完全沿空掘巷支护技术研究_薛吉胜.pdf

完全沿空掘巷支护技术研究 薛吉胜1， 2，赵德强3，尚磊磊4 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 开采设计研究分院，北京 100013; 3. 兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000; 4. 大同煤矿集团有限责任公司 同家梁矿，山西 大同 037025 ［ 摘 要］基于辽宁某煤矿 1201 工作面完全沿空掘巷地质条件，针对巷旁支护体在动压作用下 容易破坏的特点，采用巷旁支护体顶部施加柔性垫层及侧向施加预应力钢筋的措施。沿空巷道巷内支 护采用高强度预应力锚杆锚索支护系统，并进行巷道煤壁侧帮 W 型钢带以及贴帮支设木支柱加强支 护，以消除巷道内不均衡载荷。FLAC3D数值模拟结果表明 巷旁支护体切顶能力强、沿空巷道支护效 果良好。现场试验巷道位移量观测表明 沿空巷道稳定性好，完全沿空掘巷支护方案可以应用到现 场。 ［ 关键词］完全沿空掘巷; 巷旁支护; 数值模拟; 巷内支护; 切顶能力 ［ 中图分类号］ TD353［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201504- 0076- 05 Supporting Technology of Roadway Completely- Driven along Gob XUE Ji- sheng1， 2，ZHAO De- qiang3，SHANG Lei- lei4 1. Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China; 2. Coal Mining ＆ Designing Research Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 3. Erdos Energy ＆ Chemistry Co. ，Ltd. ，Yanzhou Coal Group，Erdos 017000，China; 4. Tongjialiang Colliery，Datong Coal Mine Group Co. ，Ltd. ，Datong 037025，China Abstract For the geological condition of roadway completely driven along gob in 1201 mining face of a mine in Liaoning Province， roadway- side supporting body was easily be destroyed by dynamic force. Flexible cushion was added at the top of supporting body and pre- stress steel bar was applied at the side of supporting body. Pre- stress anchored bolt and cable supporting system was used in road- way supporting，aided by W- style steel belt at the coal side and wood prop for reinforcement，to eliminate unbalance load. FLAC3Dnu- merical simulation found that cutting roof ability of roadway- side supporting was strong and supporting effect was excellent. Field obser- vation for roadway displacement showed that the roadway driven along gob was stable and that the support project could be used in prac- tice. Key words completely driving roadway along gob; roadway- side supporting; numerical simulation; roadway supporting; cutting roof ability ［ 收稿日期］ 2015－02－10［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2015. 