回撤通道沿空留巷技术初探_王建利.pdf

回撤通道沿空留巷技术初探 王建利1， 2，冯业文1，郭普1，徐营1 1. 中国矿业大学，江苏 徐州 221116; 2． 陕西汇森煤业开发有限责任公司，陕西 西安 710000 ［ 摘 要］为了最大限度地采出煤炭资源和延长矿井服务年限，将回撤通道沿空留巷应用于一 些老矿区。以南屯矿 73 上 27 工作面为工程背景，通过工作面顶板破断力学分析和留巷期间围岩应力 分布和变形规律数值模拟，对回撤通道沿空留巷技术进行初步研究。研究结果表明，把沿空留巷应用 于回撤通道是可行的。最终提出的回撤通道沿空留巷施工工艺对现场实践具有一定的指导意义。 ［ 关键词］回撤通道; 沿空留巷; 数值模拟; 围岩控制 ［ 中图分类号］ TD353［ 文献标识码］ B［ 文章编号］ 1006- 6225 2016 01- 0043- 04 Retaining Roadways along Goaf Technology of Dismantling Tunnel ［ 收稿日期］ 2015 －09 －11［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11 －3677/td. 2016. 01. 011 ［ 作者简介］ 王建利 1964 － ，男，陕西富平人，陕西汇森煤业开发有限责任公司董事长，现为中国矿业大学在读博士生，研究方向为矿 山压力与岩层控制。 ［ 引用格式］ 王建利，冯业文，郭普，等 . 回撤通道沿空留巷技术初探 ［J］． 煤矿开采，2016，21 1 43 －46. 近年来，随着矿井开采强度的不断增大，许多 矿井的煤炭资源濒临枯竭。尤其在我国中东部地 区，存在着不少建国时期的老矿井，经过近几十年 高强度地煤炭开采，有些煤矿已经进入衰老期，只 能靠回收矿区内边角煤柱等残煤资源来维持矿井的 产量 ［1 －4 ］。 南屯煤矿经过多年的高强度开采，煤炭资源急 剧减少，严重影响了矿井的可持续生产。为了保证 矿井的正常产量，南屯煤矿准备对在长期的开采过 程中矿井里遗留的边角煤炭进行开采。进行边角煤 柱开采时，由于受到地质条件的限制，布置的煤柱 回收工作面不一定沿煤层走向 倾向顺序排列， 有时工作面间呈斜交排列，即一个工作面回撤通道 与另一工作面的回采巷道平行，如南屯煤矿 73 上 27 工作面与 73 上 28 工作面 图 1 。 图 1工作面平面位置 为取消 73 上 27 工作面回撤通道与 73 上 28 工 作面回采巷道之间的保护煤柱，减少煤炭资源的损 失，可将 73 上 27 工作面回撤通道作为 73 上 28 工 作面回采巷道的一部分，可对该回撤通道开展沿空 留巷技术应用，既提高了煤炭采出率，又降低了巷 道掘进率 ［5 －8 ］。 与回采巷道沿空留巷不同，回撤通道沿空留巷 的目的是回撤液压支架，二者在留巷工艺和围岩控 制技术上有较大差别。参考国内外众多文献，关于 回撤通道沿空留巷技术研究较少。因此，进行回撤 通道沿空留巷技术的研究十分必要且意义重大，不 仅能够填补国内外研究的空白，更能为现场实践提 供理论指导。 1工作面顶板破断力学分析 回撤通道形成后，根据上覆顶板断裂线的位置 以及工作面末采阶段是否发生周期来压，可将工作 面末采阶段上覆岩层划分为 3 种类型 停采线后方 断裂、回撤通道上方断裂以及工作面煤壁上方断 裂 ［9 －11 ］。第一种结构基本顶相对稳定，回撤通道 顶板只承受上覆岩体的静载荷作用，支架回撤时受 到的影响相对较小。后两种结构基本顶的活动较为 显著，支架回撤时，岩块极有可能回转下沉，从而 对回撤通道产生动压作用，导致回撤通道围岩变形 破坏进一步加剧。由此可知，当上覆岩层在停采线 后方破断时对回撤通道的影响最小。 当上覆岩层断裂线位置在工作面后方时，由于 工作面推进到回撤通道附近停采线时已发生了一次 来压，而回撤通道贯通时，下一次采场周期来压还 没有发生，此时回撤通道上覆岩层处于稳定阶段 图 2 。由图可得，当回撤通道上覆岩层稳定后， 岩块 A 可以看作是对回撤通道顶板活动有重要影 响的上覆岩块。 34 第 21 卷 第 1 期 总第 128 期 2016 年 2 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 1 Series No. 128 February2016 图 2基本顶在停采线后方断裂 由于回撤通道上覆岩层一端处于煤壁和回撤通 道的支护作用下，而另一端悬空发生弯曲下沉。