中厚煤层无煤柱开采回采巷道支护技术研究与应用_田剑舟.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 1工程概况 表 1顶底板岩性特征 山西汾西矿业有限责任公司曙光煤矿主要位于 山西省中部孝义市， 现矿井生产能力 90 万 t/a， 开采 2 煤层， 平均厚度为 2.85m， 煤层倾角 26， 2 煤 层伪顶厚约 0.2m， 岩性为黑灰色泥岩， 局部发育， 随 采随落； 直接顶为厚约 3.2m的砂质泥岩， 直接底为厚 约 2.7m的中粒砂岩， 顶底板岩性特征详见表 1。1232 运巷对应地表标高在 927m～1054m 之间， 1 对应 地表位置大部分为第三、 第四系黄土覆盖， 沟谷发育； 1232 运输巷井下位于一采区西翼，北部为尚未掘进 的 1234 材料巷，南部为尚未掘进的 1232 材料巷， 东 邻一采区集中轨道巷， 西至井田边界。 1232 运巷在山 西组 2 煤层中掘进，煤层标高在 442m～504m之 间， 1232 运巷在山西组 2 煤层中掘进，上部为不可 采的 1 煤层下部为局部可采的 3 煤层。曙光煤矿 现阶段面临严重的采掘接替紧张的问题，为提高巷 道利用率和采区回采率， 设计在 1232 运巷采用切顶 卸压沿空留巷技术，为取得较好的应用效果展开相 关研究。 21232 运巷切顶留巷关键参数研究 切顶卸压沿空留巷无煤柱开采工艺是在传统留 巷工艺基础上， 通过对顶板施工预裂爆破钻孔， 使顶 板在工作面回采期间及时垮落， 垮落的顶板在留巷采 空区侧形成帮部， 上覆岩层垮落快速充填采空区， 冒 落堆积的矸石起到支撑作用， 形成稳定的结构， 减小 采空区顶板对巷道围岩稳定性的影响，有效保证巷 道稳定。 切顶卸压技术的关键参数为切顶高度、 角度 [1]， 为确保 1232 运巷的切顶效果首先展开合理参数的 研究。 2.1切顶高度分析 为确保采空区垮落岩层能够基本将采空区充填， 中厚煤层无煤柱开采回采巷道支护技术研究与应用 田 剑 舟 （山西汾西矿业 （集团 ） 有限责任公司曙光煤矿 ， 山西 孝义 032300 ） 摘要 为提高曙光煤矿采煤工作面采出率、 巷道利用率， 设计在 1232 工作面进行切顶卸压沿空留 巷技术应用试验， 通过理论分析计算、 数值模拟研究等方法， 确定 1232 运巷合理切顶高度为 9m， 切 缝线与垂直方向呈 15角布置， 数值模拟分析优选最佳支护方案， 现场应用期间， 留巷围岩整体稳 定， 切顶卸压自动成巷技术成功在曙光煤矿应用。 关键词 切顶 ； 恒阻大锚索； 数值计算； 数值模拟； 中图分类号 TD353文献标识码 A 文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0013-04 Research and Application of Mining Roadway Support Technology in Coal Seam without Coal Pillar Mining TIAN Jianzhou （Shanxi FenXi mining group co., LTD Shuguang Mine ， Xiaoyi 032300 ， China ） Abstract In order to improve the recovery rate and roadway utilization rate of the coal mining face of Shuguang Coal Mine, it is designed to carry out the cutting and pressure relief along the remaining roadway technology application test at the 1232 working face. The cutting height is 9m, the cutting line is arranged at an angle of 15 to the vertical direction, and the best support scheme is selected by numerical simulation analysis. During the field application, the surrounding rock of the remaining roadway is generally stable. Coal mine applica- tion. Keywords Cut top ; constant resistance large anchor cable ; numerical calculation ; numerical simulation 顶底板 名称 岩石 名称 厚度 （m ） 岩性特征 老顶 粉砂质 泥岩 2.35黑灰色， 砂泥岩结构， 具滑面， 均匀层理。 