无煤柱自成巷采空区顶板碎胀系数测定方法_杨军.pdf

第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 切顶卸压自动成巷是 1 种新型的无煤柱开采工 艺，通过超前工作面在巷道帮顶实施预裂切缝， 利 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51674265） 无煤柱自成巷采空区顶板碎胀系数测定方法 杨军 1， 张家宾1， 2， 周 帅 3， 马新根1， 2， 王亚军1， 侯世林1， 2 （1．深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083； 2．中国矿业大学 （北京） 力学与建筑工程学院， 北京 100083； 3．内蒙古伊泰宝山煤炭有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000） 摘要 以宝山煤矿 6302 工作面垮落细砂岩顶板碎石帮为研究对象， 对岩石碎胀系数的现场实 测方法及其对巷道顶板变形的影响展开研究； 通过分析碎胀系数的机理， 结合工程实际， 建立了 自然标定准线法测量碎胀系数模型， 确定了碎胀系数现场实测的方法。现场实测结果表明 采空 区顶板垮落后至压实稳定经历 3 个阶段，快速压实阶段碎胀系数由 1．83～1．88 迅速降至 1．37～ 1．42， 初步稳定阶段碎胀系数变化速度减缓， 为 1．35～1．39， 在缓慢压实阶段， 碎胀系数变化值≤ 0．01； 巷道围岩变形规律与采空区矸石碎胀系数变化规律呈现一定相关性， 同样存在 3 个区段， 最终巷道顶底板的移近量为 296 mm， 两帮移近量为 135 mm； 根据采空区矸石碎胀系数和巷道 围岩变形规律， 切顶卸压自动成巷期间需要进行巷内临时补强支护， 且支护距离≥120 m。 关键词 无煤柱自成巷； 碎胀系数； 垮落矸石； 围岩变形； 巷道支护 中图分类号 TD327.2文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 04-0142-05 for Determination of Mined-out Roof Expansion Coefficient of Self-ed Roadway Without Pillar YANG Jun1, ZHANG Jiabin1,2, ZHOU Shuai3, MA Xingen1,2, WANG Yajun1, HOU Shilin1,2 （1.State Key Laboratory of Geomechanics 2.School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining 3.Baoshan Coal Company, Yitai Coal Mine Group, Ordos 017000, China） Abstract With the background of gangue rib ed by fine sandstone roof of 6302 working face in Baoshan Coal Mine, the field measurement of bulking coefficient and its influence on roof deation of roadway are studied. By analyzing the mechanism of bulking coefficient and combining with engineering practice, the model of measuring bulking coefficient by natural calibration alignment is established and the of measuring broken expand coefficient in field is confirmed. And the field measurement shows that there are three stages of roof from collapse to compaction in goaf the bulking coefficient decreases from 1.83-1.88 to 1.37-1.42 in rapid compaction stage; and in the initial stable stage, which slows down to 1.35 to 1.39. Then in the stage of slow compaction, and the change value of coefficient of fragmentation and expansion is less than or equal to 0.01. Furthermore, there is a certain correlation between the deation law of roadway surrounding rock and the variation law of gangue bulking coefficient