金凤煤矿大采高工作面沿空留巷应用研究.pdf

学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名日期 论文题目金凤煤矿大采高工作面沿空留巷应用研究 工程领域建筑与土木工程 硕 士 生刘文学（签名） 指导教师王晓利（签名） 李玉民（签名） 摘要 金凤煤矿 011802 综采工作面为一采区首采工作面，平均煤层厚度 4.2m，煤层倾向 6，走向 5～14，平均埋深 180m。由于接续工作面走向长度较长，两巷掘进过程中 断层、地质构造带多，很难保证正常掘进速度。为确保新建矿井采掘正常接续及原煤生 产产量，并尽快实现达产，结合金凤煤矿地质及开采条件，决定在首采工作面实施沿空 留巷。但是，我国大采高工作面在日均推采 8m、留巷巷宽 5m 条件下成功进行沿空留 巷的工程实例较少，尚无成熟经验借鉴，为此开展金凤煤矿大采高工作面沿空留巷应用 研究。 本论文采用理论分析及计算、数值模拟及工业性试验相结合的方法，对矿井地质条 件及沿空留巷工作面开采条件进行了梳理，在分析围岩活动及变形规律的基础上，总结 了大采高工作面沿空留巷的支护特点；采用“分离岩块法”进行理论计算并结合前述支 护特点进行了大采高工作面沿空留巷相关支护设计，基于上述分析及设计，进行了工业 性试验。 金凤煤矿 011802 综采工作面回风巷采用柔模混凝土支护技术进行沿空留巷，针对 回采工作面推进速度快、巷旁日均混凝土充填量大的特点，采用柔模混凝土制备输送机 组成套设备进行沿空留巷施工，并成功留巷 610m，留巷巷道作为 011801 综采工作面运 输巷使用。巷道稳定后，顶板最大下沉量 240mm，两帮最大移近量 95mm，所留巷道断 面保持在 13m2以上。留巷达到预期效果，满足后续生产需要。 011802 综采工作面实施沿空留巷后，少掘巷道产生的经济效益为 73.2 万元，回收 煤柱产生的经济效益为 1148 万元。截至目前该技术已在金凤煤矿十八煤后续三个工作 面推广，为类似地质及开采条件矿井开展沿空留巷提供了技术途径及借鉴经验。 关 键 词大采高；大断面；高产高效；沿空留巷；柔模混凝土 研究类型应用研究 SubjectApplication Research of Gob-side Entry Retaining in JinFeng Large Mine height Coalface Specialty Architecture and civil Engineering Name Liu Wen-Xue（（Signature）） Instructor Wang Xiao-li（（Signature）） Li Yu-Min（（Signature）） ABSTRACT The 011802 fully mechanized coalface is the first coalface of JinFeng mine. The average thickness of the coal seam is about 4.2m, the inclination angle is 6, the coal seam angle is 5 ～ 14 , and the average depth is 180m. It is very hard to ensure the normal driving speed because of the long lengh of connection working and difficulties in Geological fault and geological tectonic belt. To ensure the normal continuation and production of coal mining, as well as to achieve the goal of production as soon as possible, they decide to implement the gob-side entry retaining on the first coalface after analysis of the geological and mining conditions. However, it is lack of the experiences, even there is only a few instances on engineering gob-side entry retaining under date mining 8m and the wide of the tunnel 5m puts into practice. So it is very necessary to conduct the application research of gob-side entry retaining in JinFeng large mine height coalface. This paper mainly focus on reorganize the of theoretical analysis, numerical simulation and industrial experiment to study the geological condition of coal mine , the mining conditions of the gob-side entry retaining working face, to analysis the movement and deation law of surrounding rock, to get the characteristics of the gob-side entry support. Using the separation of rock block to design the supporting system of the gob-side entry tunnel and conduct industrial experiments. The 011802 fully mechanized coalface of JinFeng mine uses the flexible work and concrete gob-side entry retaining technology, because of the high speed and large volume of concrete every day, so the Preparation of transport units using the flexible work concrete equipment carried gob-side entry construction. Sucessfully complete 610m,the tunnel will be used as the transportation tunnel of 011801fully mechanized coalface .The maximum subsidence of the roof is 240mm,the maximum nearer quantity of tunnel sides is 95mm,the tunnel area is more than 13m2.The construction achieves the desired results and satisfied the production need. The implementation, gob-side entry on 011802 fully mechanized coalface, gains the economic benefits of 732,000 RMB on driving tunnel and 11,480,000 RMB on coal column. The technology has been developed in next three coalface of JinFeng mine. And it provides s and experiences of gob-side entry retaining in the coal mine of the similar geological and mining conditions. KeywordsLarge mining height; Large section; High yield and High efficiency; Gob-side entry