梧桐庄矿墩柱式沿空留巷巷旁支护技术研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术. . 年 月 . 梧桐庄矿墩柱式沿空留巷巷旁支护技术研究 郭东明凡龙飞高 杰赵鹏飞刘存玉王汉军 . 中国矿业大学北京力学与建筑工程学院北京 . 冀中能源峰峰集团有限公司河北 邯郸 北京工业职业技术学院北京 摘 要为减少回采工作面所留设的煤柱损失和缓解掘进和回采作业接替的紧张关系基于理论分 析、现场实测资料提出一种自适应荷载巷旁支护体墩柱进行沿空留巷技术方法 通过建立沿空 留巷围岩力学模型推导出沿空留巷巷旁支护阻力的理论计算公式并经现场矿压监测分析研究了 沿空留巷试验巷道在回采期间的围岩变形特征、墩柱受力及变形特征 结果表明在墩柱式沿空留巷 中巷道顶底板、两帮变形量最大值分别为 、 变形后断面积能满足通风和巷内瓦斯抽采的 空间需求墩柱最大压力为 . 墩柱最大下缩量为 既在墩柱的承载能力范围内又满 足前期切顶与后期支护的要求可缩性墩柱支护体能在沿空留巷中取较好的留巷效果 关键词沿空留巷可缩墩柱围岩活动规律矿压监测 中图分类号. 文献标志码 文章编号 . . . . . . . . . . . 收稿日期责任编辑曾康生 ./ ..... 基金项目国家重点研发计划资助项目国家自然科学基金资助项目教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目 北京市教委科研计划一般资助项目 作者简介郭东明男江西新余人教授、博士生导师博士 . 引用格式郭东明凡龙飞高 杰等.梧桐庄矿墩柱式沿空留巷巷旁支护技术研究.煤炭科学技术. . . . 引 言 我国的煤炭含量很丰富每年煤炭生产量位居 世界之首大约占世界产量的 /绝大多数采用地 下井工作业进行煤炭开采 为了避免水、地压等 因素破坏回采巷道基于开采安全的前提下一般会 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 留煤柱 煤柱的留设降低了煤炭的采出率这部分 损失量一般占 左右另外宽煤柱的设立既增加 煤炭的损失量也加大维护煤柱的难度同时宽煤柱 内会产生集中应力使得巷道维护困难并会影响下 一煤层开采时的维护严重时会导致岩爆和瓦斯突 出等灾害影响正常开采 相对于传统煤矿开 采无煤柱开采可以有效地减少采煤时所留设的煤 柱损失近些年来逐步得到了应用推广 在无煤柱 开采技术中沿空留巷技术极为重要同一条巷道得 到了二次利用无需留设煤柱减少了煤炭的损失 量提高煤炭采出率、缓解采掘接替紧张降低瓦斯 威胁程度等 沿空留巷技术一直处于发展状态尤其是巷旁 支护体材料的选择 在国内 年在我 国的某些矿区薄煤层煤层厚度小于 . 中采用 矸石墙和木棚这 种材料分别作巷旁巷内支护材料 共同来维护采空区旁巷道以期成功留巷 年在我国的一些矿区中厚煤层中应用密集支 柱、混凝土块、工字钢梯形支架等材料用作巷旁支护 材料与上一阶段相比留巷效果更好得到了更多 的应用 年间我国研究人员在参照原 西德已经成功运用的高水充填护巷技术的基础上 进一步发展了该项技术 新世纪以来随着充填材 料理论研究的进步充填技术也得到了改进我国煤 矿在厚煤层中应用沿空留巷技术如山东枣庄泉上 煤矿 下煤层该矿采用高水充填作巷旁支护巷内 支护则采用锚杆锚索 型钢共同支护支护效果令 人满意取得成功 