in goaf, which also has three sections, and the final movement amount of roadway roof and floor is 296 mm and 135 mm respectively. According to the gangue bulking coefficient in goaf and the surrounding rock deation law of roadway, temporary reinforcement support is needed in the roadway during the gob-side entry retaining, and the supporting distance shall be at least 120 m. Key words mining without pillar and roadway ed automatically; bulking coefficient; fallen gangue; surrounding rock dea- tion; roadway support DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.031 杨军， 张家宾， 周帅， 等．无煤柱自成巷采空区顶板碎胀系数测定方法 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 142-146. YANG Jun, ZHANG Jiabin, ZHOU Shuai, et al. for Determination of Mined-out Roof Expansion Co- efficient of Self-ed Roadway Without Pillar ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 142-146.移动扫码阅读 142 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 顶底板名称岩层平均厚度/m特征描述 基本顶砂质泥岩23.2棱角状断口， 具水平层理 直接顶细粒砂岩3.78灰色厚层状， 具水平层理 6煤煤层1.56暗煤为主， 赋存稳定 直接底砂质泥岩3.00薄层状， 具水平层理 图 1宝山煤矿切顶卸压自动成巷试验巷道平面位置图 Fig.1Plane position diagram of roadway for automatic roadway ation test of top cutting and pressure relief in Baoshan Coal Mine 表 1顶底板岩性 Table 1Top and bottom lithology 用岩石自重和矿山压力，切落采空区顶板并形成矸 石墙体，充填密实后形成稳定的巷旁支护结构。这 种技术切断了采空区顶板与巷道顶板之间的应力传 递， 促使巷道顶板形成 “短臂梁” 结构， 同时， 有利于 采空区侧顶板垮落，加速采空区垮落矸石接顶， 从 而达到了卸压的目的[1-4]。由于该项技术利用自然垮 落的矸石作为补充巷旁支护，矸石墙体不同于完整 结构的围岩体，岩石的碎胀特性严重影响该结构的 稳定性。因此，研究岩石碎胀系数对于切顶卸压自 动成巷无煤柱开采技术的成败具有重要的意义。 目前，国内外的研究学者对于岩石碎胀系数展 开了大量的研究。廖协兴[5]通过岩石松散-压实试 验， 对比分析了兖州矿区煤、 砂岩、 石灰岩的碎胀特 性和压实特性。张俊英[6]等通过对不同状态下破碎 岩石的压实试验， 研究分析了碎胀系数、 孔隙率、 压 应变、 割线模量等与轴压的关系。余一松[7]通过室内 物理实验，研究分析了碎胀系数与深孔爆破补偿空 间的关系，为现场深孔爆破设计提供理论依据。汪 北方[8]等通过相似材料模拟和岩石压实试验， 研究 分析了采空区垮落岩体应力与碎胀系数分布规律之 间的关系，认为采空区垮落岩体应力与碎胀系数呈 现负对数关系，为煤矿地下水库储水量和地表沉降 量提供了理论依据。梁冰[9]等运用数学方法， 根据采 空区垮落岩体应力的分区特性将采空区划分为松散 堆积区、堆荷影响区和压实稳定区，并建立了采空 区垮落岩体碎胀系数与煤壁位置的数学模型，成功 计算了采空区垮落岩体空隙储水体积。 在采煤工作中，岩石的碎胀特性对采空区充填 开采[10]、 上覆顶板运移规律[11-12]工作面及巷道顶板管 理[13]、 瓦斯抽放[14]等方面的研究都有着重要的意义。 特别的，在对工作面煤巷进行切顶卸压自动成巷 时，垮落矸石的碎胀特性是切顶参数的计算以及矸 石墙体稳定性控制的关键。为此通过理论分析、 现 场实测研究方法，对碎石帮细粒砂岩碎胀特性进行 研究，为切顶卸压自动成巷围岩稳定性控制提供基 础理论依据。 1切顶卸压无煤柱自成巷技术 1.1留巷概况 试验工作面为宝山煤矿 6302 工作面， 主采煤层 为 6煤层， 煤层厚度 1.5～1.6 m,倾角 1～3， 埋深 53.5～73.7 m。工作面走向长度 890 m，倾向长度 200 m， 采用一次采全高、 长壁式综合机械化采煤， 全部垮落法管理顶板。 相邻工作面为 6301 工作面和 6303 工作面， 目前 6301 工作面已经全部开采， 试验 巷道为 6302 主运煤巷， 工作面布置及留巷方式如图 1。