大采高工作面切顶卸压沿空留墙技术可行性研究_申浩.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 大采高工作面切顶卸压沿空留墙技术 可行性研究 申浩， 张百胜， 贺新 （太原理工大学 矿业工程学院， 山西 太原 030024） 摘要 为解决大采高工作面沿空留墙混凝土墙体承载大导致墙体大量变形的问题， 针对王庄 煤业沿空留墙现场条件， 对沿空留墙混凝土承载结构进行了确定， 计算了混凝土墙体承受载荷 与其最大承载能力， 提出了采用切顶卸压技术减弱墙体承受载荷。通过数值模拟分析得出采用 切顶措施后， 可以有效减小工作面侧向支承应力峰值， 减小混凝土墙体承受的载荷， 降低回采巷 道煤帮侧应力集中现象， 达到卸压的效果。以数值模拟结果为基础确定采用爆破切顶技术， 切顶 高度为 15 m， 并对爆破方案进行了设计。现场实践结果表明， 该爆破切顶方案成功起到了卸压 护巷的作用。 关键词 沿空留墙； 侧向支承压力； 侧向悬臂结构； 墙体载荷； 切顶卸压 中图分类号 TD322．2文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 01-0069-06 Feasibility Study on Roof Cutting and Pressure Relief Technology of Gob-side Wall Retaining in Large Mining Height Working Face SHEN Hao, ZHANG Baisheng, HE Xin （College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China） Abstract To solve the problem of large deation of concrete wall caused by large bearing capacity of gob-side wall retaining in large mining height working face, the concrete bearing structure of gob -side brick retaining was determined for the site conditions of Wangzhuang Coal Industry． We calculated the load-bearing capacity of concrete wall and its maximum load-bearing capacity, and proposed roof cutting and pressure relief technology to reduce the load on the wall． Through numerical simulation, it is concluded that the peak stress of lateral support of the working face can be effectively reduced, the load on the concrete wall can be reduced, the stress concentration on the coal side of the mining roadway can be reduced, and the pressure can be relieved． Based on the numerical simulation results, the blasting top cutting technology was determined to be adopted, and the height of the roof cutting was 15 m, and the blasting scheme was designed． The practical results show that the blasting roof cutting scheme has successfully played the role of pressure relief and roadway protection． Key words gob-side wall retaining; lateral abutment pressure; lateral cantilever structure; wall load; roof cutting and pressure relief 随着煤矿机械化水平的提高， 大采高、 综合机械 化放顶煤开采方式已取代传统的炮采、 普采， 成为煤 矿主流开采技术，极大的提升了煤矿生产效率。一 般在井下开采中，通常在综采工作面之间留设区段 保护煤柱来保证工作面开采的安全性，但也因此导 致了煤炭回收率低、 资源浪费等问题[1]。为减少煤炭 资源浪费， 提高煤炭资源回收效率， 近几年来无煤柱 开采逐渐普及。无煤柱开采主要包括沿空留巷以及 沿空掘巷 2 种开采方法。国内许多专家对无煤柱开 采进行了大量研究， 在围岩变形特征[2-3]、 顶板运移 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．