直接顶 砂质 泥岩 3.2 灰黑色， 砂泥质结构， 均匀层理， 含丰富的 植物化石， 具滑面。 伪顶泥岩0.2黑灰色， 局部发育， 随采随落。 直接底 中粒 砂岩 2.7 深灰色， 中粒砂状结构， 泥质充填， 分选性 好， 次棱角状。 老底 粉砂质 泥岩 2.2 黑灰色， 夹粉砂质条带， 含硫铁矿结核， 水 平层理发育。 13 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 参考类似地质条件下切顶留巷成功的案例， 切顶垂直 高度应不小于工作面采高的 2.6 倍，曙光煤矿 1232 工作面采高约为 2.85m， 故切顶高度应大于 7.41m， 具 体的预裂切缝钻孔深度可由下式计算[2] H缝 （H煤- ΔH1- ΔH2） / （k- 1 ）（1 ） 式中 H缝为预裂钻孔垂直高度， m； H煤为工作面 采高， m； ΔH1为顶板下沉量， m； ΔH2为底板底臌量， m； k 为上覆岩层碎胀系数， 1.31.4。 曙光煤矿 1232 工作面上覆岩层碎胀系数取 1.3， 工作面回采前 1232 运巷顶板下沉量约 200mm， 底板 底鼓量约 100mm， 工作面采高为 2.85m， 由式 （1 ） 计算 可得 H缝8.5m，因此确定预裂切缝钻孔垂直高度为 9.0m。 2.2切顶参数模拟研究 为验证预裂切缝钻孔垂直高度为 9.0m 的合理 性， 确定合理的钻孔布置方式， 基于曙光煤矿 1232 运 巷工程地质条件及各岩层实验室物理力学实验结果， 采用 UDEC 离散元数值模拟软件建立模型[3]， 对不同 切顶方案和支护方案模拟分析， 模型沿工作面推进方 向的切面建立， 宽度为 200m （工作面长度方向 ） ， 高度 60m（垂直方向） ， 1232 运巷宽度为 5.5m，高度为 2.8m， 1232 工作面采空区高度为 2.85m，长度为 150m， 模型左右边界施加水分方向的位移约束， 下部 边界施加垂直方向的位移约束， 上部边界施加应力约 束，工作面平均埋深约 450m，施加垂直应力为 10.8MPa， 具体模型如图 1 所示。 图 1数值模型示意图 参考类似地质条件下切顶留巷技术成功应用的 实例， 初步设计切顶预裂钻孔与垂直方向的角度分别 为 0、 15、 30， 切顶高度为 9m， 模拟方案 模型 平衡后得到初始地应力场→1232 运巷开挖支护→切 顶→1232 工作面开采。切顶预裂钻孔不同布置角度 条件下， 岩层运移垮落状态模拟结果如图 2 所示。 由图 2 所示结果可以看出，切顶高度 9m 条件 下， 切顶角度在 030之间， 工作面回采后上覆岩层 垮落后均基本将采空区充填， 验证切顶高度为 9m 的 合理性。切顶线沿垂直方向的条件下， 沿空巷道顶板 下沉量达到 1100mm， 表明采空区的矸石未能有效的 支撑沿空巷道顶板短悬臂结构， 顶板受到很大的垂直 地应力作用， 巷道围岩稳定性较差。切顶线与垂直方 向 15条件下，采空区矸石碎胀作用下有效支撑顶 板， 切落的岩石对沿空巷道顶板起到斜撑作用， 顶板 下沉量仅为 220mm， 巷道围岩稳定， 切顶效果良好。 切顶线与垂直方向增大为 30条件下，顶板下沉量 增大为 510mm，由于沿空巷道顶板短壁结构长度增 大， 且切落的岩层未起到良好的支撑作用， 导致顶板 下沉量增大， 不利于整体巷道围岩的稳定性控制。综 上可知， 切顶角度为 15较合理。 （a ） 切顶角度 0（b） 切顶角度 15 （c ） 切顶角度 30（d） 顶板下沉量 图 2数值模拟结果 3支护方案优化设计数值模拟研究 采用 UDEC 进行不同支护参数下的数值模拟研 究， 类比相似地质条件下切顶留巷的支护方案[4]， 设计 1232 运巷采用以下方案进行支护①方案一，直径 20mm、长度 2.4m 的螺纹钢锚杆，每孔采用 3 卷 K2335 树脂药卷， 间排距为 900mm， 顶板每排 5 根， 两帮每帮各 3 根，顶板锚杆锚固力不低于 100kN， 帮 部锚杆锚固力不低于 50kN，安装预紧力距不小于 200Nm。