大隆煤矿沿空掘巷技术研究.pdf

分类号 U D C T D 3 5 3 6 2 2 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 硕士学位论文 大隆煤矿沿空掘巷技术研究 T e c h n i c a lR e s e a r c ho fT i e f aD a l o n gM i n e G o b s i d eE n t r yD r i V i n g 作者姓名 指导教师 申请学位 学科专业 研究方向 何团 子L 祥义教授 工学硕士 采矿工程 矿山压力与矿井动力灾害防治 辽宁工程技术大学 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王墨堇丕太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽主王墨堇本太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名至勇i 虱 年月日 导师签名球 年月 日 致谢 2 0 11 年9 月份入学至今，在导师孔祥义教授的学习指导和生活关怀下转眼要毕业了。 读研期间，孔老师在繁忙的工作中抽出时间指导我们学习，为学生提供安静舒适的学习场 所，言传身教提高我们的专业知识，孔老师严谨的治学态度深深影响了我。实践上，孔老 师热心带着我深入矿井现场，积极学习项目相关知识，指导如何完成科研项目，开阔了视 野，增强了自己理论结合实践的能力。本文是在导师的精心指导下完成的，感谢孔老师的 培育之恩 孔老师渊博的采矿知识、忘我的工作热情给我留下了深刻的印象，也将对我今 后的工作生活产生重大影响。 在论文的选题和撰写过程中，得到了矿业学院题正义教授、张宝安副教授、陈蓥老师 和王爱文老师等各位老师的关心与指导，在此感谢你们。在收集资料的过程中，得到了大 隆煤矿胡效康总工程师、刘振清副总、邓庆鹏科长等矿领导的帮助和支持，在此表示衷心 的感谢 同时在毕业论文的写作期间，师兄李健、徐兆龙、李正刚、张渝也给了我很多的指导， 在此，向他们表示感谢 生活中，大部分时间是和同届同学一起度过的，在各位同学的团 结互助之下，营造了一个良好的生活环境和一个积极向上的学习氛围，在这样一个团队中 度过我的研究生生活，我感觉到很幸福，向大家说声谢谢 感谢评审和答辩的各位老师，他们给了我一个检验研究生期间学习成果的机会，感谢 他们，祝他们一生幸福平安 摘要 大隆煤矿位于铁法煤田的中西部，地处辽宁省调兵山市晓明镇。该井田开拓方 式为立井双水平分区式。地面标高 7 5 m ，第一水平标高．3 7 5 m ，第二水平设计标高 为．6 0 0 m 。大隆煤矿有可采煤层共十层，上水平4 、5 、7 、8 、9 五层煤，下水平有 12 、13 、1 4 、15 、16 五层煤，其中13 、1 4 、15 、16 层煤已定为煤与瓦斯突出煤层。 目前大隆煤矿很快进入下水平开采，首先开采的是没有突出倾向的1 2 层煤，1 2 层 煤同时也作为13 、1 4 、1 5 、16 等煤与瓦斯突出煤层开采的保护煤层，1 2 层煤与13 层煤煤层平均间距8 ．5 m 。按照国家防治煤与瓦斯突出规定中第4 7 条关于突出 矿井开采保护层区域防突措施应符合要求的第四款规定“开采保护层时，采空区 内不得留有煤岩柱”。所以沿空掘巷技术是大隆煤矿亟待解决的技术难题。基于以 上原因将在二水平南翼1 2 0 2 工作面应用沿空掘巷技术。 在现场调研分析大隆煤矿地质条件的基础上，进行大隆煤矿煤岩物理力学参数 测定、巷道围岩松动圈测试、地应力测试，应用经典理论分析、理论计算和现场试 验巷道观测方法，确定沿空巷道煤壁下沉量、巷旁支护阻力及巷旁支护方式，应用 工程类比法确定沿空巷道巷内锚网索支护参数，设计出完全沿空掘巷方案。进行完 全沿空掘巷技术与留窄小煤柱沿空掘巷技术经济分析比较，并采用F L A C 3 D 数值模 拟方法验证完全沿空掘巷的可行性，最终确定完全沿空掘巷方案。 完全沿空掘巷技术可有效解决大隆煤矿应力集中问题、采空区遗留煤柱问题， 最大程度释放应力，减少应力集中区对煤与瓦斯突出的影响，是很好的区域防突措 施。 关键词沿空掘巷；巷旁支护；密集支柱；窄小煤柱 A b s t r a c t A tp r e s e n t ，s o o nt oe n t e rn e x t1 e V e l ，t h ef i r s te x p l o i t a t i o ni s12l a y e ro fn oo u t b u r s t ．