塔山煤矿综采工作面切顶留巷技术.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 王 炯刘雨兴马新根等.塔山煤矿综采工作面切顶留巷技术.煤炭科学技术. ./ ..... . . ../ ... .. 塔山煤矿综采工作面切顶留巷技术 王 炯刘雨兴马新根蒋骞骞张正俊 .中国矿业大学北京 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京 .中国矿业大学北京 力学与建筑工程学院北京 摘 要为解决塔山煤矿三采区采掘接替紧张的问题采用切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术在该采 区进行切顶留巷试验研究 首先系统介绍了切顶留巷技术原理、工艺流程及切顶留巷关键技术其 次结合该煤矿工程地质条件采用理论分析计算、数值软件模拟和现场爆破试验等方法得出顶板预 裂切缝高度为 . 、切缝角度为 、恒阻锚索长度为 等关键参数单孔最优装药结构为 孔间距 留巷稳定后顶板最大下沉量为 底鼓最大值为 两帮收缩最大 值为 监测结果表明切顶卸压条件下留巷效果满足生产需求 关键词切顶卸压沿空留巷恒阻大变形锚索聚能爆破 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . . . . . . . 收稿日期责任编辑杨正凯 基金项目国家自然科学基金资助项目 作者简介王 炯男安徽蒙城人博士副教授 . 引 言 随着我国煤矿的不断开采煤炭资源日益减少 传统留设区段煤柱的长壁采煤法不仅造成了大量的 资源浪费同时随着矿井开采深度的增加区段煤柱 应力集中现象更为严峻极易引发巷道围岩大变形、 冲击地压以及瓦斯突出等地质灾害严重影响煤炭 的安全高效开采 沿空留巷是目前国内普遍采用的 无煤柱开采技术其原理是采用一定的支护手段沿 采空区边缘将上一区段的巷道保留下来给下区段使 用 沿空留巷技术的提出与应用不仅有效提高了 煤炭资源采出率而且减少了巷道掘进作业量改善 了工作面通风环境 关于沿空留巷技术我国学者进行了大量的理 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 论研究与实践应用现阶段主要研究方向是加强巷 旁支护的同时利用充填材料代替区段煤柱从而实 现无煤柱开采 其中布铁勇等选用袋装 型 新型高水速凝材料构筑巷旁充填体研制了沿空留 巷专用液压支架对充填体两侧顶板进行临时加强支 护改善了留巷效果柏建彪等提出采用膏体材 料巷旁充填建立了膏体材料巷旁充填沿空留巷的 力学模型并提出了膏体材料巷旁支护体主要参数 的确定方法康红普等则提出采用高预应力、强 力锚杆与锚索作为巷内基本支护单体支柱配铰接 顶梁为加强支护及膏体充填巷旁支护有效控制了 深部沿空留巷围岩的强烈变形谭云亮等提出柔 性材料和高强材料共同作用实现了坚硬顶板条件 下的沿空留巷张东升等在分析综放工作面顶板 活动规律的基础上提出巷内充填原位沿空留巷技 术并在现场应用成功张农等采用高强锚索 杆和工字钢梁支护顶板以膏体充填护巷有效 控制了深部沿空留巷顶板剧烈变形漆泰岳等通 过现场监测和理论分析提出了能使沿空留巷巷道 保持稳定的整体浇注护巷带的支护强度与变形的理 论计算方法陈勇等采用数值模拟分析了巷内支 护与围岩变形、应力分布的关系揭示了沿空留巷巷 内支护机理 上述研究均对我国沿空留巷技术的发 展起到了重要的推动作用但并没有从根本上改善 