根据工作面附近钻孔实测， 得到的试验工作面巷 道顶底板的岩性特征见表 1。 1.2技术原理 切顶卸压自动成巷不同于传统长壁开采工艺， 其通过超前工作面预裂切缝切断巷道顶板与采空区 顶板的应力传递路径， 顶板结构连接状态发生改变， 使巷道顶板在恒阻大变形锚索主动支护下形成更加 稳定的短臂梁结构。而采空区顶板在矿山压力和自 重的作用下发生垮落，并碎胀形成矸石墙体与恒阻 大变形锚索组成耦合支护体系。由于切顶后采空区 顶板的围岩应力得到一定程度的释放，有效改善了 巷道围岩的应力环境，在耦合支护体系作用下回采 巷道得到有效维护， 供下一个工作面使用， 从而减少 了护巷煤柱， 节省了煤炭资源。由上述原理可知， 采 空区矸石的碎胀特性不仅关系到采空区的充填效 果，对巷道的稳定也有重要影响。切顶卸压自动成 巷技术原理如图 2。 2岩石碎胀系数测量方法 2.1碎胀系数的机理 初 （原） 始碎胀系数 K0是指发生垮落膨胀的矸 143 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 石体积与垮落破碎前原岩体积之比； 残余 （稳定） 碎 胀系数 Ks是指采空区垮落充填密实后矸石剩余体 积与原岩体积的比。 垮落矸石的初始碎胀系数是切顶高度计算和设 计的关键参数， 切顶高度 Hq是指钻孔底部到孔口的 垂直距离，其与切缝钻孔深度 Hf的关系是 HqHf cosα （α 为切缝角度） ， 为保证切落的矸石能形成稳 定的支护结构，从而限制上覆岩层的回转变形， 切 顶高度在设计过程中要大于顶板的垮落高度。由此 得到预裂切缝钻孔深度的设计公式 Hf≥Hm/ （K0-1） cosα（1） 式中 Hf为预裂切缝钻孔深度， m； Hm为工作面 采高， m； K0为初 （原 ） 始碎胀系数， α 为切缝角度，（ ） 。 由煤层采高、 切缝高度、 顶板下沉量、 底鼓量、 顶 板离层的关系， 得岩石残余 （稳定） 碎胀系数 Ks[15] Ks （HqHm-SL-SG） /Hq（2） 式中 Hq为切缝孔高度， m； SL为基本顶岩梁旋转 下沉量， SLSd-Sl； Sd为顶板下沉量， m； Sl为顶板离层 量， m； SG为底鼓量， m。 2.2自然标定准线法 一般情况下， 岩石碎胀系数 K 是岩石破碎后的 体积 V′与原岩体积 V 之比， 即 KV′/V， 但是， 在实 际工程中， 考虑到采空区垮落顶板的岩石体积 V′、 V 难以精确测定， 因此， 按照简单、 准确、 易操作的原 则将其简化为顶板垮落破碎后高度 h′与破碎前高 度 h 之比， 即 K＝h′/h。结合宝山煤矿实际工程地质 条件， 建立的碎胀系数测量模型如图 3。 根据上述测量模型，针对宝山煤矿 110 工法留 巷段顶板岩性分布情况，确定 110 工法顶板碎胀系 数现场测定方法具体为 1） 利用荧光漆进行测量点位孔洞标记， 标出标 准初始高度 H0以及测量点位置。 2） 移架后， 待采空区初次垮落稳定， 当顶板煤层 垮落且露出成巷侧， 测量垮落粉砂岩初始高度 H1。 3 ） 每 2～4 h 测量测量垮落砂岩高度 （H2， ， Hn） ， 即荧光标记最高位置距离巷道底板最大垂直距离。 4） 当连续 48 h 测量垮落粉砂岩高度变化值小 于 10 mm， 此高度为细砂岩稳定垮落高度 Hs， 计算 实时碎胀系数 Kn。 5）利用公式 KnHn/H0， 计算实时碎胀系数 Kn， 并形成连续曲线。 6） 计算可得该处岩石稳定碎胀系数 KsHs/H0（s max ｛1， ， n｝ ） 。 3工程应用 基于上述 110 工法碎胀系数实测原理和测量方 法，根据宝山煤矿 6302 工作面的岩性分布情况， 超 前工作面利用切缝孔标记测量点位，在工作面回采 图 2切顶卸压自动成巷技术原理 Fig.2Technical principle of automatic roadway ation for cutting top pressure relief 图 3自然标定准线法测定岩石碎胀系数的模型 Fig.3Model of rock fragmentation and expansion coefficient measured by natural calibration alignment 144 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 图 5巷道围岩变形规律 Fig.5Surrounding rock deation law of roadway 完后，根据采空区矸石现场垮落情况对碎胀系数进 行了实测。 3.1碎胀系数规律 根据对各测点处岩石碎胀系数的实时监测与记 录，得出的巷道区段内测点的实测碎胀系数随工作 面推进以及随时间变化的规律曲线如图 4。 由图 4 分析可知各测点的碎胀系数随着时间 的变化逐渐变小，初始碎胀系数从 1.83～1.88 逐渐 变小并稳定在 1.35～1.39 之间， 均值为 1.37； 岩石碎 胀系数在 1～10 d 变化剧烈， 10～20 d 变化减缓并逐 渐趋于稳定， 20 d 后基本稳定。 各测点的碎胀系数随着工作面推进逐渐变小， 初始碎胀系数从 1.83～1.88 减小并稳定于 1.34～1.39 之间， 均值为 1.37； 滞后工作面 6～60 m 测点碎胀系 数变化剧烈，滞后工作面 60～120 m 垮落矸石的碎 胀系数变化缓慢， 滞后工作面距离大于 120 m 后基本 压实稳定， 此阶段垮落矸石的碎胀系数基本不变。 