A tt h e s 锄et i m e ，1 2l a y e ra st h ep r o t e c t i o no fg a sa n do u t b u r s tc o a l ，i s8 ．5 mt o1 3 l a y e rs e 锄． A c c o r d i n gt om en a t i o n a l ”c o a la n dg a L So u t b u r s tp r e V e n t i o nr e g u l a t i o n s ”i nf - o n y - s e v e n t ha b o u t o u t b u r s tm i n eo u t b u r s tp r e V e n t i o nm e a s u r e s ，t h er e g i o n a lp r o t e c t i o nl a y e rs h o u l dt h e r eb en o r o c kp i l l a r ”．S ot h eg o bs i d ee n t 巧i sat e c h n i c a lp r o b l e mt ob es o l V e di nD a l o n gM i n e ．B a s e do n t h ea b o V er e a S o n s ，g o bs i d ee n t 叫w i l lb ea p p l i e da tt h es e c o n dl e V e l 、V o r k i n gf ．a c es o u t h12 0 2 ． B a S e do ns i t ei n V e s t i g a t i o na 1 1 dg e 0 1 0 9 i c a lc o n d i t i o n sa b o u tD a l o n gM i n e ，d e t e c t i n gt l l el o s i n g c i r c l eo f 如l l ym e c h a l l i z e df a c er o a da n dt h es u r f a c ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s ．C o m b i e dt h e p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a “l r n e t e r so fc o a la n dr o c ki nt h ee x p e r i m e n t a lt e s tr e s u l t sa n dt h e i m t i a l 铲o l l l l ds t r e s s ，d e t e n 】【1 i n a t i o no fc o a lr o a d w a ya l o n gt h ew a l lo ft h es u b s i d e n c e ，m a d s i d e s u p p o nr e s i s 切n c ea n dr o a d s i d es u p p o n ，a p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n gd e s i g no fa n a 】o g yi ns u p p o n o fr o a d w a yt oi d e n t i 母s c h e m eo n e t u n n e la l o n gg o a fs c h e m e ．C a l c u l a t i o no fr e a s o n a b l ew i d t ho f s m a Uc o a lp i l l a ra p p l i e dm e t h o d ，e n g i n e e r i n ga n a l o g yf o rD a l o n gM i n e12 0 2w o r k i n gf a c e r o a d w a yd r i V e na l o n gn e x tg o a fr o a d w a ys u p p o n i n gd e s i g n ，a n ds i m u l a t i o nV e r i f i c a t i o nr o a d w a y s u p p o r te f ．