厚煤层切顶留巷散体帮挡矸支护技术现场试验研究_李帅.pdf

第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 厚煤层切顶留巷散体帮挡矸支护技术 现场试验研究 李帅 1， 王宏宇2， 魏庆龙2， 侯世林2 （1．郑州煤矿机械集团股份有限公司， 河南 郑州 450000； 2．中国矿业大学 （北京） 深部岩土力学与地下工程国家重点 实验室， 北京 100083） 摘要 为了探究更为有效的散体帮控制方法， 以柠条塔煤矿切顶留巷开采工业性试验为工程 背景， 分别设计了 2 种挡矸支护方案， 并对 2 种方案支护条件下的散体帮移近量及侧向压力进 行了对比分析。结果表明 挡矸支护采用墩式护帮支架比单体斜撑侧向压力小且控制巷旁侧向 移近量效果明显。研究结果为切顶留巷开采过程中的散体帮变形控制提供了一种新的支护思路。 关键词 切顶留巷； 厚煤层； 挡矸支护； 散体帮； 移近量 中图分类号 TD353文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 01-0056-04 Field Test Study on Supporting Technology of Granular Retaining Gangue by Cutting Roof and Retaining Roadway in Thick Coal Seam LI Shuai1, WANG Hongyu2, WEI Qinglong2, HOU Shilin2 （1．Zhengzhou Coal Mining Machinery Group Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China;2．State Key Laboratory for Geo-mechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China） Abstract Based on the industrial test of cutting roof and retaining roadway mining in Ningtiaota Coal Mine, this paper designs two kinds of supporting schemes for retaining gangue, and compares and analyzes the deation amount of bulk body and lateral pressure under the two supporting schemes． The results show that the lateral pressure of the pier support is smaller than that of the single oblique support and the effect of controlling the lateral displacement of the roadway side is obvious． The research results provide a new support idea for the deation control of the loose side in the process of roof-cutting and retaining roadway mining． Key words cutting roof and retaining roadway; thick coal seam; retaining gangue support; granular; deation amount 沿空留巷是无煤柱开采技术的重要发展方向之 一[1]。沿空留巷是通过巷内支护和巷旁支护， 将巷道 保留下来， 其优点有取消区段煤柱， 减少资源浪费、 缓解采掘接续紧张、 实现工作面 Y 型通风， 避免工 作面上隅角瓦斯积聚的发生[2-3]。但是， 巷道经历掘 进及 2 次采动影响[4]， 存在顶板变形大， 矿压显现强 烈、维护效果差等一系列问题，这严重制约了沿空 留巷技术的发展。针对沿空留巷所存在的不足， 我 国学者在沿空留巷围岩控制方面做了大量的研究。 姜鹏飞等[5]通过有限差分软件 FLAC3D对不同工作面 沿空留巷回采过程中， 围岩、 充填墙体及煤柱中的应 力、 变形分布特征进行了研究， 并提出合理的控制措 施。柏建彪等[6]介绍了巷旁支护技术的发展历程， 提 出沿空留巷采用膏体材料进行巷旁充填及膏体材料 巷旁支护体主要参数的确定方法。华心祝等[7]提出 对沿空留巷要保留的巷道，应该从巷道掘进到留巷 及下个工作面回采期过程的支护设计与施工均应统 筹考虑。