团柏煤矿孤岛工作面大断面煤巷沿空掘巷技术应用研究_孙永永(1).pdf

团柏煤矿孤岛工作面大断面煤巷沿空掘巷技术应用研究 孙 永 永 （霍州煤电集团团柏煤矿 ， 山西 霍州 031400 ） 摘要 霍州煤电集团团柏煤矿的 10-3041 孤岛工作面即将进入准备阶段， 以往此类工作面开采时区 段煤柱宽度普遍在 15m 以上， 造成了煤炭资源大量的浪费， 现通过理论分析、 现场实测等方法设计煤 柱宽度及支护参数， 应用留窄煤柱沿空掘巷技术进行开采， 现场应用及观测证明得到了良好的应用效 果。 关键词 沿空掘巷； 窄煤柱； 孤岛工作面 中图分类号 TD263文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0034-04 Application research of large cross-section coal roadway in gudao working face of tuanbai coal mine SUN Yongyong （Tuanbai Coal Mine, Huozhou Coal and Electricity Group , Huozhou 031400 , China） Abstract Huo zhou coal group group parker 10-3041 island coal face of a coal mine is about to enter the preparation phase, when the usual in such working face mining section width of coal pillar in 15 m or more generally, a lot of the coal resources waste, through theo- retical analysis and in-situ test to design coal pillar width and supporting parameters, application technology of roadway driving a- long goaf leave narrow coal pillar mining, field application and the observation proved the good application effect. Keywords Excavating a roadway along an empty space ; Narrow coal pillar ; Isolated island working face 1工程概况 团柏煤矿的 10- 3041 综采工作面开采的煤层为 石炭系太原组 10 煤层， 属于稳定可采厚煤层， 结构 复杂，中部和中下部均有夹矸，煤层厚度 3.20～ 4.30m， 平均为 3.9m， 煤层顶底板特征见表 1。工作面 位于南三下组煤采区左翼，西北侧 10- 3040 工作面 正在回采， 南部和东部均为相邻采区的边界， 并且均 以回采完毕，故即将进入准备阶段的 10- 3041 工作 面为孤岛工作面。 表 1顶底板特征表 该矿的孤岛工作面开采时， 留设的区段煤柱宽 度均在 15m 以上， 虽然能保证巷道的稳定， 但是造 成资源的大量浪费，随着巷道支护工艺技术的提 升， 以留设区段小煤柱为代表的沿空掘巷技术应用 较为成熟， 故现对该工作面进行留窄煤柱沿空掘巷 工艺进行设计研究， 以获得更好的经济效益[1]。 2区段煤柱合理宽度的确定 沿空掘巷是指沿着已经稳定的采空区边缘或 与采空区之间留窄煤柱掘进巷道。巷道掘进时， 相 邻的工作面已经开采完毕， 采空区压力已经基本稳 定， 在应力降低区进行巷道的开掘， 巷道易于维护。 留窄煤柱沿空掘巷最关键的问题就是合理的煤柱 宽度， 宽度太大， 造成资源的浪费， 煤柱支承压力属 于支承压力影响区， 煤柱易片帮形变； 宽度偏小则 不能有效地密闭采空区，都会造成适得其反的效 果。开展沿空掘巷覆岩破断特征研究， 掌握覆岩破 断结构的关键参数，是确定煤柱合理宽度的前提 [2～3]。