f e c tu s i n gt h eF L A C 3 Dn 啪e r i c a ls c h e m et w o 而t hs m a Uc o a lp i l l a ra l o n gg o bs i d e d r i V i n gs c h e m e ． D r i V i n ga l o n gg o a fc a ne f f 宅c t i V e l ys o l V et h ep r o b l e mo fs t r e s sc o n c e n t m t i o nc a u s e db y o u t b u r s tm i n ep r e s s u r e ，d i m c u l tm a i n t e n a n c ea J l dg a so u t b u r s td a n g e ri n c r e a s e s ，e s p e c i a l l yi n h i 曲g a sa n dh i g h s t r e s s m i n e ．D r i V i n ga l o n gg o a fh e l p s t or e d u c et h ei m p a c to fs t r e s s c o n c e n t r a t i o na r e a ，r e d u c et h er o a d w a ye x c a V a t i o na n dm a i n t e n a n c ec o s t s ，i m p r o V et h ec o a l r e c o v e r yr a t e ，a n db ec o n d u c t i v et ot h es a f ．ep r o d u c t i o n ． K e yW o r d s G o bs i d ee n t 巧；R o a d s i d es u p p o r t ；T i m b e rw a l l ；S m a Uc o a lp i l l a r I I 辽宁工程技术大学硕士学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 1 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 论文研究的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1国外一些多煤国家沿空掘巷技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 德国沿空掘巷技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．3英国沿空掘巷技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 ．4波兰沿空掘巷技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3国内沿空掘巷技术发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．1 我国沿空掘巷技术的理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 ．3 ．2我国沿空掘巷技术存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3 ．3沿空掘巷技术发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4 论文研究的主要内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 矿区及1 2 0 1 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．1矿区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1l 2 ．2 1 2 0 1 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 3现场测试与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1矿井地应力测量与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．