谭云亮等[8]提出了沿空巷旁支护适应性原 理， 建立了 “柔-强” 组合巷旁支护力学结构模型， 得 出了定量确定“柔-强”巷旁支护体分层厚度的方 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．013 李帅， 王宏宇， 魏庆龙， 等．厚煤层切顶留巷散体帮挡矸支护技术现场试验研究 ［J］ ．煤矿安 全， 2020， 51 （1 ） 56-59． LI Shuai, WANG Hongyu, WEI Qinglong, et al． Field Test Study on Supporting Technology of Granular Re－ taining Gangue by Cutting Roof and Retaining Roadway in Thick Coal Seam ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （1） 56-59． 移动扫码阅读 56 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 图 3单体挡矸支护示意 Fig．3Single pillar retaining support 法。 切顶留巷是 1 种新型的煤炭开采技术[9]。 巷道开 挖及切顶作业破坏了巷道周围岩体中原始地应力的 平衡状态，围岩应力重新分布，并伴随着围岩的变 形与破坏[10]。 采用切顶留巷技术后， 巷旁由实体煤变 为松散矸石，围岩会发生变形以寻求稳定，而传统 锚杆支护在切顶留巷形成的散体帮中不能发挥锚固 作用。 切顶留巷巷旁常采用单体支柱、 U 型钢和钢丝 网联合挡矸，而现有围岩控制研究多针对巷旁充填 式沿空留巷[11-12]， 对切顶留巷散体帮控制技术缺乏 进一步探究[13]。因此， 对比分析了 2 种挡矸支护技 术， 研究结果可为切顶留巷挡矸支护提供借鉴。 1工程概况 切顶留巷开采位于柠条塔矿 S1201 工作面， 所 采煤层为 2-2 煤。所采煤层属于侏罗系中统延安 组， 厚度 3．85～4．11 m， 倾角 0～2， 埋深 80～160 m。 工作面走向长 3 010．3 m， 倾斜长 295 m， 采用一次 采全高、 走向长壁后退式、 综合机械化采煤， 全部垮 落法管理顶板。 切顶留巷工作面及巷道布置如图 1。 无煤柱自成巷开采工作面位于柠条塔煤矿 S1201-II 工作面，所采煤层为 2-2 煤工作面倾向长 度 280 m， 走向长度 2 344 m， 可采储量 336．7 万 t， 煤层厚度 3．81～4．35 m， 煤层平均厚度 4．11 m， 埋藏 深度 90～165 m， 煤层赋存稳定， 煤层倾角近水平。 2散体帮挡矸支护技术 切顶留巷开采利用恒阻大变形锚索对巷道顶板 进行加固，支护完成后超前工作面沿工作面方向通 过双向聚能爆破技术对采空区侧顶板完成预裂切 缝， 切断部分顶板的矿山压力， 利用采空区顶板自重 及岩层压力， 实现自动成巷和无煤柱开采[14]。 随着工 作面推进，要进行临时加强支护，并进行临时密集 挡矸支护。 挡矸施工过程中先用 14＃铁丝网将钢筋网和顶 网连接， 网片尺寸 3．8 m1．1 m， 网格尺寸 80 mm 80 mm， 在钢筋网外围架设 U 型钢， 挡矸支护侧视图 如图 2。 U 型钢通过卡揽连接 2 节 U 型钢， 在一定大小 轴向荷载作用下可发生相对滑移，从而起到让压作 用， 并抵抗一定大小的侧向压力。 单体液压支柱和 U 型钢是抗弯性能较好的挡矸材料， 挡矸效果较好， 挡 矸设备损坏情况两者相差不大[15]。而单体支柱成本 高， 且弯曲后容易报废， 因此可以采用 U 型钢进行 挡矸作业。同时，根据支护效果，适当调整支护间 距， 不仅经济而且支护效果满足要求。 3散体帮支护方案设计 为抵抗采空区顶板垮落前对巷道产生较大的压 力， 以及采空区矸石垮落过程中产生的较大动压， 根 据现场情况， 提出 2 种挡矸支护方案。 1） 方案 1。 单体斜撑U 型钢金属网， 通过斜撑 单体对采空区矸石产生侧向推力， 实现挡矸作用， 单 体挡矸支护示意如图 3。单体斜撑会提供很大的抵 抗变形的力， 防止巷帮鼓出， 因此对于大采高， 采用 单体斜撑是 1 种有效的防止帮鼓的方法。在 S1201 工作面切顶留巷开采中进行试验。 2） 方案 2。 墩式护帮支架U 型钢金属网， 墩式 图 1试验工作面巷道平面布置图 Fig．1Layout of roadway in test face 图 2挡矸支护侧视图 Fig．