retaining; Flexible work concrete; ThesisApplication Research 目录 I 目录 1 绪论..........................................................................................................................................1 1.1 选题背景及意义...........................................................................................................1 1.2 国内外研究及发展现状...............................................................................................2 1.2.1 国内外研究现状................................................................................................2 1.2.2 国内外沿空留巷发展现状................................................................................3 1.3 柔模混凝土支护技术的发展和应用现状...................................................................3 1.4 研究内容及研究方法..................................................................................................4 2 依托工程地质和开采条件......................................................................................................6 2.1 矿井地质条件...............................................................................................................6 2.2 矿井生产系统...............................................................................................................7 2.3 沿空留巷工作面地质条件...........................................................................................8 2.3.1 工作面概况..........................................................................................................8 2.3.2 煤层及顶底板情况..............................................................................................8 2.3.3 地质构造..............................................................................................................9 2.3.4 影响回采的其它地质因素................................................................................10 2.3.5 工作面巷道布置................................................................................................10 2.4 采煤方法及回采工艺流程.........................................................................................10 2.5 工作面设备配套.........................................................................................................11 2.6 沿空留巷地质及开采条件分析.................................................................................11 2.7 本章小结.....................................................................................................................12 3 沿空留巷支护设计研究........................................................................................................12 3.1 沿空留巷围岩活动及变形规律.................................................................................13 3.1.1 沿空留巷围岩活动规律...................................................................................13 3.1.2 沿空留巷围岩变形规律....................................................................................14 3.2 复采阶段围岩的应力分布规律................................................................................15 3.3 大采高工作面沿空留巷支护特点.............................................................................16 3.4 补强支护设计.............................................................................................................17 3.4.1 巷道支护............................................................................................................17 3.4.2 巷道补强支护....................................................................................................18 3.4.3 补强支护校核....................................................................................................19 3.5 巷旁支护设计.............................................................................................................22 3.5.1 巷旁充填体的作用............................................................................................22 西安科技大学工程硕士学位论文 II 3.5.2 