在国外 世纪 年代末 西德成功研制了低水材料作为巷旁支护充填材料 围岩变形和巷道内支架变形都大幅减小取得了很 好的生产效益 英国的沿空留巷技术运用也很 早由于其国内煤层大多较薄矿压显现和围岩变形 都不大因此巷旁支护常采取普通矸石袋进行维 护 波兰的煤矿除了采取常规的巷旁支护材料 外还根据本国国情采用水砂材料充填都取得了较 好的留巷效果但是这些传统的巷旁支护材料各有 利弊 木垛材料轻便易架设缺点是密封性能差 支护阻力小消耗量大矸石带、混凝土砌块、密集支 柱等支护阻力满足要求但是需要较高的机械化施 工强度太高 由于存在这些客观原因回采工作实 际应用中仍然有很多待解决的问题 基于此笔者 提出了新型沿空留巷方式 自适应荷载巷旁支护 体墩柱体沿空留巷墩柱作为一种新型沿空留巷 巷旁支护体通过力学试验可得其最大承载力为 . 最大变形量约为其高度的 . 倍这说明 墩柱体巷旁支护既有普通密集支柱支护所具有的刚 性特征外又由于具有一定压缩性因此是一种刚柔 结合巷旁支护体 工程概况 梧桐庄矿是冀中能源峰峰集团主力矿井之一核 定生产能力 万 作为一个大型现代化矿井以建 设高产高效的安全绿色矿井为发展目标由于矿井地 质条件复杂诸多地质不利因素限制矿井掘进单进的 提高 所以实施沿空留巷降低吨煤掘进率是矿井 实现高产高效的有效途径之一 梧桐庄矿 外 工作面位于梧桐庄矿工业广场东约 处地势南 高北低地表为丘陵地形地表大部分已被当地居民 开垦为农田 工作面东为设计的 工作面未 开采西为 断层南为第 号勘探线北为 八采运输巷附近无其他采掘情况 实施沿空留巷的 巷道 外回风巷为锚网索支护净宽 . 净高 开采煤层平均厚度 . 煤层平均倾角为 埋深 .. 工作面瓦斯绝对涌出量为 . / 有一定危险性 工作面基本顶为细粒砂岩 厚 . 直接顶为砂质页岩厚 . 直接底为砂 质页岩厚 . 基本底为细粒砂岩厚 . 煤 层条件见表 表 煤层条件 顶底板类别岩石厚度/ 岩 性 特 征 基本顶细粒砂岩. 深灰色以石英为主 含少量白云母及黑色矿 物硅质胶结裂隙发育 具微波状层理 直 接 顶砂质页岩. 灰黑色性脆致密 基本底细粒砂岩. 深灰色以石英为主 含少量白云母及黑色矿 物硅质胶结裂隙发育 具微波状层理 墩柱式沿空留巷技术 . 沿空留巷巷旁支护体的作用 沿空留巷顶板作为整个工作面围岩的一部分 其位移变形必然受到整个工作面围岩变形的影 响 留巷上方岩层从下到上依次为裂隙区和弯 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 郭东明等梧桐庄矿墩柱式沿空留巷巷旁支护技术研究 年第 期 曲下沉区巷旁支护从顶板一期活动阶段即开始产 生作用 在一期活动阶段顶板受采动影响会旋转 下沉巷旁支护体的作用是为了承接上方直接顶岩 层以及部分悬臂岩层所传递的荷载以及直接顶自 身的重量 随着顶板岩层继续下沉运动进入二期 活动阶段基本顶破碎断裂和失稳下沉较为剧烈为 了维持基本顶大结构的稳定巷旁充填体需提供足 够的支护阻力来确保垮落岩层的完整性随着支护 阻力增大达到能够承担垮落岩层重量的支护压力 此时的支护压力称为巷旁支护临界支护阻力 除此 之外由于基本顶岩块的剧烈下沉迫使其下方的岩 层也产生下沉运动巷旁支护体需具有一定可压缩 性 因此巷旁支护体既要有足够的支护阻力平衡上 覆岩层的下沉运动还要能产生合适的变形使基本 顶能够充分回转缩短顶板二期活动的时间减小沿 空留巷顶板下沉量有效保证留巷围岩的稳定性 . 