 1 ． 上接 第 1 9页 碎顶板进行 有效防护 。由于工作 面直接顶 为 2 ． 8 0～ 8 ． 5 0 m厚 的泥岩 ， 选用整体顶梁 伸缩梁 的结构 。 3 支架主要技术参数 根据支护强度、 支架高度计算结果， 结合工作面 条件 ， 工作 面液压支架确 定为 Z Y P 4 0 0 01 7 ／ 3 7型支 撑掩 护式液压支架 ， 其主要技术参数见表 2 。 表 2 Z Y P 4 0 0 01 7 ／ 3 7型液压支 架主要技术特征表 序号 名称 型号 单位 备注 1 支架架 型 支撑掩护式 2 支架工作阻力 3 9 2 0 k N 3 支架额定初撑力 3 0 7 7 k N 4 支架高度 1 ． 7 ～3 ． 7 m 5 中心距 1 ． 5 0 m 6 支护强度 0 ． 6 4 7 MP a 7 底 板 比压 1 ． 7 5 MP a 5 5 0 01 4 2 0 长 宽 8 运输尺寸 m m 1 7 0 0 局 4结语 综合考虑坪上煤矿的工作面地质条件， 确定 了 Z Y P 4 0 0 0 1 7 ／ 3 7型支撑掩护式液压支架是适 应 3号 煤层分层综 采 的最优 架 型 ， 确 定 了支 架 的 支护 强度 为 0 ． 6 M P a ， 能够 满足矿井的生产需要 。同时 ， 该架型 还兼顾了下分层综采开采的需要， 减少了投资、 提高 了设备利用率， 方便了设备管理及备件组织。 【 参考文献】 [ 1 ] 宋 日彪， 牛玉 生．液压 支架选型研 究的现 状 、 发展趋 势及应用[ J ] ．煤炭科技 ， 2 0 1 1 4 ． [ 2 ] 赵明．麻家梁煤矿放顶煤工作面液压支架选型[ J ] ． 煤矿开采 ， 2 0 1 1 ， 1 6 4 ． [ 3 ] 任彦荣， 靳永清．韩家湾煤矿 1 2煤层液压支架选 型[ J ] ．煤矿 开采 ， 2 0 0 9 ， 1 4 4 ． [ 4 ] 吴燕飞， 侍大军．浅埋深煤层大采高工作面液压支架 选型及应用研究[ J ] ．山东煤炭科技， 2 0 1 3 2 ．