由图 4 可知 6302 工作面顶板细粒砂岩垮落矸 石在压实过程中分为 3 个阶段第 1 阶段为快速压 实阶段， 移架后 0～10 d， 滞后工作面距离 6～60 m， 碎胀系数由 1.83～1.88 变化至 1.37～1.42；第 2 阶段 为缓慢压实阶段， 移架后 10～20 d， 滞后工作面距 离60～120 m，碎胀系数由 1.37～1.42 变化至 1.35～ 1.39； 第 3 阶段为压实稳定阶段， 随着工作面的持续 推进，采空区碎胀矸石在上覆岩层的重力作用下 逐渐充填密实， 此时碎胀系数变化值≤0.01。 3.2巷道围岩变形规律 由于采空区矸石的碎胀特性对巷旁矸石墙体的 稳定性和有效性具有显著影响， 进而影响与恒阻大变 形锚索耦合支护作用下的巷道围岩的稳定性。因此， 在 6302 工作面推进过程中，对巷道围岩的变形情况 进行了适时监测， 得出的巷道表面位移曲线如图 5。 由图 5 分析可知 受超前支撑压力影响， 在距工 作面约 30 m 时， 巷道开始发生变形； 滞后工作面约 0～60 m 范围内， 巷道变形剧烈， 为动压影响区； 60～ 120 m 范围内， 随着采空区侧顶板逐步垮落压实， 巷 道变形趋于平缓动压稳定区；滞后工作面 120 m 后， 采空区矸石垮落密实， 并对上覆岩层提供足够的 支撑反力， 与恒阻大变形锚索形成耦合支护， 巷道变 形稳定， 为变形稳定区。最终， 无煤柱自成巷顶板移 近量为 296 mm， 其中顶板下沉量为 180 mm， 底鼓量 为 116 mm； 两帮缩进量 135 mm， 其中副帮缩量 27 mm， 正帮缩量 108 mm。 图 4、 图 5 对比分析可知， 巷道顶板的变形规律 与采空区矸石的碎胀特性都存在 3 个阶段 1） 第 1 阶段。0～60 m， 由于碎胀矸石未能密实 充填采空区， 耦合支护体系尚未形成， 巷道顶板变形 剧烈，碎胀矸石在上覆岩层的自重和冲击作用下快 速压实。 2） 第 2 阶段。60～120 m， 碎胀矸石已经密实充 图 4岩石碎胀系数监测曲线 Fig.4Rock fragmentation and expansion coefficient monitoring curves 145 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 填采空区，并对巷道顶板产生一定的支护力，耦合 支护体系开始形成，碎胀矸石逐步压实，支护强度 逐步增加， 巷道围岩变形趋缓。 3） 第 3 阶段。 120 m 以后， 耦合支护体系构建形 成， 碎胀矸石基本压实稳定， 巷道围岩变形稳定。因 此， 在滞后工作面 0～120 m， 由于采空区碎胀矸石尚 不能形成稳定的支护结构，耦合支护体系未能形 成，应及时在巷道内部进行临时补强支护，以维护 巷道围岩的稳定。 4结语 1） 目前对岩石碎胀系数的研究主要采用室内实 验和数值模拟方法，因为受到多重因素的影响， 得 到的岩石碎胀系数与实际存在较大误差。忽略岩石 的泊松效应，将岩石破碎前后的体积之比转化为岩 石原位状态下的高度之比，简化了测量难度的同时 又保证了岩石碎胀系数测量值的精度。 2 ） 传统岩石碎胀系数的现场测量方法， 对于直 接顶厚度较大和难以显著区分岩性分界线出的采空 区矸石，难以得到精确的碎胀系数测量值，采用自 然标定准线法，首先利用爆破孔预先标定初始高度， 待工作面回采过后，测量采空区带有明显标记的碎 胀矸石垮落高度， 可以精准测量岩石的碎胀系数。 3） 宝山煤矿 6302 工作面采空区矸石从垮落到 压实经历了 3 个阶段 快速垮落、 缓慢压实、 稳定压 实 3 个阶段， 碎胀系数随着工作面的推进逐渐变小， 最终稳定值介于 1.35～1.39 之间， 均值为 1.37。 4） 工作面巷道顶板从发生变形到最终稳定经历 了 3 个区段动压影响区、动压稳定区、变形稳定 区，巷道围岩随着工作面推进逐渐稳定，最终巷道 围岩变形量为顶底板移近量 296 mm, 两帮移近量 135 mm。工作面在切顶留巷过程中， 巷内临时支护 体系和巷旁挡矸支护体系支护长度应≥120 m。 参考文献 ［1］ 何满潮， 宋振骐， 王安， 等．长壁开采切顶短壁梁理论 及其 110 工法第三次矿业科学技术变革 ［J］ ．煤 炭科技， 2017 （1） 1-9. ［2］ 孙晓明， 韩强， 王炯， 等．中兴矿 1200 工作面沿空留巷 技术应用研究 ［J］ ．煤炭技术， 2017， 36 （2） 28-30． ［3］ 郭志彪， 王将， 曹天培， 等．薄煤层切顶卸压自动成巷 关键参数研究 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2016， 45 （5） 879-885． ［4］ 王炯， 朱道勇， 龚伟力， 等．切顶卸压自动成巷岩层运 动规律物理模拟实验 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2018， 37 （11） 2536-2547． ［5］ 廖协兴， 茅献彪， 胡光伟， 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