墩柱结构和力学性能 墩柱的结构 可缩式墩柱的整体结构如图 所 示为了适应不同巷道高度墩柱外部为两节嵌套的无 缝钢管 上下两节高度为 节钢管之间的搭 接长度不得低于 上管的内径略大于下管的 外径 墩柱内部充满砂石混合料沙子 石子 生石灰. . . 且上进料口主要用于充填 材料下出料口用于充填材料的释放 为便于操作 分别在墩柱不同的地方焊接了 个吊环为了保护 墩柱在养护期间能够正常直立在距离上部的钢管 顶部 处焊接了 个单体支撑座 号槽钢 上挡口槽上档口板加强筋单体支撑座吊钩 上节钢筒下节钢筒卸压口垫板 图 墩柱结构 . 墩柱的力学性能 由于墩柱由 节无缝圆 钢管组成内部充填砂石散体材料当上节受到向下 荷载时会向下移动 在墩柱受压初始阶段墩柱 内部填充的砂石被压缩挤密同时水被排出这使得 墩柱具有一定的可压缩性随着水被排出孔隙水压 力逐渐消散根据有效应力原理可以看出有效应力 逐渐增加表现出来弹性模量逐渐增大 在第 个阶段由于墩柱中的空隙和水已经排出墩柱内部 砂石结构处于致密状态砂石由于受到外部钢管的 限制其抗压强度在逐渐提高此时墩柱具有一定的 支护强度起到单体液压支柱的作用 此时可以把 墩柱看做弹性体服从胡克定律表现出线弹性 在第 阶段由于墩柱外壁钢管开始变形对砂石的 约束减小相当于三轴试验中的围压减小根据摩尔 库仑强度准则则墩柱的承载力降低 在墩柱受 力达到最大强度后墩柱会突然破坏 . 支护参数计算 根据相关的沿空留巷实践可知留巷时顶板在 二期活动阶段的下沉变形最为剧烈该阶段决定了 沿空留巷能否成功因此应重点考虑在二期活动阶 段时巷旁支护体所需承担的支护阻力 据此提出了 沿空留巷的围岩力学模型如图 所示 关键块 端点 受到的水平推力关键块 端点 受到的垂向剪力关键块 端点 受到的水平推力 关键块 端点 受到的垂向剪力应力极限平衡 区宽度巷道宽度巷旁支护体宽度巷旁支护体到 关键块 端点 的水平距离 图 沿空留巷围岩力学模型 . 根据图 的沿空留巷围岩力学模型用理论力 学中的静力学对 、 岩块进行分析 由 岩块 得 由 得 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 关键块 受力示意 . 由 得 由 岩块 得 于是有 / 式中为沿空留巷巷旁支护阻力 为直接顶单 位长度自重 为基本顶岩层的极限弯矩 为基 本顶以及其上方松软岩层的单位长度质量 为 基本顶垮落前端点 处的下沉量 而 可按下式计算为 / 式中为 端基本顶的残余弯矩 为 岩块长 度 为基本顶岩层厚度 为实煤体内的支承压力 梧桐庄煤矿 工作面地质及技术相关参数 代入式中计算求得该工作面沿空留巷巷旁支护 体所需临界支护阻力 . / 计算得切 断顶板所需的支护阻力为 / 设计墩柱间 距为 墩柱的压力为 . 小于墩柱 破裂时的临界压力 可满足试验巷道沿空留 巷的试验要求 所以墩柱沿巷道走向布置墩柱中心 线距巷道中心线 . 间距 . 