016 申浩， 张百胜， 贺新．大采高工作面切顶卸压沿空留墙技术可行性研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （1） 69-74． SHEN Hao, ZHANG Baisheng, HE Xin．Feasibility Study on Roof Cutting and Pressure Relief Technology of Gob-side Wall Retaining in Large Mining Height Working Face ［J］ ． Safety in Coal Mines， 2020， 51 （1 ） 69-74．移动扫码阅读 69 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 规律[4-5]、 巷旁充填技术[6-7]、 巷道支护技术[8-10]等方 面，获得了许多卓越的成果。沿空留巷通过保留原 有巷道作为下一工作面回采巷道的方法实现无煤柱 开采， 可解决工作面采掘接替紧张、 实现 Y 型通风、 减少巷道掘进工程量、解决瓦斯积聚等问题。但在 现场工程实践时发现，原有巷道在经历本工作面以 及下工作面回采影响后，出现围岩变形大、巷道破 坏严重、 维护困难等问题[11]。 近几年来， 一些专家提出了沿空留墙开采技术， 沿空留墙作为无煤柱开采技术中的 1 种，通过在超 前工作面巷道侧帮进行扩帮，浇筑混凝土墙体， 等 本工作面回采完毕，同时工作面顶板结构稳定后， 掘进下一工作面回采巷道，以混凝土墙体作为新巷 道侧帮， 实现煤柱资源回收[12]。 但随着工作面采高的 增大，煤层顶板对混凝土墙体的载荷不断增大， 造 成混凝土墙体变形较大，巷道稳定性差等问题， 如 何降低混凝土墙体承受载荷，是实现沿空留墙无煤 柱开采的关键。为此以王庄煤业大采高工作面为研 究背景，对大采高工作面沿空留墙切顶卸压技术可 行性进行了研究，从而为沿空留墙无煤柱开采提供 理论与技术经验。 1工程背景 山西长治三元王庄煤业主采煤层 3＃煤层， 煤层 厚度为 4．2～5．5 m， 平均为 5 m， 煤层倾角为 2～4， 属于近水平煤层。3503 与 3505 工作面均归属于 35 采区，工作面采用大采高一次采全高开采方式， 采 用垮落法处理采空区顶板，工作面推进长度为 1 200 m， 倾向长度 300 m， 工作面北面为 3502 采空区， 南 面为 3505 工作面 （未采） ， 西为 35 采区运输巷。 根据 3503 工作面顶板窥视结果以及地质资料， 得到的工 作面顶板柱状图如图 1。 2沿空留墙技术原理与墙体载荷机理分析 2．1沿空留墙技术原理分析 3503 工作面沿空留墙技术原理如图 2。3503 工 作面推进过程中，在超前工作面运输巷的外帮进行 扩帮， 在扩帮空间内构筑混凝土墙体， 当 3503 工作 面回采完毕，同时等待顶板岩层结构稳定后，掘进 3505 工作面回风巷， 新巷道以混凝土墙体作为侧帮。 3503 工作面沿空留墙混凝土墙体厚度设计为 2 m， 采用 C30 混凝土， 混凝土墙体承载能力 N 计算公 式为 N＝φ fcc（1） 式中 N 为混凝土的承载能力， MPa； φ 为混凝土 墙体的稳定性系数， 取 0．93； fcc为混凝土强度设计抗 压强度， 采用的混凝土规格为 C30， 其设计抗压强度 为 12．3 MPa。 经计算， 3503 工作面沿空留墙混凝土墙体承载 能力为 12．3 MPa。 2．2沿空留墙墙体承载机理分析 工作面在正常推进过程中，顶板岩层会随着工 作面的推进距离增大而发生断裂，其中直接顶随着 工作面的前移发生垮落充填采空区，而基本顶由于 其厚度与硬度等特征， 发生断裂回转， 形成悬臂梁， 若将其简化为平面问题， 在工作面倾斜方向， 基本顶 会形成采空区侧向悬臂结构，采空区侧向悬臂结构 如图 3。侧向顶板压力力学模型如图 4。 下工作面回采巷道掘进后，混凝土墙体承受载 荷主要受到工作面上覆岩层裂隙带的高度和结构有 关，载荷大小为裂隙带发育高度范围内的断裂岩层 从巷道断面中线至采空区范围内的质量[13]， 计算公 图 1工作面顶板柱状图 Fig．1Top plate histogram of working face 图 2沿空留墙原理图 Fig．2Principle diagram of retaining wall along empty space 70 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 图 3采空区侧向悬臂结构 Fig．3Lateral cantilever structure of goaf 图 4侧向顶板压力力学模型 Fig．4Lateral roof pressure mechanics model 式为 Q＝ A 2 B h tanθ 2 （）ρgθ B （1） 式中 Q 为混凝土墙体承受载荷， MPa； A 为下 工作面新掘回采巷道宽度， m； B 为混凝土墙体宽 度， m； h 为导水断裂带高度， m； ρ 为工作面上覆岩层 平均密度， 取为 2．5 t/m3； θ 为断裂带岩层断裂角， 取 为 20。 