充填体受力集中的问题同时充填材料获取困难、回 填工序复杂均在一定程度上制约了沿空留巷技术 的应用与发展 基于传统沿空留巷技术存在的技术难题何满潮 院士于 年提出切顶卸压自动成巷无煤柱开采技 术即沿采空区侧对顶板进行预裂切缝切断留巷顶 板与采空区上覆岩层的应力传递路径使切缝影响范 围内的上覆岩层在自重及矿山压力作用下垮落形成 巷帮 该技术极大的改善了留巷围岩应力环境且留 巷成本较低、施工工艺简单、成巷速度较快具有广阔 的发展前景 为解决塔山煤矿三采区生产接续紧 张难题笔者以 工作面为研究背景系统开展了 辅运输巷切顶留巷技术及现场试验应用研究 工程概况 . 工作面概况 工作面是塔山矿三采区东翼的首采工作 面工作面走向长度为 倾斜长度为 埋 深为 煤层总厚度为 .. 平均厚 度为 . 该工作面的辅运输巷作为切顶留巷无煤 柱开采试验巷道留巷成功后将作为相邻 工作 面的运输巷使用 号煤层属于近水平煤层倾角为 全工作面平均煤层倾角为 其开采方式为 综合机械化长壁式采煤法 工作面平面布置如图 所示 图 工作面平面布置 . . 顶底板岩性及力学参数 工作面留巷顶板属复合顶板其直接顶为 泥岩平均厚度 . 基本顶为细沙岩平均厚度 . 直接底为泥岩平均厚度. 基本底为粉砂岩 平均厚度 . 顶底板岩性力学参数见表 表 顶底板岩石力学参数 序号岩性 厚度/ 累计 厚度 容重/ 抗拉强度/ 内摩擦角/ 黏聚力/ 体积模量/ 剪切模量/ 泥岩...... 细砂岩...... 泥岩...... 中砂岩...... 泥岩...... 中砂岩...... 粉砂岩...... 泥岩...... 粉砂岩...... 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 王 炯等塔山煤矿综采工作面切顶留巷技术 年第 期 . 巷道原支护形式 工作面留巷为矩形断面尺寸为 巷道沿煤层顶板等高掘进原支护形式采 用锚网索支护施工严格执行先顶后帮的支护顺序 主要支护方式及参数如下 巷道顶板支护 顶板采用每排 根左旋螺 纹钢锚杆支护直径为 长度 顶板 锚杆间排距为 其中顶板靠近 实体煤帮一侧的锚杆与水平线成 向实体煤帮侧 倾斜其它锚杆均竖直布置实体煤侧每隔 施工 有 根直径 . 钢绞线锚索 巷帮部支护 巷道两帮各采用 根左旋无 纵筋螺纹钢锚杆直径为 长度 间 排距为 两帮最上、最下的锚杆与 水平线成 倾角分别向顶板、底板倾斜 巷道原 支护形式如图 所示 图 巷道原支护形式 . 切顶留巷技术原理及工艺流程 . 切顶留巷技术原理 基于“切顶短壁梁理论”提出的切顶卸压自动 成巷无煤柱开采技术其原理是在对预留巷道顶板 采用恒阻大变形锚索加强支护的前提下沿采空区 侧顶板进行超前预裂切缝在采空区侧顶板上覆一 定范围岩层与巷道顶板上覆岩层之间形成切缝结构 面切断两者之间的应力传递路径使留巷顶板受力 结构状态由长臂梁转变为短臂梁在工作面回采后 采空区切缝高度范围内岩层在来压作用下沿切缝面 垮落形成巷帮从而实现无煤柱自动成巷 技术原 理如图 所示 . 切顶留巷工艺流程 根据切顶留巷技术原理总结其施工工艺流程 如图 所示 具体步骤如下按设计支护参数施 工恒阻大变形锚索对顶板补强支护如图 恒阻 锚索支护完成后超前工作面一定距离施工切缝孔 图 切顶留巷技术原理 . 并进行双向聚能爆破形成预裂切缝面如图 待工作面回采后及时布置挡矸支护巷内采用切 顶护帮支架或单体支柱对顶板临时支护如图 随工作面推进采空区顶板在自重及矿山压力作 用下沿切缝面逐渐垮落压实形成巷帮待巷道稳定 后逐步回撤巷内临时支护留巷完成如图 图 施工工艺流程 . . 