墩柱的施工工艺 打设墩柱 在工作面推进过程中超前回采工 作面 按照 的间距打设墩柱 墩柱紧贴槽钢 非煤帮侧边打设打设时两人配合作业先将上下两 节钢筒套接按线扶正然后使用手拉葫芦提升链条 套在上节筒吊钩处提升上节筒使其接顶并配合 号铁丝将上节钢筒固定到顶板槽钢或梯子梁上以防 止墩柱倾倒伤人并确保墩柱后期的接顶效果 提升 过程中需时时调整上节筒使单体支承座方向平行于 巷道中心线且注料孔朝向行人侧 墩柱接顶后在 两侧单体支撑座下分别打设液压点柱固定墩柱单 体液压点柱初撑力以使墩柱接顶严实为宜不宜过大 以免破坏墩柱上的单体支承座结构待墩柱受力后撤 掉液压点柱 泵注砂石混合料 墩柱打设完毕后向筒内 浇注砂石混合料砂 石子 生石灰 . . .质量比浇注高度与注料孔齐平喷射混凝 土设计强度 水泥、沙子、石子配合比 体积比水灰比 .速凝剂的加入量为水泥质 量的 要确保砂石混合料搅拌均匀和易性满 足泵送要求 加强支护 注料完毕后在原有钢筋网基础 上续接钢筋网直至接住底板金属网用铁丝固定到 墩柱煤帮侧吊钩上与相邻网片搭接不小于 每 用铁丝连接一道 然后在煤帮侧依 次向网上固定半圆木板梁和废旧皮带做为隔离墙 支撑墩柱的液压点柱回撤后墩柱每隔 根后即 集中对采空区侧进行喷浆作业喷浆厚度以 覆盖住钢筋网为宜 图 沿空留巷施工效果 . 墩柱式沿空留巷围岩控制效果 沿空留巷矿压监测分析可以确定巷旁支护体的 设计是否合理验证该沿空留巷实施效果进一步分 析围岩活动规律优化巷内支护方式便于该技术的 推广使用 因此对 工作面留巷巷道矿压进 行监测测区内设 个监测站点 号、 号、 号测 站分别距终采线 、、 处 . 围岩变形控制效果 巷道围岩移近量如图 所示由图 可知由于 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 郭东明等梧桐庄矿墩柱式沿空留巷巷旁支护技术研究 年第 期 受采动影响较小工作面前方变形量较小 工作面 后方的围岩变形大致要经历以下 个阶段分别为 工作面后方 内变形速度增加阶段、 内速度降低阶段、停采之后 以外的稳定阶 段 并在工作面后方 处围岩变形速度达到了 最大值 所以工作面后方 范围是顶板的主要 下沉区域在此区域巷道围岩变形速度较大变形量 较大顶底板累计最大移近量为 平均值为 其中两帮累计最大移近量为 平均 值为 经计算巷道最大断面收缩率为 .断面积能够保证在 以上满足了通风 和留巷内瓦斯抽采的空间需求 图 测站巷道围岩移近量曲线 . . 墩柱受力及变形特征分析 墩柱压力及下缩量如图 所示从图 中综合 个测站分析可看出工作面后方 范围 内顶板迅速下沉顶底板移近量急剧增加此时对 顶板起支撑作用的有墩柱体巷旁支护巷内单体支 柱、锚索等墩柱前期的支护刚度可以避免产生离层 危害和切断采空区侧的顶板由于支护前期主要发 挥的是墩柱的刚性强度内部充填材料并未受到较 大压力其应力值增加较为缓慢工作面后方 范围内随着顶板继续下沉墩柱体内部充填 材料的逐渐压实排水可以有效地承接上覆岩层的 变形此时墩柱体与单体支柱共同作用一同维护沿 空留巷的稳定墩柱内的充填材料压力迅速增大并 达到稳定值 图 墩柱压力及下缩量 . 根据监测结果墩柱的最大下缩量为 表现出一定的可压缩性满足前期切顶卸压要求最 大压力为 既小于墩柱破裂时的临界压力 又满足煤矿安全规程的要求能有效支护 顶板 . 巷道顶板离层控制效果 顶板离层仪深基点布置在顶板 处浅基点 布置在顶板 . 