随 着回撤通道内综采液压支架的回撤，巷道上覆岩层 悬空跨距增加，此刻，回撤通道上覆岩层结构可近 似简化为一端固定、一端悬空的悬臂梁 图 3 。 q 岩深所受均布载荷; L岩梁长度; θ悬臂梁转角; v悬臂梁挠度 图 3悬臂梁的力学结构模型 由于悬臂梁最大转角 θB和最大挠度 vB都发生 在 B 处，经过计算得出 θB和 vB分别为 θB － qL3 6EI υB － qL4 8EI 式中，I 为弹性模量; I 为惯性矩。 回撤通道贯通后，巷道顶板仅承受上覆岩体的 静载荷作用，只要对回撤通道采取合理的支护方 式，便能够保证巷道的安全稳定与工作面支架的顺 利回撤。根据 73 上 27 工作面来压步距，如回撤通 道上覆岩层破断线位于回撤通道或煤壁上方，则需 要在停采之前对工作面后方上覆岩层进行强制放 顶，用以减少回撤通道撤架和沿空留巷的顶板来 压。 传统的巷旁支护或存在支护阻力或可变形量无 法适应沿空留巷围岩变形以及无法有效隔绝采空 区、难以实现高机械化等缺点。高水速凝材料是一 种特殊的水泥混合材料，其突出优点是材料中水体 积较大，固体材料可以达到 10 以下，固体材料 的利用率高以及材料凝固性好。高水速凝材料应用 于沿空留巷回撤通道中，没有传统巷旁支护出现的 上述问题，能够满足留巷期间的强度要求，作为回 撤通道沿空留巷巷旁支护材料十分理想。 2留巷期间围岩应力分布和变形规律 2. 1回撤通道尺寸的确定 1撤架通道宽度73 上 27 工作面中间支架 外形尺寸为 4970mm 1450mm 1700mm，回撤通 道需要留巷宽度为 4m。 根据设计的撤架工艺，在支架回撤时会受到充 填体和煤壁以及相邻待撤支架底座的阻挡，以此对 支架旋转空间进行计算 图 4 。图中支架、回撤 通道和充填体均按各自真实大小按比例画出。由图 可知，当回撤通道宽 4. 0m 时，液压支架可以轻松 回撤，并且巷旁充填体与被撤支架之间的间距 a 可 以为零，即巷旁充填体可以紧挨被撤支架构筑。 图 4支架旋转空间尺寸 2回撤通道高度的计算回撤通道高度的 计算公式为 H La Lb Lc Ld Le Lf 式中，La为枕木高度，取 0. 15m; Lb为钢轨高度， 取 0. 10m; Lc为运架平板车高度，取 0. 35m; Ld为 支架下缩后最小高度，取 1. 7m;Le为挂滑轮支架 顶梁 厚 度，取 0. 3m;Lf为 支 架 悬 吊 高 度，取 0. 4m。 将数据代入公式计算可得 H 3. 0m，则回撤 通道高度为 3. 0m。 2. 2模型建立 以南屯煤矿 73 上 27 工作面为工程背景，采用 FLAC3D数值模拟软件，模拟分析回撤通道沿空留 巷期间巷道围岩应力分布和变形规律。南屯煤矿 73 上 27 工作面煤层平均厚度为 2. 52m，平均倾角 为 4，工作面平均埋深 430m 左右。巷道断面形状 为矩形，高 宽 3. 0m 4. 0m，沿煤层底板掘进， 巷道顶底板岩层物理力学参数如表 1 所示。 表 1数值计算模型岩体力学参数 名称厚度/m 密度/ kgm －3 弹性模 量/GPa 泊松比 黏聚力 C/MPa 上覆岩层15. 026503. 10. 262. 7 基本顶5. 625603. 00. 252. 2 直接顶3. 524502. 20. 272. 3 煤层2. 514201. 20. 351. 5 直接底1. 325502. 70. 263. 2 基本底4. 824505. 50. 254. 1 下覆岩层15. 025503. 10. 242. 7 充填体3. 017002. 50. 182. 4 44 总第 128 期煤矿开采2016 年第 1 期 2. 3围岩应力分布特征 1留巷稳定后围岩应力分布回撤通道围 岩应力分布如图 5 所示。 图 5留巷后回撤通道围岩应力分布 由图 5 可知，回撤通道顶底板一定范围内出现 低应力区，垂直应力峰值转移到回撤通道两帮，其 中垂直应力最大值位于实体煤帮侧，充填体侧顶板 下沉量较大，巷道底鼓较小; 水平应力峰值出现在 巷道顶板深部，回撤通道实体煤帮水平应力降低。 2回撤通道顶板变形特征回撤通道顶板 下沉曲线见图 6。 图 6回撤通道顶板下沉曲线 从图中可得，顶板下沉量随距撤架距离的增大 而增大。当距撤架距离为 0 ～30m 时，顶板下沉量 急剧增大，下沉速度较快; 当距离回撤支架位置大 于 30m 时，顶板下沉速度逐渐减小;当距离回撤 支架位置大于 80m 时，顶板下沉量趋于稳定，最 大达到 198mm。