04. 022 ［ 基金项目］ 国家科技支撑计划资助项目 2012BAK04B08 ; 国家自然科学青年基金资助项目 51304115 ; 天地科技股份有限公司研发项 目 KJ－2013－TDKC－03 ［ 作者简介］ 薛吉胜 1985－ ，男，山西大同人，助理研究员，主要从事大采高综放工作面矿山压力与岩层控制方面的研究。 ［ 引用格式］ 何团，赵德强，尚磊磊 . 完全沿空掘巷支护技术研究 ［J］ . 煤矿开采，2015，20 4 76－80. 沿空掘巷在邻近工作面采完并且采空区顶板岩 层活动大体稳定以后进行，沿空巷道处于工作面侧 向应力降低区位置，巷道开掘、支护和维护成本均 大幅降低。巷旁支护体要具有合理的支护阻力，并 且增阻速度快，能切落一定高度的顶板，具有较大 的可缩量以适应沿空巷道围岩大变形。要求巷内与 巷旁支护方式选型和参数的选择上相互匹配，采用 一种能主动提供支护阻力的巷内支护方式，目前广 泛采用预应力锚固锚索支护系统 ［1－3 ］。 完全沿空掘巷巷道两侧的压力是非对称的，实 体煤一侧围岩对支护结构作用力远大于采空区一侧 对应的载荷，加上煤的强度较小，侧压系数较大， 自然形成的横向应力也较大。不对称载荷大大减小 了巷道的稳定性，削弱了抵抗动压的能力，因此巷 内支护有必要对煤壁侧帮进行加强支护，形成煤壁 侧帮－巷旁支护体对称支护系统 ［4－6 ］。 1工作面概况 该矿 12 号煤地面标高 71. 8 ～ 75. 7m，井下标 高－573～－586. 5m。煤层为复合煤，煤质较硬，最 大厚度为 4. 50m，最小为 1. 77m，平均煤厚为 3m。 12 号煤 1201 首采工作面长度 200m，巷道坡度 0～ 3。煤层局部含夹石 1～3 层，平均厚度为 0. 15m。 12 号煤及其顶底板综合柱状如图 1 所示。 67 第 20 卷 第 4 期 总第 125 期 2015 年 8 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 20No. 4 Series No. 125 August2015 ChaoXing 图 1顶底板综合柱状 2巷旁支护体参数设计 2. 1巷旁支护体可缩量确定 根据巷道围岩活动规律，基本顶以 “给定变 形”的方式作用于下方煤岩体，由于基本顶的刚 度远大于直接顶和煤体的刚度，因此顶板上边界为 施加给定变形的边界; 下边界受到巷帮煤体支撑力 P0，巷内支护阻力 P1的作用;由于上覆岩层活动 后期残留边界将沿巷帮煤体侧破断，巷道顶板左边 界可视为连杆支撑;右边界与采空区冒落矸石接 触，简化为横向阻力 P2，如图 2 所示［7－9 ］。 图 2沿空巷道顶板力学模型 由于巷道的围岩活动主要取决于裂缝带上位岩 层达到平衡状态前的沉降，所以一般根据裂缝带上 位岩层的最终下沉量 S 来预计巷道煤壁侧的下沉量 S。根据经验，裂缝带岩层距煤体极限平衡区原点 水平距离 19m 远处 即 L 19m ，基本上达到最 大下沉量 S，由此引起的煤壁下沉分量为 S1。巷道 煤体侧具有一定的压缩变形，计算时应考虑煤体边 缘的变形 S0［7－9 ］。 巷旁支护体可缩量应与沿孔巷道煤壁侧帮煤壁 下沉量相一致，得到巷旁支护体可缩量 S S0 S 1 m kγH E1 c L m kp － k p kp － 1 1 12 号煤层 1201 工作面采高 m 3m，初始碎胀 系数 kp为 1. 3，残余碎胀系数 kp为 1. 1，侧压系数 A 0. 3，煤层摩擦角 φ0 38，煤层黏聚力 c 0. 693MPa，巷道埋深 H 655m，上覆岩层的平均 容重 γ25kN/m3，应力集中系数 K 3。