1 ．1地应力测量简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 ．2地应力测量地点的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．3地应力测量工作流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．1 ．4地应力测量结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．5地应力对矿区井巷围岩稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2巷道围岩松动圈测定与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．1 巷道围岩松动圈的基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 3 ．2 ．2松动圈的测定方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．2 ．3大隆煤矿巷道围岩松动圈测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 辽宁工程技术大学硕士学位论文 41 2 0 2 工作面沿空掘巷方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．1完全沿空掘巷方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．1 ．1沿空掘巷巷旁支护主要形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．1 ．2沿空掘巷巷旁支护主要形式效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．1 ．3巷旁支护体支护阻力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．1 ．4巷帮煤壁下沉量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．1 ．5采空区侧帮支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 ．61 2 0 2 运输顺槽支护方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．212 0 2 工作面留窄小煤柱沿空掘巷支护方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 ．1窄小护巷煤柱宽度的理论计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 ．2留窄小煤柱沿空掘巷12 0 2 工作面两巷支护方案设计⋯⋯⋯．4 7 4 ．3完全沿空掘巷与留窄小煤柱沿空掘巷技术经济比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．3 ．1方案技术比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．3 ．2经济分析比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 1 4 ．4完全沿空掘巷可行性数值模拟分析．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 I V 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l绪论 1 ．1 论文研究的意义 1 2 层煤作为13 、1 4 、15 、16 等煤与瓦斯突出煤层开采的保护煤层，按照国家 防治煤与瓦斯突出规定中第4 7 条关于突出矿井开采保护层区域防突措施应符 合要求的第四款规定“开采保护层时，采空区内不得留有煤岩柱”。所以沿空掘 巷技术是大隆矿亟待解决的技术难题。 此次沿空掘巷采用完全沿空掘巷，该技术将有效解决大隆煤矿应力集中问题、 采空区遗留煤柱问题，最大程度释放应力，减少应力集中区对煤与瓦斯突出的影响， 是很好的区域防突措施。 沿空掘巷作为煤矿技术的重大变革，实现了无煤柱支护。