巷旁支护设计方法............................................................................................22 3.5.3 柔模混凝土墙体破坏机理................................................................................23 3.6 待浇筑空间支护.........................................................................................................24 3.7 滞后临时支护设计.....................................................................................................25 3.8 沿空留巷总体支护.....................................................................................................25 3.9 数值模拟分析.............................................................................................................26 3.9.1 数值模型的建立................................................................................................27 3.9.2 数值模拟结果分析............................................................................................28 3.10 本章小结...................................................................................................................31 4 大采高工作面沿空留巷工业性试验....................................................................................32 4.1 柔性模板设计.............................................................................................................33 4.2 柔模混凝土设计.........................................................................................................33 4.2.1 柔模混凝土各组料............................................................................................34 4.2.2 柔模混凝土配合比............................................................................................34 4.3 沿空留巷施工材料.....................................................................................................35 4.4 施工工艺及流程.........................................................................................................35 4.4.1 墙体自稳性措施................................................................................................36 4.4.2 混凝土制备输送工艺........................................................................................37 4.5 施工设备配套.............................................................................................................38 4.5.1 设备配套原则....................................................................................................38 4.5.2 设备生产能力....................................................................................................39 4.5.3 配套设备参数....................................................................................................39 4.6 施工设备布置.............................................................................................................44 4.7 辅助系统.....................................................................................................................44 4.8 经济及社会效益.........................................................................................................45 4.9 本章小结.....................................................................................................................46 5 矿压监测与分析....................................................................................................................46 5.1 监测目的及内容.........................................................................................................47 5.2 测站布置.....................................................................................................................47 5.3 监测方法.....................................................................................................................47 5.4 矿压观测数据分析.....................................................................................................49 5.5 沿空留巷效果.............................................................................................................53 