代入数据 计算得到巷旁支护体可缩量 S为 0. 35m。 2. 2巷旁支护体阻力确定 采用走向长壁采煤法时，采场是沿倾斜布置 的，而沿空巷道是沿走向布置的，可见沿空巷道更 相似于沿俯斜推进的采场 ［10 ］。 当煤层倾角较小和顶板岩层在垮落性能上各向 异性特征较弱时，采场空间与沿空巷道在支架围岩 平衡条件方面的共性是很大的，可以说在力学原理 上是相同的，在支护措施上是相似的。按照巷旁支 护承受载荷的原则，可将巷旁支护受力简化为如图 3 所示形式。 图 3巷旁支护体受力 对 O 点取矩，模型的力学平衡方程为 Qx a b/2 cosα 1 2 Gcosα Htan θ－ α [ x a b 2 ] 1 2 GHsinα 2 其中， H Σ m i 0hi m/ kp－ 1 ， G x a b cosα γH 式中，Q 为巷旁支护体支护强度，kN/m;x 为煤 壁极限平衡区宽度，m;a 为沿空巷道宽度，m;b 为巷旁支护体宽度，m; H 为极限切顶高度，m; G 为极限切顶高度内岩石重量，kN/m3;α 为煤层倾 角， ; θ 为顶板岩石破断角， 。 沿空巷道宽度 a 5m;巷旁支护体宽度 b 1. 5m; 煤层倾角 α 3;顶板岩石破断角 θ 45。 代入数据计算得到巷旁支护强度为 2620kN/m。 根据计算得到巷旁支护体强度为 2620kN/m， 设计 C30 混凝土即可满足要求，在 1201 工作面回 采期间，贴实体煤侧帮浇筑 1. 5m 宽度混凝土墙。 根据计算所得巷旁支护体可缩量为 0. 35m，在混凝 77 薛吉胜等 完全沿空掘巷支护技术研究2015 年第 4 期 ChaoXing 土顶部施加 0. 4m 厚混凝土柔性垫层，以增加混凝 土墙的压缩性能。针对混凝土墙承压大及容易出现 侧向变形破坏的特点，在混凝土墙体中施加预应力 钢筋，以改善混凝土墙体的承载特性。根据经验取 值，预应力钢筋间排距 0. 6m，预 应 力 设 置 为 80kN。 3沿空巷道支护参数设计 沿空巷道开挖后，沿空巷道巷内支护采用高强 预应力锚杆锚索支护系统，支护系统的刚度可有效 控制围岩变形，保持巷道稳定，实现主动、及时支 护。用金属网护顶，对巷道煤壁侧帮加强支护，施 加 W 型钢带，并贴煤壁支设 2 排木支柱加强支护， 以提高巷道煤壁稳定性，消除不对称载荷对巷道稳 定性的影响。沿空巷道净宽净高为 5000mm 3000mm，采用工程类比法进行巷道支护参数设计， 支护设计断面见图 4，顶板支护示意见图 5，支护 参数见表 1。锚杆预紧力设为 80kN，锚索预紧力 为 250kN。 图 4沿空巷道支护断面 图 5沿空巷道顶板支护示意 4沿空巷道支护数值模拟研究 运用 FLAC3D数值模拟软件，建立数值计算模 型， 模型尺寸为300m x 20m y 150m z 。 模 表 1沿空巷道支护参数 项目型号及规格备注 顶锚杆 金属纹等强锚杆 20mm 2400mm Q500 排距 800mm 帮锚杆 金属纹等强锚杆 20mm 2400mm Q335 排距 800mm 锚杆用树脂 锚固剂 树脂锚固剂 ck23352 顶锚索21. 8mm6200mm 钢绞线排距 1600mm 锚索用树脂 锚固剂 树脂锚固剂 ckz231201 钢筋梯14mmA3 圆钢， 长 2300mm 锚杆托盘 普通钢板中凸球面 150mm150mm 10mm 锚索托盘180mm130mm10mm 金属网 钢丝直径 2. 4～4. 5mm 菱形网 40mm 40mm－100mm100mm 型 x 和 z 方向分别在边界上限制水平，y 方向上固 定底边界，上边界为自由面，模型网格划分采用四 面体单元，网格划分的原则是 越靠近 12 号煤的 各岩层网格划分越密。模型选用摩尔－库仑本构模 型，煤、岩层的物理力学参数选取见表 2。巷旁支 护体顶部施加 0. 4m 厚柔性混凝土垫层，在混凝土 参数基础上降低弹性模量，取其弹性模量的 1， 其他参数不变。 表 2煤岩物理力学性能指标 岩性 密度/ kgm －3 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 黏聚 力/MPa 内摩擦 角/ 抗拉强 度/MPa 粗砂岩23807. 