沿空掘巷是在上区段 工作面回采完毕，围岩体趋于稳定，再沿采空区和煤帮开掘巷道。沿空掘巷可以留 3 ～5 米宽的窄小煤柱，也可以不留煤柱。沿空掘巷大大提高煤炭回收率，避免了煤 柱支承压力和初次开采后顶板围岩强烈活动的影响，降低巷道维护周期与成本。但 沿空掘巷必须在相邻区段工作面回采完毕并且围岩达到稳定后，给采掘接续工作造 成了诸多障碍。跳采方式布置可以解决采掘接续的问题，但这无疑增加了工作面搬 家工作量，导致生产分散，给回采、运输、巷道维护及通风都并带来一系列的问题。 同时，由于采空区封闭不严、容易造成漏风、有毒有害气体趁机涌入，造成严重安 全隐患。 沿空掘巷技术不仅可以提高采出率，延长矿井年限，减少巷道掘进长度，压缩 维护费用，提高经济效益，提高煤矿安全系数，缩短搬家次数，而且它是采煤方法 革新，可以有效解决工作面瓦斯问题。 煤矿开采中，回采巷道在煤矿巷道中比重越来越大，发展沿空掘巷技术前景广 阔。因此，国内外有条件的煤矿都致力于发展沿空掘巷技术，结合矿井地质条件， 充分发挥沿空掘巷的技术优势，提高矿井经济效益。 巷旁支护与巷内支护是沿空掘巷技术的核心问题，国内外对沿空掘巷技术机理 都进行了大量工程实践及深入的理论研究，取得了大量成果。但是实践证明刚性支 护不能适应沿空巷道围岩大变形，巷道支护效果不理想。鉴于锚杆支护诸多优点， 在我国巷道支护中得到了广泛推广，但是沿空掘巷技术复杂，采用巷内锚杆支护和 巷旁落叶松木柔性支护在国内并不多见，因此开展工作面沿空掘巷技术研究具有重 要现实意义。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．2国外研究现状 国外沿空掘巷技术研究起步较早，最有影响力的是岩梁倾斜理论，是英国南威 尔斯大学麦脱 s m a r t 在1 9 8 2 年提出的。理论认为巷旁支护关键是控制回采巷道 基本顶，主张用控制巷旁支护侧和巷道煤柱侧的顶板下沉量，即控制顶板倾斜量的 方法作为设计可缩量和巷旁支护阻力的依据。 1 ．2 ．1 国外一些多煤国家沿空掘巷技术 国外煤矿为了降低掘进工作，提高煤炭生产连续性和煤炭的经济效益，增加煤 炭资源回收率，往往采用往复式开采，并对沿空掘巷的适用条件、压力显现规律和 新型支护材料及合理支护形式都进行了大量的研究。在沿空掘巷技术取得成果较多 的是英、苏、德、波兰等国家。苏联在应用沿空掘巷的技术方面，做了大量的理论 研究，提出了在各类顶板下应用沿空掘巷技术的可行性。在留巷维护中，通过理论 方法或经验公式计算有关参数。留巷过程中，对不同采深和岩性的围岩移近量进行 了研究和实验测量。 1 ．2 ．2 德国沿空掘巷技术 德国沿空掘巷技术取了了许多经验，在德国沿空掘巷技术已经得到普遍应用。 无论是普通的回采工作面巷道，还是盘区的集中巷道，都可以应用沿空掘巷技术将 巷道保留下来。德国无煤柱开采多为沿空掘巷，其传统的巷旁支护多采用木垛、矸 石带等，6 0 年代末德国采用了飞灰加硅酸盐水泥、矸石加胶结料、石膏等低水材料 作为充填材料，实现了巷道的二次利用，有效的减少了支架和围岩变形。而且德国 用实测方法得出了回采巷道移近量的经验公式，并成功运用在在采深8 0 0 m ～10 0 0 m 的煤层开采中。 德国煤矿采用后退式沿空掘巷布置，即工作面采用后退式开采，在实体煤层中 掘进区段运输巷，采后留巷，用作相邻区段的回风巷。德国煤矿采用联合支护形式 作为沿空掘巷布置和维护方式，如金属锚杆、可缩性U 型钢支架、速凝材料巷旁充 填、水泥灌浆等。在回采工作面前、后方采动压力强烈影响区内则采用液压支架进 行支护。德国煤矿沿空掘巷体系包括掘进、回采及矿井混凝土管路运输系统及充填 系统。其沿空掘巷技术开始于掘进期间，在工作面回采过程集中体现，管路运输系 统为沿空掘巷技术提供了材料保证。 1 巷道断面形式及支护方式 2 辽宁工程技术大学硕士学位论文 巷道掘进作为沿空掘巷技术实施的前奏，其支护形式、支护强度和巷道形式直 接影响着沿空掘巷技术的正常应用。故在巷道掘进期间，德国煤矿采用高强度的联 合支护方式。其掘进工艺如下掘进_ 临时支护_ 架设金属支架顶梁、铺设钢筋网 和麻袋片_ 水泥灌浆_ 架设金属棚腿。当顶板条件差、采动影响剧烈时，加设锚杆 加强支护。掘进巷道为半圆拱断面，净断面约为2 5 m 2 。支护材料可缩性U 型钢 支架 型号3 6 U ，可缩量为5 0 0 m m 、金属锚杆 5 2 0 2 4 0 0 m m 、钢筋网、麻 袋片，然后采用水泥注浆，充填支架与顶板之间缝隙。这种支护方式适应了沿空掘 巷条件下“支架一围岩”，相互作用的特点，支架不仅具有足够的工作阻力，而且 有与围岩移近量相适的可缩量。