采煤工作面沿空留巷专用支护系统研究_何明.pdf

采煤工作面沿空留巷专用支护系统研究 何明1， 2 1. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013; 2. 煤炭科学研究总院 北京开采研究分院，北京 100013 ［ 摘 要］针对阳煤集团新景矿 3214 工作面地质条件，对采煤工作面沿空留巷专用支护系统进 行研究，提出沿空留巷专用支护系统选型设计原则，对充填过渡支架和挡矸支架优化设计，并进行井 下工业性试验，确保了 3214 工作面沿空留巷充填开采工艺成功实施，实现工作面 Y 型通风，有效解 决了隅角瓦斯积聚和超限问题，对解决回采工作面巷道布置、减少巷道掘进量、提高采区采出率、减 少工作面准备时间、降低开采成本等具有重要意义。 ［ 关键词］沿空留巷; 充填过渡支架; 挡矸支架 ［ 中图分类号］ TD355. 4［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201706- 0062- 04 Study on Specific Supporting System for God- side Entry Retaining of Coal Face HE Ming1， 2 1. Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China; 2. Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China Abstract Based on geological condition of 3214 working face in Xinjing coal mine of Yang coal group，specific supporting system for god- side entry retaining of coal face was studied systematic，and then specific supporting system selection and design principle of god- side entry retaining was put forward，god- side entry retaining filling mining technology of 3214 working face was processed successful- ly，and then Y- type ventilation of working face was realized，industrial test in the pit was proceeded，some problems that corner gas accumulation and ultralimit were solve successfully，it was significant for roadway layout of working face，decreasing roadway tunne- ling，improving mining ratio，decreasing release time of working face and reduce mining cost. Key words god- side entry retaining; filling transition support; resistance gangue support ［收稿日期］ 2017－08－22［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 06. 015 ［基金项目］ 国家重点基础研究发展计划 973 资助项目 2014CB046302 ;国家自然科学青年科学基金项目 51704157 ;天地科技股 份有限公司研发项目 KJ－2015－TDKC－01 ［作者简介］ 何明 1983－ ，男，山东泰安人，助理研究员，博士在读，主要从事工作面支护与装备技术研究。 ［ 引用格式］ 何明 . 采煤工作面沿空留巷专用支护系统研究 ［J］． 煤矿开采，2017，22 6 62－65. 沿空留巷技术取消区段煤柱，提高了煤炭资源 采出率，延长了矿井服务年限; 减少巷道掘进量， 缓解了采掘接替矛盾的难题;实现工作面 Y 型通 风系统，有效解决了工作面隅角瓦斯积聚和超限问 题，取消了孤岛工作面，有利于矿井安全生产。沿 空留巷技术是无煤柱开采的重要发展方向，其技术 优势和经济效益都很显著 ［1－5 ］。本文结合阳煤集团 新景矿 3214 工作面具体地质条件，对采煤工作面 沿空留巷专用支护系统进行研究。 1新景矿 3214 工作面概况 阳煤集团新景矿 3214 工作面埋深 434～535m， 工作面走向长 1086m，倾斜长 211m。所采 3 号煤 层大部分厚度稳定，仅北部局部冲刷区煤层厚度变 化较大，结构简单，一般含 1 层夹石。煤层以镜 煤、亮煤为主，内生裂隙发育。