顶板布置直径 21.8mm、 长度 8.0m的钢绞线 锚索， 每孔采用 3 卷 K2850 树脂药卷进行锚固， 锚固 力不小于 250kN， 预应力不小于 120kN， 沿巷道轴向 通过 W 型钢带联结，钢带长 5.4m，锚索间排距 20002400mm。 切顶留巷期间， 在巷道靠近回采帮顶 板布置规格为 φ21.8mmL8000mm 的恒阻长锚索， 恒阻器直径 65mm， 长度 500mm， 恒阻值 35t， 排距为 1800mm，恒阻锚索间沿轴向同样通过 W 型钢带联 14 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 结。②方案二， 巷道掘进期间顶板锚索布置在巷道中 心线处， 每排一根， 排距 1800mm， 相较方案一较少了 一根非回采侧顶板锚索； ③方案三， 在方案二的基础 上减小锚索长度， 将锚索长度改为 6.0m； ④方案四， 将顶板锚索长度改为 7.0m。在不同支护方案条件下， 进行工作面开挖模拟， 模拟结果表明差别最大的为沿 空巷道顶板最大下沉量， 统计顶板最大下沉量的模拟 结果详见图 3。 图 3各支护方案顶板下沉量模拟结果统计 （a ） 留巷支护断面图 （b） 顶板支护展开图 图 41232 运巷切缝钻孔布置及加强支护展开图 根据图 3 所示的结果可知， 方案一条件下， 顶板 下沉量最小， 支护效果良好， 方案二相对于方案一减 少顶板锚索的数量， 顶板下沉量增大了 10mm， 围岩 稳定性较好， 而方案三、 四条件下顶板下沉量增大更 为明显， 因此综合考虑安全、 经济等因素， 选择方案二 作为 1232 运巷的支护方案。 1232 运巷留巷切顶及补 强支护详情如图 4 所示，切顶钻孔直径为 46mm， 垂 直高度为 9.0m， 布置间距为 900mm， 超前工作面 20m 进行预裂爆破； 超前工作面 50m 施工恒阻长锚索， 在 工作面前方 30m 和后方 100m 采用单体柱 π 形梁 进行补强支护。 4应用效果监测 采用十字交叉法观测巷道表面位移， 整理得到图 5 所示的结果。 图 5 （a ） 所示结果为巷道宽度在工作面 回采前后的变化， 1232 运巷切顶留巷期间， 大部分巷 段两帮移近量小于 200mm，个别巷段两帮移近量达 到 400mm 左右； 图 5 （b ） 所示结果为巷道高度在工作 面回采前后的变化， 1232 运巷切顶留巷前后， 多数巷 段顶板下沉量保持在 200mm 以下， 局部达到 400mm 以上；综上可知， 1232 运巷留巷期间围岩稳定性良 好， 表面位移量较小且在合理范围内， 经过简单的返 修即可服务于下个工作面。 （a ） 巷道宽度 （b） 巷道高度 图 5巷道变形情况监测结果 5主要结论和建议 为保证切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术在曙 光煤矿 1232 运巷的成功应用，通过理论计算确定切 缝线合理垂直高度为 9m， 采用 Udec 数值软件研究表 明， 切缝线与竖直方向呈 15夹角偏向采空区时， 切 15 ChaoXing 顶效果最佳，依据 1232 运巷具体地质条件设计其留 巷支护方案， 并模拟分析优选出最佳方案， 现场应用 及巷道表面位移监测结果表明， 留巷期间， 大多数区 域巷道顶板下沉量和两帮移近量均小于 200mm， 围 岩整体稳定， 支护效果显著， 研究成果可为类似地质 条件下切顶卸压留巷技术的应用提供借鉴。 参考文献 [1] 郝永刚. 沿空留巷技术在祥升煤业综采工作面应用分析 [J].煤,2020,29 （01） 73- 74. [2] 孟碧坤,张孝明.切顶成巷无煤柱开采技术在云冈矿的应 用[J].山东煤炭科技,2019 （12） 26- 28. [3] 董明晖,杨秉真,周慧忠.沿空放顶成巷无煤柱开采技术研 究[J].煤炭技术,2019,38 （09） 34- 37. [4] 李博. 大同矿区坚硬顶板切顶卸压沿空留巷开采技术研 究与应用[J].煤炭科技,2019,40 （02） 80- 82. 