这样支架与巷道围岩共同作用过程中仍能保持支架 本身的工作特性。 2 回采巷道支护 回采巷道支护是沿空掘巷技术的直接过程。在该过程中，充填材料采用速凝材 料 水泥 进行巷旁充填。其整个过程可分为超前支护和永久支护两部分。 回采巷道超前支护为了保证回采工作面正常推进和巷道设备的安全前移，作 业人员必须提前1O ～2 0 m 回撤工作面煤帮的U 型钢棚腿。其过程专职人员在原棚 梁侧、紧贴棚梁打设两根注浆锚杆，然后在锚杆上安装U 型卡；通过U 型卡棚梁被 重新固定；然后作业人员回撤工作面煤帮棚腿 注工作面保险帮的棚腿不回撤 。 沿空巷道永久支护形式当工作面回采一个循环、运输机前移后，端头维护人 员立即将工作面煤帮侧的棚腿重新安装，并用麻袋片、钢筋网“编制”墙体；在工 作面推进2 m ～5 m 范围内，维护人员用水泥运输管路将水泥浆灌入钢筋网麻袋片墙 体内，并充分接底、接项。这样采空区中的巷道就被水泥墙体、U 型钢等重新支护， 从而完成了沿空掘巷工序。根据德国煤矿经验数据，水泥墙体厚度为采煤高度的 8 0 ％。如当工作面采煤高度为2 ．5 m 时，水泥墙体厚度为2 ．5 0 ．8 2 ．0 m 。 3 采空区密闭与瓦斯管理 沿空掘巷工序消耗着大量的水泥制品。如当工作面采高为2 ．5 m 时，工作面每 推进l m 所需的墙体水泥量约为2 2 ．5 2 ．5 8 0 ％ 1 0 聊3 。人为搬运是远远满足不 了如此大的水泥消耗量。水泥管路运输系统解决了运料难题。所谓的水泥运输系统， 就是德国煤矿以压缩空气为运输动力，将粉状水泥制品通过管路直接、源源不断地 送到用料地点，然后在用料地点将水泥和水充分混合后灌注到用料工作面。 4 沿空掘巷通风管理 德国煤矿工作面瓦斯管理方式为瓦斯抽放。当工作面推进后，专职人员在预留 巷道中打设瓦斯抽放钻孔，并立即进行采空区瓦斯抽放；同时施工水泥墙体时，维 辽宁工程技术大学硕士学位论文 护人员每隔15 m 留设一个“排气孔”，通过“排气孔”部分瓦斯和绝大部分地热气 体进入回风巷，降低了工作面上隅角瓦斯浓度。该“排气孔”到回采工作面的最大 距离为5 0 m 。综上所述，沿空掘巷技术在改善巷道维护、降低开掘率方面效果明显， 并大大提高了煤炭回收率、有效预防了因保护煤柱和丢煤引起的井下灾害。无煤柱 开采技术的应用和发展，改变了采空区巷道布置方式。利用新的锚杆支护理论和巷 旁支护技术，可缩性支护等新手段，解决了沿空掘巷技术的瓶颈。 5 施工中的监测技术 为检验锚杆支护的可靠性，为改善锚杆支护设计提供依据，确保支护质量，及 时发现安全隐患，必须对锚杆安装后的围岩的稳定性和施工地点的围岩状态进行监 测。所采用的监测手段有 ①巷道围岩移近量的测量在要测量的巷道顶底板和两帮，在同一铅垂线或水 平线上分设一个测点，然后用测杆定期量测两点间的距离，前后两次测杆读数之差 即为巷道围岩的相对位移量。通过测杆读数就可算出巷道断面的收缩量。 ②顶板构造的测量在巷道顶板上打眼，使用内窥镜可观察出上覆岩层的构造， 可确定支护参数和锚杆的适用性。 ③顶板离层的测量采用顶板离层仪可以测量锚固区内、外的顶板离层变化， 通过两个指示器能准确读出锚固后的岩层离层数据，判别锚杆支护参数是否合理及 巷道围岩稳定性。 1 ．2 ．3英国沿空掘巷技术 英国煤矿多为薄煤层，多用沿空掘巷，巷旁支护方式多为矸石带，并成功研制 出专门装置进行矸石带机械化砌筑。同时，进行多方探索提高矸石带强度，成功研 制出不同胶结物的胶结矸石带。在井下试验成功了高水材料巷旁充填，随后有了迅 速的发展，高水材料充填在英巷旁充填中占有很大比重。 1 ．2 ．4 波兰沿空掘巷技术 波兰无煤柱开采应用较多的是沿空掘巷，在前进式或后退式采煤时都用单巷准 备，根据开采地质条件决定走向开采或倾斜开采，沿空掘巷一般采用金属可缩性支 架进行巷内支护，使用充填带、矸石带或混凝土墩柱等进行巷旁支护【3 1 。 4 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．3 国内沿空掘巷技术发展现状 1 ．3 ．1我国沿空掘巷技术的理论研究现状 沿空掘巷技术的理论研究和发展情况大致也可分为四个阶段。 第一阶段主要是在现场实测沿空掘巷围岩变形、支架载荷和与回采工作面距离 关系的基础上，根据实测曲线，从宏观角度描述具体地质条件下沿空掘巷的矿压显 现规律。该阶段的主要成就是，描述了沿空掘巷的若干矿压显现规律，总结出了当 时在顶板中等稳定、底鼓不严重的薄及中厚水平煤层及缓斜煤层条件适用的沿空掘 巷开采技术。