煤层总厚 0. 8 ～ 2. 61m，平均厚度 2. 26m; 煤层倾角 2～11，平均 倾角 7。 3214 工作面基本顶为 2. 43m 的灰白色细粒砂 岩，成分以石英为主，长石次之，局部冲蚀下部岩 层与 3 号煤直接接触。直接顶为 3. 2m 的灰黑色砂 质泥岩，含植物化石，局部受基本顶砂岩冲蚀不存 在。直接底为 2. 14m 的灰黑色砂质泥岩，富含植 物化石碎片，上部含砂量较小，有时相变为泥岩。 3214 工作面布置 1 条进风巷、1 条辅助进风巷 及 1 条回风巷，辅助进风巷将被保留下来为下一工 作面使用。工作面生产系统及巷道布置如图 1 所 示。工作面形成 “两进一回”的 “Y”型通风系 统，从系统上避免了上隅角瓦斯积存的问题。 2沿空留巷专用支护系统选型设计 沿空留巷专用支护系统主要由充填过渡支架、 巷旁挡矸支架、挡矸装置及其他辅助装置组成。其 中，充填过渡支架与输送机相连，方便架前铺网， 26 第 22 卷 第 6 期 总第 139 期 2017 年 12 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 6 Series No. 139 December2017 ChaoXing 图 1 3214 工作面生产系统及巷道布置 为架后充填作业提供安全空间，附带挡矸装置，防 止移架时前、后架间漏矸; 巷旁挡矸支架布置在充 填过渡支架后部，具有挡矸、支护、纠偏等功能， 适用于高水、膏体等材料充填。沿空留巷专用支护 系统选型设计原则如下 1专用支护系统支护强度应与采煤工作面 煤层赋存条件和矿压显现规律相适应，保障工作面 安全高效生产。 2专用支护系统应与巷内支护、巷旁支护 强度匹配，满足留巷工艺需要。 3专用支护系统应保证沿空留巷作业空间 安全可靠。 4专用支护系统应结构紧凑，自动化程度 高，空间布置合理，减少输送机停机时间，加快工 作面推进速度。 5专用支护系统应具有调斜纠偏功能，保 证充填墙体沿巷道走向平行施工。 针对阳煤集团前期沿空留巷专用支护系统中存 在的诸多问题 如支护系统空间布置不合理、挡 矸效果及稳定性较差、拉移困难以及采空区侧挡矸 支架易倾斜等 ，并考虑新景矿3124 工作面生产衔 接工期紧张等因素，经支护系统优化设计及配套验 证，决定充填过渡支架在中部支架基础上改造完 成，并优化原巷旁挡矸支架，整个专用支护系统采 用电液控制，最终配套设备如下中部支架 ZY6400/17/31AD，顶梁为铰接顶梁带伸缩梁结构; 充填过渡支架ZY6400/17/31AD G ，共 6 架， 在中部支架基础上改造;巷旁挡矸支架ZQL2 4000/17/31A BD，一组;运输机SGZ800/ 800; 采煤机 MG300/700。 新景矿 3214 沿空留巷支护系统平面布置如图 2 所示。 新景矿 3214 工作面沿空留巷专用支护系统具 体配套关系如图 3 所示。 如图 3 中 a所示充填过渡支架机尾第 6 图 2 3214 沿空留巷支护系统平面布置 图 33214 沿空留巷专用支护系统配套关系 架靠近中部支架安装，机尾第 6 架安装后方和侧方 挡矸装置防止采空区漏矸。 如图 3 中 b所示充填过渡支架机尾第 5 架后方安装靠近采空区一侧的挡矸支架，挡矸支架 安装挡矸板; 为避免机尾第 6 架移架时侧方漏矸， 机尾第 5 架安装侧方挡矸装置; 机尾第 5 架与挡矸 支架之间安装可左右旋转、上下调节的挡矸板，该 挡矸板与挡矸支架自带挡矸板搭接防止漏矸; 机尾 第 5 架后方安装挡矸装置。 如图 3 中 c所示充填过渡支架机尾第 4 架后方安装挡矸支架靠近充填墙体一侧的部分。 36 何明 采煤工作面沿空留巷专用支护系统研究2017 年第 6 期 ChaoXing 如图 3 中 d所示充填过渡支架机尾第 3 架后方为充填作业区。 如图 3 中 e所示充填过渡支架机尾第 1 架、第 2 架后方为留巷。 3充填过渡支架优化设计 中部支架 ZY6400/17/31AD 改造为充填过渡支 架总体思路为 在原支架掩护梁背部两侧增加导向 耳轴，设计可沿导向耳轴纵向滑动的箱形梁，该滑 动梁与掩护梁之间通过滑动千斤顶连接，滑动梁上 方铰接一顶梁 带伸缩梁 ;原支架底座后部增加 一铰接底座，新增顶梁与底座之间通过立柱连接， 新增顶梁姿态通过立柱及滑动千斤顶调节。对支架 新增结构进行强度理论校核，改造后充填过渡支架 ZY6400/17/31AD G如图 4 所示。其中，新型 挡矸装置如图 5 所示 包括侧方挡矸装置、后方挡 矸装置以及过渡支架与挡矸支架之间挡矸板。 1原中部支架; 2滑动梁; 3导向耳轴; 4滑动梁; 5滑动千斤顶; 6顶梁; 7立柱; 8底座 图 4充填过渡支架 ZY6400/17/31AD G 充填过渡支架结构特点如下 1与以往支架后部支护空间采用挑梁结构 相比，新增后部结构支护空间大，采用立柱支护顶 板，支护强度高，增强了后部充填作业空间的安全 性和稳定性。 2通过滑动梁设计可以较好地保持充填过 渡支架前后部高度一致，更有效地维护充填作业区 顶板。 3后部铰接式全封闭挡矸机构采用箱型结 构梁，强度高、可靠性高，可随采高位置自动调 节，挡矸效果好。 