244. 425. 1382. 3 中砂岩26809. 976. 183. 9272. 0 细砂岩26408. 674. 425. 2382. 2 粉砂岩28768. 144. 873. 4412. 4 泥岩28869. 436. 363. 2282. 1 12 号煤1330 5. 653. 674. 8174. 3 细粒砂岩26408. 674. 425. 2382. 2 混凝土墙240020. 012. 04. 3462. 7 进行巷旁支护体切顶能力及沿空巷道稳定性分 析。模拟顺序为模型建立→1201 回风巷开挖并 支护→加设巷旁支护体→1201 工作面开挖→运算 监测→开挖沿空巷道 1202 运输巷 →沿空巷道 巷内支护→运算监测。 4. 1巷旁支护体切顶能力数值模拟分析 4. 1. 1巷旁支护体承载稳定性分析 切顶阶段垂直应力等值线分布规律见图 6，图 中垂直应力单位为 MPa。由于在巷旁支护体顶部 施加了 0. 4m 厚柔性垫层，增加了巷旁支护体的可 缩量，巷旁支护体并未出现明显的应力集中，只是 在巷旁支护体两侧存在小范围应力集中，垂直应力 达到 35MPa，巷旁支护体中部垂直应力 27MPa 左 87 总第 125 期煤矿开采2015 年第 4 期 ChaoXing 右，内部存在稳定承载区域，说明巷旁支护体能够 稳定承载。 图 6切顶阶段垂直应力分布 切顶阶段水平应力等值线分布规律见图 7，图 中水平应力单位为 MPa。巷旁支护体水平应力为 14MPa 左右，未出现明显受拉区域，说明预应力 钢筋明显改善了巷旁支护体的受力状态，提高了巷 旁支护体的承载能力，巷旁支护体稳定。 图 7切顶阶段水平应力分布 4. 1. 2巷旁支护体切顶能力分析 切顶阶段垂直位移等值线分布规律见图 8，图 中位移单位为 m。上区段工作面开挖影响稳定后， 巷旁支护体两侧位移差值明显，采空区侧顶板下沉 量远大于实体煤侧，最大达到 1. 4m，说明巷旁支 护体切顶能力强，切顶效果好。 图 8切顶阶段垂直位移分布 4. 2沿空巷道支护效果数值模拟分析 沿空巷道垂直应力等值线分布规律见图 9，图 中应力单位 MPa。混凝土墙垂直应力最大在25MPa 左右，最小为 10MPa 左右，垂直应力明显减小， 说明巷旁支护体有效切顶后，顶板压力明显较小。 同时煤壁侧帮出现 1. 5m 左右深度的应力集中，垂 直应力在 30MPa 左右，说明由于煤壁与巷旁支护 体压缩刚度不一致，巷内两侧存在明显的不均衡载 荷。煤壁侧密集支柱垂直应力达到40MPa，有效维 护了煤壁处顶板，同时 2. 4m 深度预应力帮部锚杆 提高了煤体的承载能力，二者协同作用，消除了部 分不均衡载荷的影响。 图 9沿空巷道垂直应力等值线分布 沿空巷道水平应力等值线分布规律见图 10， 图中应力单位为 MPa。巷道肩角及顶底板深部并 未出现应力集中现象。分析原因在于沿空巷道是在 应力降低区开掘，已充分卸压，并且顶部预应力锚 杆锚索提高了顶板的整体性，降低了水平应力的影 响。 图 10沿空巷道水平应力等值线分布 沿空巷道垂直位移等值线分布规律见图 11， 图中位移单位为 m。开挖后顶板移近量为 300mm， 底板移近量达 100mm， 位移变化量在合理范围内， 沿空巷道稳定。 数值模拟结果表明 巷旁支护体在切顶阶段稳 定性好，能够有效切顶。沿空巷道开挖完成后，在 巷旁和巷内支护的共同作用下， 应力状态分布良好， 巷道顶底板移近量在合理范围内， 沿空巷道稳定。 97 薛吉胜等 完全沿空掘巷支护技术研究2015 年第 4 期 ChaoXing 图 11沿空巷道垂直位移等值线分布 5试验巷道应用效果 下区段 1202 工作面开采过程中，采用十字布 点法进行沿空巷道围岩表面位移量监测，根据监测 结果绘制位移变化曲线，如图 12 所示。从观测结 果来看，测点距 1202 工作面 55m 处，沿空巷道开 始显著变形，最终两帮收敛量达到 91mm，煤壁侧 帮变形达到 60mm，巷旁支护体侧向变形相对较 小，达到 30mm，顶板位移量达到 37mm。沿空巷 道位移变化量在允许范围内，巷道维护稳定。 图 12沿空巷道表面位移曲线 6结论 通过理论计算得到巷旁支护体支护强度及可缩 量 ， 确定巷旁支护体采用1. 