由此可得，当液压支架回撤时， 需要在撤架位置后方 80m 的范围内加强支护。 2. 4二次回采期间回撤通道围岩变形情况 由图 7 a可以看出 在工作面前方 0 ～20m 区域内顶板变形较为剧烈，超过 20m 以后，回撤 通道 顶 板 下 沉 趋 于 稳 定，总 的 顶 板 下 沉 量 为 550mm 左右; 由图 7 b可以看出在工作面前 方 0 ～ 15m 区域内实体煤帮变形较为剧烈，超过 15m 以后，回撤通道实体煤帮变形趋于稳定，煤帮 移近量约为 229mm 左右;由图 7 c可以看出 在工作面前方 0 ～ 15m 区域内底板变形较为剧烈， 超过 15m 以后，回撤通道底板变形趋于稳定，沿 空留巷总的底板移近量约为 104mm 左右。 图7二次回采期间巷道前方围岩变形规律 综合上述分析，二次回采期间，超前工作面 20m 范围内，本工作面前支承压力与上工作面残余 支承压力发生叠加，导致回撤通道围岩应力较大， 巷道变形严重。因此在工作面回采过程中，应对工 作面前方 20m 范围内的回撤通道进行加强支护。 整体来看，所留回撤通道共经历撤架 － 留巷、 二次回采两个阶段的影响。支架回撤后，顶板下沉 带来的载荷作用到回撤通道巷旁充填体上，使充填 体承载显著增加，充填体进入变形阶段。受工作面 回采的扰动影响，顶板活动明显增加，巷道围岩应 54 王建利等 回撤通道沿空留巷技术初探2016 年第 1 期 力环境遭到破坏，相邻工作面回采过程中产生的超 前支承压力与原工作面采空区的残余支承压力在一 定范围交叉形成叠加效应，给回撤通道的维护带来 更大的困难。尤其是在二次回采工作面前方 20m 范围之内，回撤通道所受影响最为严重，这期间， 需对回撤通道加强支护。 3回撤通道沿空留巷施工工艺 工作面推进到设计停采线以前，在支架上方提 前上绳 7 道，提前进行锚网索带支护; 在回采到设 计停采线以后，对所要保留下来的回撤通道顶帮进 行锚网索补强支护，形成巷内支护体系; 回撤通道 贯通后，需要在巷道底板进行铺轨用于回撤支架， 在支架回撤的同时用单体支柱或木点柱进行临时支 护。当临时支护工作完成之后，在回撤通道采空区 侧使用高水材料构筑巷旁充填体。撤架、沿空留巷 施工工艺流程如图 8 所示。 图 8施工工艺流程 4结论 1为了最大限度地回收煤炭资源和延长服 务年限，有些煤矿已经进入回收矿区内边角煤的阶 段。合理的工作面布置和回采工艺设计是安全、高 效回收以上困难区域煤炭资源的保障。在合理布置 工作面的前提下，提出将采用高水速凝材料留巷技 术应用于回撤通道中。 2根据上覆顶板断裂线的位置，可将工作 面末采阶段上覆岩层划分为 3 种类型，回撤通道沿 空留巷的最佳顶板结构为基本顶在停采线后方断 裂，并且只要对回撤通道采取合适的支护方式，便 能保证工作面支架的顺利撤出。 3回撤通道沿空留巷共经历撤架 － 留巷、 二次回采两个阶段的影响。当液压支架回撤时，需 要在撤架位置后方 80m 的范围内加强支护;在工 作面回采过程中，应对工作面前方 20m 范围内的 回撤通道进行加强支护。 4对采用高水材料构筑巷旁充填体的回撤 通道沿空留巷施工工艺进行初步设计，对工程实践 有一定指导意义。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 林伯强 . 中国能源发展报告 2008 ［ M］ ． 北京中国财政经济 出版社，2008. ［ 2］ 王淮海 . 我国能源结构与资源利用效率分析 ［N］． 中国信息 报，2006 －04 －19. ［ 3］ 国家煤矿安全监察局 . 中国煤炭工业年鉴 ［M］． 北京 煤炭 工业出版社，2007. ［ 4］ 崔民选 . 中国能源发展报告 2012［M］ ． 北京社会科学 文献出版社，2012. ［ 5］ 李永生，刘彦昌 . 锚网支护在综采工作面回撤通道中的应用 ［ J］． 煤炭科学技术，2010，38 4 35 －36，74. ［ 6］ 郑书兵，康红普，董文敏，等 . 大采高工作面撤架通道加固 支护技术 ［ J］ ． 煤炭科学技术，2006，34 10 33 －36. ［ 7］ 柏建彪 . 沿空掘巷围岩控制 ［M］ ． 徐州 中国矿业大学出版 社，2006. ［ 8］ Xuanmin Song，Zhongmin Jin. 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