处 顶板离层量如图 所示从 图 可以看出由于后期推进慢工作面前方离层仪 示数变化很小直接顶砂质页岩在回采前未发生明 显的离层说明该处顶板受到采动的影响很小 在 工作面后方 范围以外的离层仪示数变化较快 说明此时进入了采动影响区 顶板离层仪所测的 个测站离层分别为断面深部离层为 浅部 离层为 断面深部离层为 浅部离层 为 断面深部离层为 浅部离层为 顶板离层值较小这说明在墩柱体巷旁支护、 巷内锚杆、锚索、单体支柱共同作用下留巷期间顶 板的下沉运动表现为上覆岩层的整体位移顶板稳 定性较好安全影响不大整体留巷效果很好因此 选择墩柱体巷旁支护方法很合理 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 不同测站顶板离层量 . 结 论 墩柱体巷旁支护属于刚柔结合支护坚持前 期“以切顶为主切让兼顾”后期“以让为主让支 兼顾”的原则 在沿空留巷中墩柱支护体存在 个 变形阶段初期的受压密实阶段、中期的弹性变形阶 段、后期的塑性破坏阶段 根据围岩活动规律通过建立力学模型推 导出了沿空留巷巷旁支护阻力的理论计算公式并 结合梧桐庄矿的地质生产条件计算了 工作 面墩柱所需要承受的切顶压力其中巷旁支护阻力 为 . / 墩柱所受压力为. 小于 极限承载压力 . 在墩柱的承载范围以内 并进一步确定合理的墩柱布置间距中心间距为 通过矿压监测得到墩柱式沿空留巷巷道顶 底板及两帮变形最大值分别为 、 巷道最 大断面收缩率为 .断面积能够保证在 以 上变形量满足巷道通风及瓦斯抽采的空间要求 墩柱最大压力为 . 墩柱最大下缩量为 既在墩柱的承载能力范围内又满足前期切顶 后期支护的要求 参考文献 崔民选王军生陈义和.中国能源发展报告. 北 京社会科学文献出版社. 王宏岩王 猛.深部矿井开采问题与发展前景研究.煤炭 技术. . . . 朱红青张民波王 宁等. 型通风高位钻孔抽采被保护层 卸压瓦斯研究.煤炭科学技术. . . . 费旭敏.我国沿空留巷支护技术现状及存在的问题探讨.中 国科技信息. . . . 刘 毅.德国煤矿沿空留巷技术简介.山西焦煤科技 . . . . 李孝亭.英国煤炭井工开采业发展状况.中国煤炭 . . . . 张 农韩昌良阚甲广等.沿空留巷围岩控制理论与实践 .煤炭学报. . . . 何满潮陈上元郭志飚等.切顶卸压沿空留巷围岩结构控制 及其工程应用.中国矿业大学学报. . . . 陈 勇.沿空留巷围岩结构运动稳定机理与控制研究.徐 州中国矿业大学. 许家林钱鸣高.岩层控制关键层理论的应用研究与实践. 中国矿业. . . . . . /. 李化敏.沿空留巷顶板岩层控制设计.岩石力学与工程学 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 郭东明等梧桐庄矿墩柱式沿空留巷巷旁支护技术研究 年第 期 报. . . . 邹 磊来兴平王宁波等.复杂地质条件下急斜厚煤层巷道 变形特征.西安科技大学学报. . . . 曹树刚王 勇邹德均等.倾斜煤层沿空留巷力学模型分析 .重庆大学学报自然科学版. . . . 李 胜李军文韩永亮等.综放工作面沿空留巷支护阻力研 究.安全与环境学报. . . . 谢文兵.综放沿空留巷围岩稳定性影响分析.岩石力学与 工程学报. . . . 谢文兵殷少举史振凡.综放沿空留巷几个关键问题的研究 .煤炭学报. . . . 贾 民柏建彪田 涛等.墩柱式沿空留巷技术研究.煤 炭科学技术. . . . 陈 勇柏建彪王襄禹等.沿空留巷巷内支护技术研究与应 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