切顶留巷关键技术 通过对切顶卸压自动成巷技术原理分析可知 控制留巷过程中顶板变形是试验成功的前提故选 用恒阻大变形锚索补强加固巷道顶板确保其处于稳 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 定状态顶板预裂切缝效果直接影响采空区顶板能 否按照设计高度顺利切落形成巷帮因此“恒阻大 变形支护顶板”与“双向聚能预裂切缝”是切顶留巷 成功实施的核心关键技术 采空区顶板切落后沿 切缝侧布置一定的挡矸支护防止垮落矸石蹿入巷 道以保证成巷效果 .. 恒阻大变形锚索支护技术 在采用切顶留巷技术开采过程中巷道顶板不 仅受到巷道掘进时的扰动影响还要经受预裂爆破 切缝、工作面回采、初次来压、周期来压以及巷道复 用回采等多方面动压影响传统锚索无论在延伸变 形、支护阻力还是防冲性能方面均不能满足这种复 杂需求 因此为保证成巷过程和二次复用期间顶 板围岩的稳定性采用恒阻大变形锚索对留巷顶板 补强支护 恒阻大变形锚索具有负泊松效应不但 可以提供较大的支护阻力和结构变形量而且具有 防冲恒阻力学特性恒阻锚索结构组成示意如图 所示 图 恒阻锚索结构组成示意 . 恒阻大变形锚索与围岩作用原理 当围岩 受到扰动出现变形破坏且变形能超出锚索的恒阻力 范围恒阻体在恒阻套管内发生滑移即恒阻大变形 锚索随着围岩变形而发生径向拉伸的变形以此吸 收变形能避免由于围岩大变形而发生锚索断裂、失 效现象 当围岩发生大变形之后岩体在恒阻大变 形锚索的支护作用下内部应力达到新的平衡围岩 再次处于稳定状态 恒阻大变形锚索与围岩作用原 理如图 所示 图 恒阻大变形锚索与围岩作用原理 . .. 双向聚能爆破预裂切缝技术 顶板双向聚能爆破切缝是切顶卸自动成巷能成 功实现的基础 根据岩体抗压怕拉的特性研发了 双向聚能爆破切缝装置实现了爆破后在两个设定 方向上形成聚能流并产生集中张拉应力在工作面 回采前采用预裂爆破技术在回采巷道沿将要形成 的采空区侧形成定向预裂缝切断采空区顶板与留 巷顶板之间应力传递路径使顶板沿预裂缝顺利切 落最终垮落充填采空区形成新巷帮 双向聚能爆 破原理如图 所示 图 双向聚能爆破示意 . 利用双向聚能装置进行聚能爆破爆破后冲击 波直接作用于双向拉伸聚能孔对应的孔壁上使其产 生初始裂隙 随后在爆生气体的作用下炮孔及孔 壁周围形成静应力场使炮孔径向受压应力作用 在 聚能孔的引导作用下爆生气体涌入初始微裂隙产 生气楔作用在垂直初始裂隙方向即控制方向产生拉 张作用力并出现应力集中 这部分集中拉张应力使 岩体沿预裂方向失稳、断裂促进裂隙的进一步扩展、 延伸最终沿预裂方向形成切缝结构面 .. 垮落成巷帮挡矸支护技术 为使巷道复用期间满足正常生产使用需求必 须保证留巷的宽度 采用切顶留巷技术切落采空区 顶板后部分矸石易蹿入留设巷道影响成巷效果 因此沿采空区边缘进行必要的挡矸支护防止采空 区垮落矸石蹿入留设巷道 图 挡矸支护侧视 . 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 王 炯等塔山煤矿综采工作面切顶留巷技术 年第 期 结合现场实际情况本次试验采用工字钢配合 钢筋网作为挡矸支护其中相邻工字钢间距按 布置 挡矸支护侧视图如图 所示 切顶留巷关键参数设计 . 顶板预裂切缝设计 预裂切缝高度设计 预裂切缝高度 临界 值为 / 其中为顶板下沉量为底鼓量 为碎胀系数.. 