工作面导水断裂带高度主要由上覆岩层强度决 定， 根据 3503 工作面顶板岩层分布状况， 其属于中 硬岩层， 因此导水断裂带计算公式为 h＝ 100M 1．6M3．6 5．6（2） 式中 M 为工作面采高， m。 3503 工作面混凝土墙体宽度为 2 m，下工作面 掘进宽度为 5．5 m， 工作面采高为 5 m， 经计算 3503 工作面导水断裂带高度为 37．5～48．7 m， 按照 48．7 m 计算， 混凝土墙体承受载荷为 13．7 MPa。 对比 3503 工作面混凝土墙体最大承受能力， 其 小于墙体承受的载荷。根据现场在沿空留墙前半段 施工的过程中发现， 随着 3503 工作面的推进， 混凝 土墙体局部出现较大变形，这是由于采高增大导致 混凝土墙承受载荷增加，由于工作面采用大采高开 采方式， 采高的增大导致墙体承受载荷的增加， 超出 了墙体的承载能力， 导致其变形量增大。为减小混凝 土墙体承受载荷，提出采用切顶卸压技术措施对混 凝土墙体承载进行减弱， 保证混凝土墙体稳定性。 3切顶卸压数值模拟试验 3．1数值模型建立 通过理论研究可知，沿空留墙混凝土墙体承受 载荷超出了其承载能力，为减小混凝土墙体承受载 荷， 提出了切顶卸压技术， 因此采用 FLAC3D数值模 拟分析方法，对比不切顶和切顶 2 种条件下沿空留 墙混凝土墙体的应力分布规律，从而验证切顶卸压 沿空留墙技术的可行性。 以 3503 大采高工作面地质条件为基础， 根据顶 底板各岩层分布情况， 建立数值模拟模型。模型中， 混凝土墙体宽高为 2 m5 m，新掘的 3505 回风巷 宽高为 5．5 m5．0 m， 模拟 3503 工作面采空区宽度 为 15 m， 实体煤宽度为 33 m， 模型大小长高为 45 m40 m。模型四周与底面设置为固定边界， 顶部设 置为应力边界，通过施加应力代替顶部岩层载荷， 顶部施加应力大小为 6．76 MPa， 模型水平应力与垂 直应力比值为 1．2∶1。不切顶和切顶条件下 3503 工 作面回采后和 3505 回风巷掘进后数值模拟力学模 型如图 5 和图 6。 3．2切顶卸压数值模拟分析 3．2．13503 工作面回采巷道掘进前垂直应力分析 不切顶和切顶条件下 3503 工作面回采后沿空 留墙墙体周围的垂直应力分布云图如图 7 和图 8。 从图中可以看出， 采空区顶板不切顶时， 在工作面侧 向形成应力集中现象，应力峰值大小为 13．1 MPa， 峰值位置距离工作面 1．8 m，由于混凝土墙体长度 为 2 m， 其成为侧向支承压力的主要承载体， 这是因 为工作面在回采过程中顶板出现断裂垮落，而在采 空区边缘留有一定长度的悬顶，顶板回转下沉对混 凝土墙体形成载荷。采用切顶处理后，混凝土墙体 承受的垂直应力降低， 为 10．2 MPa， 应力大小降低 了 22．14。 不切顶和切顶 2 种条件下采空区侧向支承应力 分布曲线图如图 9。由图 9 可知， 在不切顶条件下， 3503 工作面侧向支承压力影响范围约为 14 m， 应力 峰值为 13．1 MPa， 峰值位置距离工作面 1．8 m， 若将 新掘巷道布置在该范围内，则混凝土墙体与新掘巷 道均处于高应力区， 易出现混凝土墙体破坏变形、 巷 71 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 图 6不切顶和切顶条件下 3505 回风巷掘进后数值模拟力学模型 Fig．6Mechanical model for numerical simulation of 3505 return air roadway after excavation under conditions of no roof cutting and roof cutting 图 7不切顶时混凝土墙体的垂直应力云图 Fig．7Vertical stress nephogram of concrete wall without roof cutting 图 8切顶后混凝土墙体的垂直应力云图 Fig．8Vertical stress nephogram of concrete wall after roof cutting 道变形严重的情况。采用切顶处理后， 3503 工作面 侧向支承应力有所降低，应力峰值大小为 10．1 MPa， 峰值位置距离工作面 1．5 m， 在距离采空区边 缘 2～10 m 范围内应力大小均低于 8 MPa， 属于低应 力区， 若将新掘巷道布置在该范围内， 巷道整体受力 较小， 便于维护。 3．2．23503 工作面回采巷道掘进后垂直应力分析 不切顶和切顶条件下 3505 工作面回采巷道掘 图 5不切顶和切顶条件下 3503 工作面回采后数值模拟力学模型 Fig．5Mechanical model of numerical simulation after mining in 3503 working face without roof cutting and under roof cutting conditions 72 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 图 9不切顶和切顶条件下侧向支承应力分布图 Fig．9Distribution of lateral supporting stress without cutting top and cutting top 进后垂直应力分布云图如图 10 和图 11。