由于相邻的工作面已经回采完毕， 采空区顶板 围岩破碎冒落， 老顶破断形成大的岩块， 相互铰接 形成稳定结构， 留窄煤柱巷道周围岩体的破断碎裂 情况可以简化为如图 1 所示的结构模型。 图 1沿空掘巷上覆岩层大结构模型 10- 3041 孤岛工作面两侧均为采空区，准备巷 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 顶底板名称岩性厚度m岩性特征 老顶粉砂岩 1.71～3.16 2.33 灰色，由上而下颗粒变细，普氏硬度 5.3。 直接顶L1 泥灰岩 1.75～2.70 2.32 深灰色， 富含动物化石， 黄菱铁矿星星 散状分布， 节理充填方解石脉， 普氏硬 度 7.5。 直接底铝泥岩 0.75～1.66 1.29 灰白色， 泥质结构， 断面光滑 34 ChaoXing 道采掘时保护煤柱的另一侧为采空区， 相邻工作面 巷道的掘进及工作面的回采均会影响煤柱的稳定 性， 在煤柱内形成破碎区和塑性变形区， 窄煤柱的 最小宽度要求满足使巷帮锚杆发挥其支护性能， 因 此窄煤柱应当保有一定宽度的完整煤岩体， 避免煤 柱两侧的破碎区贯通， 使锚杆的作用大大降低。 图 2合理煤柱宽度计算模型 煤柱宽度的构成如图 2 所示。通过对以往窄煤 柱沿空掘巷顶板压力状况的分析和总结， 在确保巷 道围岩变形量不会太大的前提下， 提出应用以下公 式进行煤柱宽度的计算 Bx1x2x3（1） 式中 B 为窄煤柱的合理宽度，单位 m； xl为上 个工作面采空区侧煤岩体塑性区的宽度，单位 m； x2为巷帮锚杆长度， 取 2～2.4m； x3为动载系数， 按照 经验取 （0.15～0.35） （xlx2） ； 式 （1） 中的 x1 计算公式如下 x1 mA 2tanφ0 1n kγH C0 tanφ0 C0 tanφ0 Px A ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （2） 式中 m 为煤层厚度， 2.3m； A 为侧向压力系数， Aμ/1- μ， 其中 μ 为泊松比， 取 0.56； φ0为内摩擦 角， 取 49.6； C0为粘聚力， 取 1.90MPa； k 为应力集 中系数，取 2； γ 为覆岩平均容重，取 0.25MN/m3； H 为埋深， 为 594m； Px 为对煤帮的支护力， 若相邻工作 面巷道支护已经拆除取 Px0， 若是锚杆支护， 取 0.3； 将团柏煤矿 10- 2041 工作面具体的数据带入式 （2） 可得， 上区段工作面开采在窄煤柱临空侧产生 的塑性区宽度 x14.89m， 则煤柱合理宽度 Bx1x2x34.892～2.4（0.15～0.35 ） （4.892～2.4 ） 6.5～9.5m 经过以上的分析和计算， 初步认定煤柱的宽度 应该在 6.5～9.5m 之间，由于 10 煤层煤质较软， 为 了充分保证巷道的稳定， 综合考虑围岩的受力状况 及顶板围岩的受力特征， 煤柱宽度定为 10m。 310- 3041 孤岛工作面沿空掘巷多层次支护 技术 10- 3041 工作面一侧为采区边界，工作面轨道 巷一侧为边界煤柱， 一侧为实体煤， 边界保护煤柱 宽度为 20m， 采用该矿常用的锚网索支护即可。而 10- 3041 工作面运输巷一侧为窄煤柱，一侧为实体 煤， 根据该工作面巷道围岩的具体特征， 对沿空掘 巷巷道的支护体系进行设计。 3.1顶板支护的加强 根据团柏煤矿 10- 3041 工作面回采巷道顶板的 具体条件 顶板跨度大、 直接顶强度较低、 层间含有 较多软弱夹层等。因此将顶锚杆由原来的 φ18 1800mm 左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆改进为 φ22 2200mm 左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆，托盘采用规格 为 14025010mm 碟形钢托盘，配置调心球垫及 减磨垫圈，每排布置 6 根锚杆，间距和排距均为 0.8m， 两侧肩窝处的锚杆向两侧倾斜布置， 与垂直 方向的夹角 15， 中间的 4 根锚杆均垂直于巷道顶 板， 每根使用树脂锚固剂 MSZ23/80 一条， 预紧力矩 不 小 于 250N m， 锚 杆 外 露 10- 50mm。 