其缺陷是，尚不能正确预测不同地质条件下沿空掘巷的矿压显现特征， 当条件改变时，就需要重新试验，形成了“试而再试”的经验研究模式，使沿空掘 巷中的很多基本问题都未得到解决，如巷道断面形状和尺寸、巷内和巷旁支护材料、 支护参数的选择等。 第二阶段从6 0 年代至8 0 年代，是沿空掘巷矿压机理研究的初期阶段，即二维 问题处理阶段。该阶段的主要特点是在现场实测的基础上，抓住了沿空掘巷与采场 的某些共同特征，借鉴了采场矿压研究的方法和成果，得出了一些特定条件下支护 阻力和支护强度计算公式。同时，根据现场实测结果认识到，沿空掘巷的支护体不 仅要具有较大的阻力，而且还必须有足够的可缩量，从而使沿空掘巷技术进入了新 的发展阶段。在护巷技术和工艺方面也做了大量的开拓性工作。例如，巷内支护由 原来的木支架、刚性金属支架发展到金属可缩性支架，巷旁支护从工架设木垛、密 集支柱、垒砌矸石带发展到机械化巷旁充填技术和工艺，充填材料主要为硬石膏、 合成石膏和速凝水泥。然而，这个阶段的研究仍把沿空掘巷视角为二维问题处理， 把支护载荷视为静载荷。因此，对沿空掘巷中出现的许多现象不能正确认识和解释， 如顶板下沉速度为什么总是具有波动性，导致人们对沿空掘巷机理出现模糊概念。 第三阶段从8 0 年代至9 0 年代后期，即动态研究阶段。在现场实测和二维问题 研究的基础上，人们充分认识到工作面位置对沿空掘巷矿压显现的影响，但在解决 具体问题时仍采用平面理论，没有把沿空掘巷矿压机理研究与岩层活动规律真正地 结合起来。 第四阶段是2 1 世纪以来，我国学者通过理论研究、现场观测、实验室研究， 在沿空掘巷的围岩应力状态、沿空掘巷的矿压显现规律及“支架一围岩”，相互作 用关系等方面进行了一系列的基础研究工作，取得的主要进展有我国学者通过了 与采空区相邻煤体内应力分布理论研究，从理论上研究了与采空区相邻煤体内的应 辽宁工程技术大学硕士学位论文 力分布规律，分析了支承压力的各种影响因素，通过力学模型得出了煤体内弹性、 塑性区应力、塑性区宽度及支承压力影响的大致范围。尽管与实际存在一些误差， 但还是对实际起到一定的参考价值。同时，我国学者研究了沿倾斜方向巷旁煤体内 不同应力带的特征及分布规律，通过数值分析、实验研究和不同矿区的矿井进行了 大量的井下实测，查明了不同矿井中沿倾斜方向巷旁煤体边缘卸载带宽度、侧向支 承压力峰值的应力集中系数和峰值离巷道的距离以及侧向支承压力影响的总范围。 目前，国内沿空掘巷巷内支护虽然采用金属支架或木棚支护，也有不少矿井试 用锚杆作为沿空掘巷巷内支护。随着沿空掘巷技术在中厚及厚煤层中的应用，采高 不断增大，掘巷断面不断扩大，在巷道围岩变形量增大、巷道维护越来越困难的条 件下，原来所用的金属支架型钢重量不断增加，棚距日益减小，掘巷支护费用和维 护费用显著增加，且施工、运输更加困难和复杂，同时由于金属支架属于被动支护， 即使加大了重量、减小了棚距仍难以维护条件困难的掘巷。产生这种结果的原因 一方面由于金属支架属被动支护，不能紧密接顶，顶梁受力不均，弯曲量过大；另 一方面由于棚腿受煤体水平推力产生弯曲力矩，棚腿弯曲变形以至折断。这些缺陷 都制约了金属支架在沿空掘巷中的应用，也限制了沿空掘巷技术的进一步发展。 表．1 ．1我国主要矿区沿空掘巷巷内支护形式一览表 垒垫 丛蓟Q 里i 旦i 翌gg Q 垒 垒翌皇 旦垒垒型璺Y 坚巳巳Q i 翌堡垒i 旦垒 矿井及工作面名． 工作面地质条件巷道断面尺寸／m 2巷内支护形式 称 沿空掘巷要经历强烈的采动影响，大量理论研究和生产实践表明，如何提高巷 道围岩强度，并正确选择合适的支护方式是保证所掘巷道在掘巷后巷道稳定的关 6 辽宁工程技术大学硕士学位论文 键。分析沿空掘巷的围岩应力变化，主要表现为回采引起的比原岩应力大得多的支 撑压力对巷道的影响。因此保证巷道稳定的关键在于对巷道两帮和顶板的控制效 果。根据现场试验研究，运用锚杆或其联合支护作为沿空掘巷巷内基本支护，能取 得较好技术经济效果，表1 ．1 为我国主要矿区沿空掘巷巷内支护形式一览表。 中国矿业大学孙恒虎教授等根据煤层项板特征和弹塑性力学的有关理论，将长 壁工作面沿空掘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”， 认为沿空掘巷支护载荷只与短支承边界的载荷有关。 中国矿业大学徐金海教授等研究认为，巷旁支护应具有早期强度高、增阻速度 快的特点，紧随工作面构筑，及时支护直接项，避免与上部基本顶离层，并切断直 接项，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，当基本顶弯矩在巷旁支护边缘附近达到极限时，切断基本顶。