5m厚混凝土墙。 巷旁 支护体顶部施加 0. 4m 厚柔性垫层;巷旁支护体侧 向施加预应力钢筋，预应力钢筋间排距 0. 6m，预 应力为 80kN。沿空巷道巷内支护采用高强度预应 力锚杆锚索支护系统，采用工程类比法进行巷内支 护参数设计，并进行巷道煤壁侧 W 型钢带以及贴 帮支设木支柱加强支护。 数值模拟结果表明巷旁支护体存在稳定承载 区，切顶阶段能够稳定承载，切顶效果良好，沿空 巷道支护效果良好。试验巷道现场实测表明下区段 1202 工作面开采过程中，沿空巷道顶底板及两帮 变形量在合理范围内，巷道维护稳定，完全沿空掘 巷方案可以应用到现场。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 康红普 . 深部煤巷锚杆支护技术的研究与实践 ［J］ . 煤矿开 采，2008，13 1 1－5. ［ 2］ 侯朝炯，李学华 . 综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原 理 ［ J］ . 煤炭学报，2001，26 1 1－7. ［ 3］ 牟彬善，吴兰荪，刘现贵，等 . 沿空掘巷无煤柱开采技术实 践 ［ J］ . 煤矿开采，1999，4 2 17－19. ［ 4］ 郭相平，都海龙，王涛 . 孤岛工作面高应力区域沿空掘巷 强力支护技术 ［J］ . 煤矿开采，2013，18 4 69－73. ［ 5］ 李磊，柏建彪，王襄禹 . 综放沿空掘巷合理位置及控制技 术 ［ J］ . 煤炭学报，2012，37 9 1564－1569. ［ 6］ 柏建彪 . 沿空留巷巷旁支护技术的发展 ［J］ . 中国矿业大学 学报，2004，15 12 113－116. ［ 7］ 孔祥义，何团，李凯强 . 煤矿沿空掘巷巷旁支护体参数设 计 ［ J］ . 科技导报，2013，31 20 31－34. ［ 8］ 徐张保 . 沿空留巷技术在回采巷道中的应用 ［ J］ . 煤矿安全， 2006，8 2 39－41. ［ 9］ 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，2010，4 7 25－29. ［ 10］ 郭育光，柏建彪，侯朝炯 . 沿空留巷巷旁充填体主要参数的 研究 ［J］ . 中国矿业大学学报，1992，1 2 77－83. ［责任编辑 姜鹏飞］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 58 页 ［ 参考文献］ ［ 1］ 纪多香 . 浅谈综采液压支架大修工艺 ［J］ . 煤矿机电，2008 2 80－82. ［ 2］ 郝春玲 . 液压支架立柱检修工艺 ［J］ . 煤矿机械，2003，24 5 79－81. ［ 3］ 王国法 . 液压支架技术 ［M］ . 北京煤炭工业出版社， 1999. ［ 4］ 张辉 . 煤矿综采液压支架立柱检修工艺 ［J］ . 科技向导， 2011 18 192－193. ［ 5］ 雷天觉，等 . 液压工程手册 ［M］ . 北京机械工业出版社， 1994. ［ 6］ 黄磊 . 液压支架掩护梁可靠性工程方法研究 ［D］ . 太原 太原理工大学，2012. ［ 7］ 尚慧岭，樊晋予，赵恒，等 . 液压支架立柱缸体不锈钢镶 套修复 ［J］ . 煤矿机械，2010，31 11 183－185. ［ 8］ 宇汝文 . 液压支架立柱加长段拆卸拉力机的研制 ［J］ . 煤矿 机械，2005，26 8 87－88. ［ 9］ 刘文良，朱庆波，孙晓亮，等 . 一种推移千斤顶挡块结构的 研究设计 ［ J］ . 价值工程，2011，30 20 24. ［ 10］ 孙晓亮，朱庆波，张少秋，等 . 浅谈 ZY6400/12/24 型掩护 式液压支架研制［ J］ . 机械工程与自动化， 2010 6 170－171. ［ 11］ 薛鸿渐 . 综采液压支架立柱大修 ［J］ . 机械工程师，2005 7 151－152. ［ 12］ 张晓东 . 液压支架的维修技术浅析 ［J］ . 科技创新与应用， 2013 3 100.［责任编辑 徐亚军］ 08 总第 125 期煤矿开采2015 年第 4 期 ChaoXing