5.6 本章小结.....................................................................................................................54 6 结论与展望............................................................................................................................54 目录 III 6.1 结论.............................................................................................................................55 6.2 展望.............................................................................................................................55 致谢.......................................................................................................................................56 参考文献...................................................................................................................................57 附录.......................................................................................................................................59 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及意义 沿空留巷技术不仅是回收区段煤柱、降低巷道掘进率、缓解采掘接续紧张、防止采 空区残煤自然、实现地下煤炭完全开采的一项重大技术，同时该技术也是矿山对采煤方 法革新、实现 Y 型通风方式、H 型通风方式、治理工作面上隅角瓦斯超限难题的有效途 径。沿空留巷技术具有明显的技术优势，经济效益显著[1,2]。 柔模混凝土沿空留巷是一种新型的无煤柱开采技术，该技术 2009 年首次应用于峰 峰集团羊渠河煤矿 8459 薄煤层普采工作面， 截止目前该技术已经在我国 20 余对矿井近 40 个工作面进行了应用推广[3]。其技术关键是在工作面回采过程中端头支护效应消失 前，在留巷专用液压支架或单体的有效支撑下，使用配套巷旁充填设备将充填物料输送 至巷旁挂设好的柔模内，在采空区侧与回采巷道间形成一道密实连续的墙，弥补回采造 成的巷道一帮的缺失，与留巷巷道构建的支护体系形成一个整体，共同承担回采动压及 其它的压力，维护巷道稳定并隔绝瓦斯等其它有害气体，防止采空区残煤发火自然，以 便该巷用于下区段工作面回采[4]。 截止目前，该技术主要进行了柔模性能、巷旁支护材料、混凝土制备工艺、挡矸维 护、设备配套等方面的研究工作。在薄煤层采煤工作面及中厚煤层工作面，柔模混凝土 沿空留巷支护技术较为成熟， 但在地质条件和开采条件复杂的厚煤层工作面进行沿空留 巷时，仍存在较多技术难题，从而限制了该技术在厚煤层工作面的广泛应用及推广。 金凤煤矿隶属于神华宁夏煤业集团有限责任公司，位于宁东马家滩矿区，矿井设计 产能 400 万吨/年，011802 首采工作面于 2011 年 8 月投入试生产。由于接续工作面长度 较长，且在两巷掘进过程中断层、地质构造带多，很难保证正常掘进速度[5]。金凤煤矿 能否顺利达产直接影响到宁东能源工业基地中化工项目的经济效益和社会效益， 为确保 矿井投产后采掘工作正常接续、原煤生产产量及尽早达产，结合 011802 综采工作面地 质及开采条件，考察研究后决定在该工作面回风巷实施柔模泵注混凝土沿空留巷，以实 现缓解矿井采掘接续紧张、 提高原煤产量并及早达产的目的。 011802 综采工作面实施沿 空留巷，需解决以下三个主要问题 （1）倾向 6条件下，4.2m 厚煤层综采工作面巷旁支护参数的确定； （2）5m 宽大断面沿空巷道支护； （3） 走向 5～14条件下， 大采高工作面快速推进沿空留巷的施工工艺及设备配套 选型。 西安科技大学工程硕士学位论文 2 1.2 国内外研究及发展现状 1.2.1 国内外研究现状 英国学者 Whi-ttaker 等人[6]在 Wilson 模型的基础上，利用岩体结构静力关系，建立 了“分离岩块”力学模型，该理论认为巷旁充填体上方一定范围内分离岩块的重量构 成了巷旁充填体荷载，为计算巷旁支护体的载荷建立了一种可行的力学模型。 苏联学者胡托尔诺依[7]将采场矿压悬梁模型引入到沿空留巷的研究中，得到了计算 巷旁支护切断直接顶的工作阻力计算公式。 英国学者 smart[8]提出了较有影响的顶板悬梁倾斜理论， 该理论首次提出了巷旁支护 可以控制老顶的位态。其基本思想是通过巷旁支护限制留巷巷内顶板的下沉量，同时指 出顶板下沉时的倾斜角和顶板转动支点位置是巷旁支护设计的两个重要参数。 国内许多煤矿工作者对沿空留巷进行了深入的研究，具体如下。 孙恒虎教授等[9]根据煤层顶板特征和弹塑性力学的有关理论，将长壁工作面沿空留 巷的煤层顶板简化成了层间结合力忽略不计的矩形“叠加层板”，认为沿空留巷支护载 荷只与短支承边界的载荷有关。 郭育光教授等研究[10]认为，巷旁支护应具有早期强度高、增阻速度快的特点，应紧 随工作面构筑，及时支护直接顶，避免与上部基本顶离层，并切断直接顶，减小巷旁支 护载荷，控制巷道变形。随着工作面推进，巷旁支护阻力应达到切顶阻力，当基本顶的 弯矩在巷旁支护边缘附近达到极限时，切断基本顶。岩石垮落破碎后体积增大，当充满 采空区时， 更上位岩层在煤体和矸石的支撑下， 取得运动平衡， 巷道围岩变形趋向缓和。 采高决定巷旁支护的切顶高度。 巷旁支护阻力大小应根据块体不同时期的平衡条件推导 出不同时期的巷旁支护阻力的计算式。 华心祝教授等[11,12]从如何提高围岩的自承能力入手，提出了巷旁采用锚索主动加强 支护的方式，建立了考虑巷帮煤体承载作用和巷旁锚索加强作用的沿空留巷力学模型， 并分析了巷内锚杆支护和巷旁锚索加强支护的作用机理。 利用理论分析所得结论进行了 工程实践，其研究成果为较大采高工作面沿空留巷技术提供了理论依据和借鉴经验。 朱川曲教授[13,14]根据沿空留巷围岩变形大且围岩力学参数中有许多随机变量的特 征，阐述了支护结构可靠性分析的必要性。应用工程结构可靠性理论，建立了沿空留巷 支护结构可靠性分析模型，得到了支护结构可靠度的计算公式。研究认为，通过合理选 择锚杆类型、加大锚杆支护密度、改善锚固体及充填材料力学性能等措施，可达到提高 沿空留巷支护结构可靠性的目的。 漆泰岳教授[15,16]通过现场实测和理论分析，对不同围岩条件下基本顶断裂引起的整 体浇注充填体的支护强度和变形能力进行了深入研究， 提出了使沿空留巷巷道保持稳定 1 绪论 3 的整体浇注充填体支护强度与变形的理论计算方法， 并且对沿空留巷整体浇注充填体的 适应性进行了研究。应用弹性基础梁理论和数值模拟证明，沿空留巷的老顶断裂不会发 生在靠巷道煤帮侧的边沿的上方，而是煤层内的上方，老顶断裂深度随围岩级类的提高 而加大； 煤层和直接顶刚度对护巷带的稳定性影响较大， 刚度越大护巷带切顶效果越好。 杨绿刚博士[17]针对深部大采高工作面沿空留巷所处复杂特殊环境， 进行了沿空留巷 围岩协同控制研究， 建立了非均布受载充填体及巷旁组合支架协同支护条件下的沿空留 巷围岩稳定性的结构力学模型，得出巷旁支护与老顶弯曲变形的关系。建立了桁架锚索 支护顶板梁的力学模型， 得出桁架锚索预应力和应力增量作用下对顶板梁产生的反拱挠 度及顶板梁的挠度，阐明了其控制机理。 1.2.2 国内外沿空留巷发展现状 国外主要产煤国家在沿空留巷领域先后进行了大量的工业性试验，但在大采高工作 面沿空留巷方面的理论和试验研究较少。德国煤矿一般掘进大断面顺槽，预留变形量， 巷旁支护宽度是采高的 0.7 倍左右，总体留巷成本较高[18]。英国巷旁高水充填材料的强 度增长不能满足深部高地压沿空留巷的技术要求而逐渐取消