垮落的矸 石由于破碎后体积增大，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。 李化敏教授分析了沿空掘巷顶板岩层运动的过程及其变形特征，明确了顶板岩 层运动各阶段巷旁充填体的作用，根据充填体与顶板相互作用原理，确定了各阶段 沿空掘巷巷旁充填体支护阻力的控制设计原则，并建立了相应的支护阻力及合理压 缩量数学模型。 中国矿业大学漆泰岳教授等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护巷带的支护强度和变形能力进行了深入研究，提出了使沿 空掘巷巷道保持稳定的整体浇注护巷带支护强度与变形的理论计算方法，进而对沿 空掘巷整体浇注护巷带的适应性进行了研究。 安徽理工大学华心祝教授从如何提高顶板岩层的自我承载能力入手，提出了一 种主动的巷旁加强支护方式，建立了考虑巷帮煤体承载作用和巷旁锚索加强作用的 沿空掘巷力学模型，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掘巷技术 提供了理论依据和借鉴经验。 1 ．3 ．2我国沿空掘巷技术存在的问题 到目前为止，我国在沿空掘巷技术的应用方面取得了许多成果，积累了丰富的 经验，从缓倾斜煤层到急倾斜煤层，从薄煤层到厚煤层，都已有沿空掘巷的成功经 验。但是，我国煤矿地质情况多样，巷旁支护技术还不十分完善，沿空掘巷围岩控 辽宁工程技术大学硕士学位论文 制机理研究复杂，沿空掘巷技术研究与应用经验不足，一些矿井在应用沿空掘巷技 术中效果不好，限制了沿空掘巷技术在我国更广泛的应用。目前在支护设计思路、 巷旁支护、巷内支护理论研究方面还存在～定问题。 1 支护设计思路问题 以往采用沿空掘巷技术，支护设计思路不尽合理，大多将工作面回采前的巷道 掘进与回采后的掘巷相互独立，没有统筹考虑并将沿空掘巷视为一项系统工程，如 进行巷道支护形式选择和支护参数设计时，没有预先考虑后期沿空掘巷技术的需 要，从而导致沿空掘巷后巷内支护体强度不能满足采动影响的要求、巷旁支护与巷 内支护不匹配，达不到预期效果，甚至失败。 2 巷内支护问题 大量理论研究和现场实践表明，提高巷道围岩强度，选择合适的巷内支护方式 是保证沿空巷道稳定的关键。随着综采、综放采煤技术的发展，采煤高度逐渐加大， 上覆岩层活动剧烈，回采巷道压力随采高的增加而增加，以及已采区和工作面采动 引起的支承压力的应力叠加作用，巷道支护难度加大，使得工作面超前支承压力影 响距离加大，矿压显现剧烈，沿空掘巷的顶板下沉量随开采厚度增加而增大。在工 作面前方附近，巷道断面收缩严重，若不采取合理的巷内支护方式将沿空巷道的变 形控制在一定的范围内，则很难保证巷道正常使用。以前国内沿空掘巷巷内支护多 采用金属支架等被动支护，巷内与巷旁支护方式选型和参数的选择上不相匹配，即 使减小棚距、加大型钢用量仍难以保证所留巷道的稳定，因此有必要采用一种能主 动提供支护阻力的巷内支护方式。 3 巷旁支护问题 巷旁支护作为沿空掘巷的一个技术难点，在我国一直没有得到很好地解决。传 统的巷旁支护存在支护阻力、可缩性等力学性能与沿空掘巷围岩变形不相适应、机 械化程度低和密闭性能差等缺点，不利于巷道维护和防止采空区漏风与自燃发火。 所以，长期以来我国沿空掘巷基本上只是应用在条件较好的薄及中厚煤层，条件困 难或厚煤层中采用这种方式留巷成功率不高。传统的巷旁支护方式只适用于中厚以 下煤层的低瓦斯矿井和无自然发火倾向的煤层。高水速凝材料与高水灰渣材料巷旁 充填、硬石膏等风力充填，都需要建立一套较为复杂的充填系统，而且充填设备性 能不佳、充填材料成本较高。 在薄煤层进行沿空掘巷，巷旁支护阻力一般较小，甚至有时不需要进行巷旁支 护；但随着采高的增大，巷旁支护阻力随之增加。但不论是传统的木垛巷旁支护还 是最新的高水材料巷旁充填支护，它们都属于被动支护，只有当顶板垮落压在支护 辽宁工程技术大学硕士学位论文 体上时，它们才会对顶板施加支护阻力，而不是在顶板垮落之前就及时主动对顶板 施加支护阻力。但巷旁支护的初始阻力对顶板支护有着十分重要的作用，因此有必 要寻求一种能主动提供支护阻力的巷旁支护方式，增加巷旁支护的初始阻力。 4 沿空掘巷理论研究问题 在巷旁煤体对沿空掘巷顶板稳定的作用理论研究不足。己往建立的沿空掘巷力 学模型，一般只考虑顶板岩层同支架之间的相互作用关系，把巷旁煤体仅作为刚性 支座来考虑。然而，不同力学性质的煤体同样对巷道顶板岩层的稳定起着重要的作 用。所以有必要对沿空掘巷顶板岩层控制规律进行深入研究，