4随着采高变化可调节支架侧方挡矸结构， 挡矸效果好。 5充填过渡支架与挡矸支架之间的新型挡 矸结构可实现左右旋转、上下自主调节从而改善挡 矸效果。 4巷旁挡矸支架优化设计 原有巷旁挡矸支架 如图 6 所示操作繁琐， 前后架需要分开拉架; 采空区顶板垮落后，靠近采 空区一侧挡矸支架姿态不好调整; 支架整体结构过 长，而充填墙体凝固时间实际很短，不需要支架滞 后支护。针对使用中存在的诸多不足，对原挡矸支 架进行优化设计，优化后支架为前后铰接结构，缩 短整机长度，并增加辅助推移装置，实现单排整体 移架; 底座和顶梁上增加防倒千斤顶，调整支架姿 图 5新型挡矸装置 态。挡矸支架优化后结构如图 7 所示，其中新增辅 助推移装置如图 8 所示。 图 6原挡矸支架 ZQL24000/17/31A B D 5井下工业性试验 5. 1沿空留巷开采工艺 沿空留巷开采工艺如下 铺网→割煤→移机尾 图 7优化后挡矸支架 ZQL24000/17/31A B D 充填过渡支架、挡矸支架→架后落山侧临时支护→ 架后正式支护→校对中线→支模→泵注混凝土 等墙体凝固达到设计支撑强度 →留巷滞后支 护。 46 总第 139 期煤矿开采2017 年第 6 期 ChaoXing 图 8辅助推移装置 5. 2初次来压及周期来压 13214 工作面初采期间推进 12m 落山顶板 垮落，主要原因在于原切巷成巷时间早，顶板已产 生离层，故受采动影响，落山直接顶垮落，但基本 顶未发生垮落。 2瓦斯抽放量情况工作面初采高抽巷瓦 斯抽放量 2016 年 12 月 19 日 8 点班最大达到 14. 24m3/min，在 12 月 22 日下降到 13. 88m3/min， 之后稳定在 10～15m3/min。 33214 工作面在 12 月 19 日工作面支架出 现峰值 40MPa，且一直稳定在 38 ～ 40MPa，12 月 20 日支架工作阻力减小至 26MPa 左右，顶板压力 有明显变化。 综上分析，3214 工作面初次来压在 2016 年 12 月 19 日前后，当日推进度为进风 29m，回风 35m。 3214 工作面初次来压步距 30m，周期来压步距 10 ～14m，影响范围 3m。 5. 3巷道变形观测 1进风巷顶底板变化量为 0～200mm，两帮 变化量为 0 ～ 200mm;沿空留巷顶底板变化量为 400～1600mm，两帮变化量为 100 ～ 900mm;回风 巷顶底板变化量为 200 ～ 2200mm，两帮变化量为 100～900mm。 2进风、辅助进风巷在构造揭露期间巷道 变化量小，巷道支护强度能满足要求。 3沿空留巷巷道变化大，柔膜处顶板下沉 较大处建议队组跟紧支设木垛、中路柱等支护设 施，为巷道的二次复用打好基础。 4回风巷巷道变化较大，应及时起底。 沿空留巷巷道高度和变化曲线如图 9、图 10 所示。 图 9沿空留巷巷道高度变化曲线 图 10沿空留巷巷道宽度变化曲线 6结论 通过对沿空留巷专用支护系统的研究，提出了 沿空留巷专用支护系统选型设计原则，建立了适应 阳煤集团新景矿 3214 工作面的沿空留巷专用支护 系统并对现有支架进行优化设计，满足了沿空留巷 充填开采需要，确保了留巷成功。 1改造后的机尾充填过渡支架增加了支护 面积和支护强度，能更好地维护顶板，改善顶板支 护质量和作业环境，为支架后部充填作业提供了足 够的安全操作空间。 2解决了现有沿空留巷专用支护系统中挡 矸效果、支架稳定性差及采空侧挡矸支架易倾斜、 拉移困难等问题，后部挡矸支架稳定性提高，移架 更顺畅，新型挡矸装置的研发有效避免了采空区漏 矸。 3沿空留巷专用支护系统实现了电液控制。 4采用 “Y”型通风方式，有效缓解突出 煤层衔接紧张、风量紧张、防突压力大的被动局 面。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 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 79－80. ［ 2］ 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 2 183－186. ［ 3］ 孙恒虎，赵炳利 . 沿空留巷的理论与实践 ［M］． 北京煤炭 工业出版社，1993. ［ 4］ 康红普，牛多龙，张镇，等 . 深部沿空留巷围岩变形特征 与支护技术 ［J］． 岩石力学与工程学报，2010，29 10 1977－1987. ［ 5］ 李化敏 . 沿空留巷顶板岩层控制设计 ［J］． 岩石力学与工程 学报，2000，19 5 651－654. ［ 6］ 康红普，姜鹏飞，蔡嘉芳 . 锚杆支护应力场测试与分析 ［J］． 煤炭学报 优先出版 ，2014，39 8 1521－1529. ［ 7］ 林健，孙志勇 . 锚杆支护金属网力学性能与支护效果实验 室研究 ［J］． 煤炭学报 优先出版 ，2013，38 9 1542－ 1548. ［责任编辑 林 健］ 56 何明 采煤工作面沿空留巷专用支护系统研究2017 年第 6 期 ChaoXing