由图分析 可知，不切顶处理时混凝土墙体的垂直应力峰值为 9．4 MPa， 巷道煤帮侧内部出现应力集中现象， 应力 峰值大小为 11．8 MPa， 峰值位置在煤体内 6．8 m 处。 采用切顶处理后巷道煤帮侧应力集中现象有所减 弱， 应力峰值降低为 8．3 MPa， 峰值位置向深部转移 至煤体内 7．3 m 处，混凝土墙体的垂直应力明显降 低， 最大为 8．3 MPa。说明 3503 工作面采用切顶处 理后， 有效降低了 3505 回采巷道周围应力大小。 综合上述数值模拟分析结果得出，在采用切顶 措施后，可以有效减小工作面侧向支承应力峰值， 减小沿空留强混凝土墙体承受载荷，在下工作面回 采巷道掘进后，可降低回采巷道煤帮侧应力集中现 象， 因此切顶措施能够实现卸压的效果。 4现场实践 4．1切顶卸压方案设计 由上文研究可知，采用切顶方案可对沿空留墙 混凝土墙体起到卸压作用，常用的切顶卸压技术主 要包括顶板深孔爆破、岩石定向水力压裂等，结合 王庄煤业 3503 沿空留墙现场条件， 确定采用深孔爆 破切顶卸压方案。工作面切顶高度计算公式为 H＝ M Kp-1 （2） 式中 H 为充分填充采空区所需的最小放顶高 度， m； M 为煤层采高， 取为 5 m； Kp为顶板岩层碎胀 系数， 取 1．25～1．35。 经计算得 H＝14．3～20 m。 结合 3503 工作面顶板 岩层岩性分布特点， 可确定切顶高度为 15 m。 爆破方案 沿 3503 工作面运输巷每 4 m 布置 1 组炮孔， 每 3 个炮孔为 1 组， 每组内炮孔间距 2 m。 炮孔沿运输巷外帮 （混凝土墙） 0．5 m 处顶板布置 （考虑顶板锚杆、锚索位置，可在0．2 m 范围内调 整） ， 炮孔轴线方向与运输巷方向平行， 仰角为 65 （炮孔与顶板之间的夹角，指向工作面采空区方 向） ， 炮孔长为 17．6 m， 炮孔直径 75 mm。 4．2切顶卸压效果分析 在采用爆破切顶技术方案后， 3503 运输巷采空 区侧向顶板随采随垮， 切顶效果良好。3505 工作面 回风巷掘进过程中， 顶板未出现破碎情况， 混凝土墙 体完整性较好，表明该切顶卸压方案成功起到卸压 护巷的作用。 5结论 1） 通过理论分析对沿空留墙混凝土承载结构进 行了确定，对混凝土墙体载荷与其最大承载能力进 行了计算对比，提出了采用切顶卸压技术减弱墙体 承受载荷。 2） 通过数值模拟分析了在不切顶和切顶条件下， 下工作面回采巷道掘进前后的应力分布情况，结果 表明采用切顶措施后， 可以有效减小工作面侧向支承 应力峰值， 减小沿空留强混凝土墙体承受载荷， 降低 回采巷道煤帮侧应力集中现象， 达到卸压的效果。 3） 确定采用深孔爆破切顶卸压方案， 切顶高度 为 15 m， 并对爆破方案进行了设计。现场实践效果 表明， 该切顶技术方案成功起到了卸压护巷的作用。 图 10不切顶条件下回采巷到掘进后垂直应力云图 Fig．10Vertical stress nephogram from mining roadway to excavation without roof cutting 图 11切顶条件下回采巷到掘进后垂直应力云图 Fig．11Vertical stress nephogram from mining roadway to excavation under cutting roof condition 73 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 参考文献 ［1］ 韩可琦， 王玉浚．中国能源消费的发展趋势与前景展 望 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2004， 33 （1） 1－5． ［2］ 姜鹏飞， 张剑， 胡滨， 等．沿空留巷围岩受力变形特征 及支护对策 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2016， 33 （1） 56－62． ［3］ 李迎富， 华心祝．沿空留巷围岩结构稳定性力学分析 ［J］ ．煤炭学报， 2017， 42 （9） 2262－2269． ［4］ 杨朋， 华心祝， 杨科， 等．深井复合顶板条件下沿空留 巷顶板变形特征试验及控制对策 ［J］ ．采矿与安全工 程学报， 2017， 34 （6） 1067－1074． ［5］ 高喜才， 伍永平， 曹沛沛， 等．大倾角煤层变角度综放 工作面开采覆岩运移规律 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2016， 33 （3） 381-386． ［6］ 唐建新， 胡海，涂兴东， 等．普通混凝土巷旁充填沿空 留巷试验 ［J］ ．煤炭学报， 2010， 35 （9） 1425－1429． ［7］ 杨敬轩， 刘长友， 杨培举， 等．急倾斜煤层工作面下端 头区巷旁充填技术研究 ［J］ ．岩土力学， 2014 （2） 543． ［8］ 左建平， 文金浩， 胡顺银， 等．深部煤矿巷道等强梁支 护理论模型及模拟研究 ［J］ ．煤炭学报， 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