顶 板 铺 42001200mm 由 10 铁丝编织而成的金属网， 两 侧各留 100mm 与帮网搭接，每隔 200mm 用 14 联 网丝双股连接一道， 每道不少于 3 圈， 网与网搭接， 搭接长度 100mm，上 380080mm 的钢筋托粱， 用 12 钢筋焊接而成。 锚索选用 17 股高强度低松弛 预应力钢绞线 φ21.67200mm，采用 300300 16mm 碟形托盘， 配套调心球垫及锁具。每根使用树 脂锚固剂 MSCK23/60、 MSZ23/80 各一支，锚索初始 张拉力为 40MPa， 外露 150～250mm。锚索在巷道顶 板中间对称布置两根， 间排距为 1600800mm。 3.2帮部支护的调整 帮部锚杆由原本的 φ161600mm 的圆钢锚杆 调整为 φ222200mm 的螺纹钢锚杆，托盘采用规 格 15015010mm 的拱形方托盘，配置调心球垫 及减磨垫圈， 每排为 5 根， 中间三根垂直巷帮， 上部 靠近顶板处的锚杆向上倾斜 15， 靠近底板的锚杆 水平向下倾斜 15，锚固剂选用 MSZ23/80 树脂锚 固剂，锚杆间排距由原本的 12001000mm 改为 800800mm。每侧布置两根锚索，煤柱侧采用 17.84200mm 的矿用锚索，实体煤侧采用 17.8 7200mm 的 长 锚 索 ， 每 根 使 用 树 脂 锚 固 剂 MSCK23/60、 MSZ23/80 各一支，预紧力矩不小于 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 35 ChaoXing 150N m，外露 10- 50mm。要求上部锚索距顶板 600mm，下部锚索距底板 1500mm，两帮均铺的 20001200mm 的塑料网改为 40001000mm 的菱 形金属网， 锚杆钢筋梯子梁尺寸为 205070mm。 经过加强支护设计后， 10- 3041 工作面运输巷 围岩的支护结构详细情况如图 3 所示， 在安装锚索 位置处焊接两段纵筋， 在锚杆排距之间铺设钢筋网 型号为 GW6.5/100- 2.31.35， 防止小块煤岩体的掉 落，在巷道两个顶角处锚杆采用斜打顶角锚杆， 抑 制巷道的形状扭曲， 锚杆、 长锚索及短锚索形成连 续的预应力结构共同承载， 最终达到保证围岩的长 期稳定的目的。 （a） 巷道全断面 （b）巷道顶板（c）巷道煤壁 图 3 “锚网索梁” 联合支护示意图 4现场应用及效果分析 4.1沿空掘巷施工过程中顶板离层处理程序、 要 求、 措施 1） 每班的顶板监测责任在现场发现监测数据 异常要及时向领导汇报， 值班人员及时向生产技术 科矿压监测组进行反馈。 2） 在观测过程中， 若发现离层值进入危险区内 时， 应由矿总工程师召集有关科室分析原因， 并及 时采取相应的安全措施。 3） 在观测过程中，若发现离层值进入警戒区 时， 要停止掘进， 立即向生产科矿压监测组进行汇 报， 并对该离层仪前后 20m 范围内及时补打锚杆或 锚索的措施进行加固， 同时及时与设计部门联系对 锚杆设计参数进行修改。 4） 非正常情况时 （如顶板离层达到警戒位置或 班下沉速度异常） 必须每班监测分析。分析结果必 须经生产科长签字后报生产矿长、 总工程师； 并将 领导批示及时报送安全科、 调度室及施工队组主要 领导。矿总工程师要组织分析查明原因， 及时采取 相应措施。 5） 区队收到生产科下发的加强支护或改变支 护通知单时， 由队组生产技术员根据分析结果编制 专项安全技术措施， 进行加强或补强支护。 4.2支护效果分析 通过对于合理煤柱宽度的确定及支护结构的 优化，在团柏塔矿 10- 3041 综采工作面运输巷， 进 行了留窄煤柱沿空掘巷的现场应用实验， 煤柱宽度 为 10m， 采用上述的 “锚网索梁” 联合支护， 为了考 察煤柱宽度的合理性及支护的效果， 在 10- 3041 工 作面运输巷内设置观测站对巷道的变形量进行观 测， 统计分析结果如图 4 所示， 在距工作面 60m 范 围内两帮移进量增长速度较快，而后两帮趋于稳 定， 最大移进量为 240mm， 顶底板下沉量及底板底 鼓量都比较小，基本不影响工作面生产的正常进 行， 在现场取得了良好的应用效果。 