2Side view of gangue retaining support 57 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 图 4墩式支架挡矸支护示意 Fig. 4Diagram of support of pier support for refuse retaining 支架挡矸支护示意如图 4。该墩式护帮支架既能在 竖直方向支撑巷道顶板，又能在水平方向承受矸石 侧向压力。墩式护帮支架单架最大竖向支撑力 4 000 kN， 由立柱提供切顶力， 由顶梁和底座内部的侧 推千斤顶提供护帮力。在 S1201-II 工作面无煤柱自 成巷开采中应用。 4试验结果分析 通过对2 种挡矸支护方案的现场试验，从巷旁 侧向移近量、巷旁侧向压力角度对比分析挡矸支护 方式的应用效果。 4.1侧向变形对比 分别在切顶留巷及无煤柱自成巷试验段对留巷 段不同位置布设监测点，选取切顶留巷、无煤柱自 成巷距离开切眼 90 m 处切缝侧向移近量进行分 析， 侧向移近量随工作面推进变化曲线如图 5。 由图 5 可知， 切顶留巷挡矸支护为单体斜撑U 型钢金属网，距离工作面 140 m 左右位置有侧向 移近量最大值 150 mm， 侧向移近量趋于稳定， 则散 体帮处于稳定状态。无煤柱自成巷挡矸支护为墩式 护帮支架U 型钢金属网，侧向移近量变化不明 显， 最大移近量值为 20 mm。可以看出， 采用墩式护 帮支架挡矸比使用单体挡矸支护在控制巷旁侧向位 移方面效果明显。 4.2挡矸装备侧向受力对比 切顶留巷巷道采空区侧布设侧向压力监测点， 压力计安装时通过锚索托盘、金属网与采空区矸石 接触，选取距开始留巷位置 80 m 的 2测站进行侧 向压力分析。同样地，在无煤柱自成巷试验段碎石 帮侧布置侧向压力传感器进行监测，选取距开切眼 90 m 的 N4 测站顶底板移近量进行分析。侧向压力 随工作面推进变化曲线如图 6。 由无煤柱自成巷散体帮 N4 测站侧向压力监测 结果可以看出，前 60 m 范围内，由于距工作面较 近， 受采动影响大， 采空区顶板发生垮落， 散体帮侧 向压力急剧上升， 之后增长缓慢， 在滞后工作面 150 m 左右，采空区矸石在上覆岩层的压力作用下逐渐 被压实，侧向压力趋于稳定。在距工作面 150 m 以 后，采空区垮落矸石基本压实并形成新的稳定结 构， 使得碎石帮受力达到平衡。 切顶留巷侧向压力变化规律与前者相似，但是 其侧向压力均大于墩式护帮支架压力， 可以看出， 墩 式护帮支架支护比单体支护更能够抵抗采空区顶板 垮落对巷道产生的压力和矸石垮落过程中产生动压。 5结论 1） 针对散体帮特性， 设计了 2 种挡矸支护方案， 即 “单体斜撑U 型钢金属网” 、“墩式护帮支架可 伸缩 U 型钢金属网” ， 并开展了现场试验。 2） 通过对挡矸装置侧向压力及侧向移近量分 析， 得出墩式支架是 1 种有效的散体帮支护方式， 能 图 5侧向移近量随工作面推进变化曲线 Fig.5Curves of lateral approximation variation with working face advancing 图 6侧向压力随工作面推进变化曲线 Fig.6Lateral pressure variation curves with working face advancing 58 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 够防止散体帮在未压实状态向巷道鼓出，控制巷旁 侧向移近量。 参考文献 ［1］ 陈勇， 柏建彪， 王襄禹， 等．沿空留巷巷内支护技术研 究与应用 ［J］ ．煤炭学报， 2012， 37 （6） 903－910． ［2］ 华心祝．我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议 ［J］ ．煤炭科学技术， 2006， 34 （12） 78－81． ［3］ 宁建国， 马鹏飞， 刘学生， 等．坚硬顶板沿空留巷巷旁 “让－抗” 支护机理 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2013 （3） 369－374． ［4］ 高玉兵， 郭志飚， 杨军， 等．沿空切顶巷道围岩结构稳 态分析及恒压让位协调控制 ［J］ ．煤炭学报， 2017， 42 （7） 1672－1681． ［5］ 姜鹏飞， 张剑， 胡滨．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. ［6］ 柏建彪， 周华强， 侯朝炯， 等．沿空留巷巷旁支护技术 的发展 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2004， 33 （2） 59－62． ［7］ 华心祝， 赵少华， 朱昊， 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