作者简介 田剑舟 （1984-） ， 男， 山西介休市人， 2015 年 1 月毕业于 太原理工大学采矿工程专业， 现就职于汾西矿业集团曙光煤 矿， 助理工程师， 研究方向 综采工作面过地质变化。 （收稿日期 2020- 4- 13） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 1工作面概况 高河能源矿业位于山西省长治境内， 区域批复可 采煤层为 4 煤层， 401 综采工作面为 4 煤层的首采 面， 工作面全长 480m， 煤层平均厚度为 2.8m， 采高约 为 2.1m， 4 煤层伪顶为炭质泥岩， 平均厚度为 0.6m， 直接顶为砂质泥岩， 平均厚度 4.88m， 基本顶为细粒 砂岩， 平均厚度 8.4m， 直接底为砂纸泥岩， 平均厚度 3.23m， 根据矿压观测结果显示， 工作面初次来压的步 距大约在 2628m之间，来压最大强度为 62MPa， 工 作面周期来压的步距大约在 18- 22m 之间， 来压最大 强度为 66MPa。 2切顶卸压顶板力学特征 在进行切顶卸压自动成巷工艺后， 随着工作面的 推进， 直接顶垮落， 基本顶悬露的面积不断增加， 当基 本顶的上覆载荷超过其承载极限时， 会出现基本顶垮 落坍塌的现象， 并对沿空留巷产生较大的影响， 具体 切顶卸压自动成巷支护工艺研究 王 旭 满 （山西高平科兴新庄煤业有限公司 ， 山西 高平 048400 ） 摘要 针对工作面进行切顶卸压自动成巷施工工艺后围岩稳定性遭到破坏、 顶板破碎严重的问题， 以高河能源 401 综采工作面为研究对象， 进行了端头支架优化设计与顶板挂网的优化设计， 通过试验 分析， 确定出当铁丝网搭接长度为 1.15m～1.40m， 压底长度为 0.2m～0.35m 时， 能够有效阻止采空区 矸石进入巷道， 实现工作面的安全回采。 关键词 切顶卸压； 力学特征； 端头优化； 网兜 中图分类号 TD353文献标识码 A 文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0016-03 Research on Automatic Roadway Support Technology for Cutting Roof and Releasing Pressure WANG Xuman （Shanxi Gaoping Kexing Xinzhuang Coal Industry Co., Ltd. ， Gaoping 048400 ， China ） Abstract Aiming at the problems that the stability of the surrounding rock is damaged and the roof is severely broken after the roof cutting and pressure-relief automatic tunneling construction process is pered on the working face, the optimization design of the end bracket and the roof hanging are carried out with Gaohe Energy 401 comprehensive mining face as the research object The optimal design of the mesh, through experimental analysis, determined that when the overlap length of the barbed wire is 1.15m to 1.40m and the length of the bottom pressure is 0.2m to 0.35m, it can effectively prevent the gob from entering the roadway and realize the safe mining of the working face. Keywords Cutting top pressure relief ; mechanical characteristics ; end optimization ; net pocket 16 ChaoXing