图 410- 3041 运输巷围岩位移观测结果 5结论 经过理论计算，确定煤柱宽度为 10m，结合 10- 3041 工作面详细地质情况，对支护参数进行设 计， 在施工过程中， 密切监测巷道围岩的稳定情况， 采取适当的组织、 安全、 应急等措施， 最终成功应用 了沿空掘巷技术进行团柏煤矿孤岛工作面的开采， 取得了良好的经济效益。 参考文献 [1] 崔小欢.沿空掘巷窄煤柱宽度数值模拟研究[J].煤,2018,27 （10） 12- 1419.（下转第 39 页） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 36 ChaoXing （上接第 36 页） [2] 张杰,赵亚军,李焘.沿空掘巷巷道围岩位移监测结果分析 [J].煤炭技术,2018,37 （10） 42- 44. [3] 何清正.相向沿空掘巷合理时空关系研究[J].内蒙古煤炭 经济,2018 （18） 1158. 作者简介 孙永永 （1986 年 2 月 -） ， 男， 汉族， 助理工程师， 2010 年 毕业太原理工大学安全工程专业， 本科。现任职于霍州煤电 团柏煤矿盘区运输队。（收稿日期 2018- 12- 19） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 时， 结束注浆。 施工过程中先进行帮顶注浆， 帮顶注浆完成后再 进行起底及底板注浆加固。 起底时将该段施工成锅底 状， 最深部位离轨面线不小于 1500mm， 采用人工配 合手、 风镐的方式由里向外进行起底。 4.3反底拱支设及浇筑 注浆后 5 天进行反底拱施工，反底拱采用 U36 型支架，两端焊接 300mm300mm15mm 的钢板， 排 距 800mm。 反 底 拱 支 架 下 铺 设 Φ6.5mm 1040mm2540mm 金属网， 网格 100mm100mm， 搭 接长度 100mm，并用双股用 14 铁丝捆扎，每隔 100mm捆扎一道， 拧结不少于 3 圈。反底拱与底板之 间部位采用混凝土充填， 强度 C30， 最深部距离底板 1500mm， 在混凝土中加入防水剂。如图 2 所示。 图 2进风井马头门化学注浆孔及反底拱施工 5加固效果 进风井马头门巷道加固完成后，通过 5 个多月 的观察巷道两帮及顶底板变形比较小，巷道两帮变 形量控制在 25mm 以内， 顶底板变形量控制在 30mm 以内， 未出现离层、 鼓包及混凝土脱落等破坏现象。 巷道变形量日趋减小，观测数据显示加固后 3 月至 5 月之间两帮变形量为 2mm， 顶底板变形量为 3mm， 支护稳定。 图 3进风井马头门变形曲线 6结论 进风井马头门采用全断面双液注浆配合反底拱 浇筑的加固方式， 深浅孔双液注浆充分考虑围岩裂隙 及经济效益， 既节约了施工成本， 又取得最佳的加固 效果； 注浆加固加强了围岩及原有钢筋混凝土的支护 强度，充分调动了钢筋混凝土及深部围岩承载能力； 反底拱混凝土浇筑使整个支护形成一个封闭的环形 支护体， 较大程度提高围岩承载能力。通过加固很好 的解决了巷道稳定性控制问题，围岩变形量控制在 30mm以内， 取得了良好的加固效果和经济效益,为同 类深井软岩巷道围岩加固提供了借鉴经验。 参考文献 [1] 李强.深井软岩巷道底板加固技术研究与应用[M].山东煤 炭科技,2015 （9） 6- 9. [2] 杨高干.深部马头门区域软岩治理技术研究及应用[M].中 国信息化， 2013 （4） 179- 181. 作者简介 侯君朝， 男， 1987 年 6 月 7 日生， 汉族， 山西省晋城市阳 城县人。现就职于山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司， 工 程师， 大学本科， 学士学位， 毕业于河北工程大学， 研究方向 矿业工程。 （收稿日 2018- 10- 16） 39 ChaoXing