根据顶板岩性可知巷道 直接顶为泥岩碎胀系数为 .基本顶为细砂岩 碎胀系数为 .本设计中 取二者平均值为. 在不考虑底鼓及顶板下沉的情况下取工作面采高 为 . 设计切缝深度为 . 预裂切缝角度设计 为减小顶板垮落时对 留巷顶板的摩擦力作用使得切缝后顶板更易垮落 设计切缝孔应与铅垂线成一定夹角 以 . 切缝 高度为基础对 、和 不同切缝角度进行现 场数值模拟研究并对留巷围岩垂直应力进行分析 比较结果如图 所示 由数值模拟结果得出当切缝角度为 、 时实体煤帮内部应力集中区距煤帮的距离比切缝 角度 时应力集中区距煤帮的距离远说明 、 切缝时增大了应力集中区向实体煤深处转移的 距离有利于巷道围岩稳定对比切缝角度 和 可知采用 切缝在实体煤帮内应力集中峰值小 于 切缝且采空区存在较大范围的低应力区 说 明一定的切缝角度有利于采空区顶板垮落 故设计 切缝角度选择为 图 不同切缝角度数值模拟结果 . 现场爆破试验及参数设计 顶板定向预裂 爆破装药量及爆破孔间距主要与顶板岩性有关根 据顶板岩性不同现场通过爆破试验确定最优装药 结构和爆破孔间距 参考以往切顶留巷试验选取 孔间距为 为确定最优装药结构现 场根据爆破试验效果逐次调整装药结构共进行了 次调整其装药结构分别为 、、 、数字代表从孔底到孔口每根聚 能管内所装药卷的数量其中爆破采用 . 长、 外径 、内径 . 聚能管作为聚能装置每 个爆破孔内安装 个聚能管最后一根聚能管长 炸药为 / 卷的三级乳化炸药封 泥长度取 爆破后采用 矿用本安型 钻孔窥视仪对爆破孔进行窥视对应的窥视结果如 图 、图 所示 分析爆破孔窥视结果可知当采用装药结构为 时孔内只有微小裂缝产生且不连续裂 缝率不足 其中无裂缝段主要在接近孔底部 分为此加大孔底药量调整装药结构为 爆破后孔内裂缝较明显裂缝率约为 但裂缝 仍存在多段不连续不连续段主要集中在距孔口 左右再次调整装药结构为 试验后孔 内有连续明显裂缝产生且裂缝较对称整体裂缝贯 通率达到 但距孔口约 . 内裂缝率相对较 低故加大孔口药量采用装药结构为 进 行试验爆破后窥视发现孔内 左右即出现塌孔 现象且爆破对留巷顶板表面造成较大破坏影响留 巷效果 综合考虑井下 等有害气体浓度及爆破 施工进度设计单次联孔爆破数量为 个 图 爆破孔窥视立体图 . 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 爆破孔窥视展开图 . 综上所述最终确定切顶爆破参数为单孔最优 爆破装药结构为 孔间距 爆破方 式采用联孔连续爆破单次联孔爆破数量为 个 此外由于留巷顶板较坚硬为促使工作面回采后架 后顶板及时垮落不至出现大面积悬顶现象设计沿 切顶线每隔 对采空区顶板进行一组松动爆破 一组 个爆破孔孔深度为 与竖直方向夹角 为 . 恒阻大变形锚索支护设计 恒阻大变形锚索长度设计 为保证切顶过 程和工作面回采期间巷道的稳定性在进行预裂切 顶前采用恒阻大变形锚索补强加固 其中恒阻锚 索长度经验计算公式为 . . 其中为恒阻锚索长度为切缝深度 即恒 阻锚索长度通常比切缝高度长 .. 计算切 缝深度为. 故本设计中恒阻锚索长度取. 恒阻大变形锚索间排距设计 基于切顶短 壁梁理论和力学模型对切缝面最大剪应力进行计 算即锚索极限承载力 为 其中 为顶板截面模量 为基本顶断裂处 深入煤帮长度 为巷道宽度 为作用于顶板上 的均部荷载 为基本顶深入煤帮的断裂弯矩 为顶板在煤帮处所受弯矩 为顶板岩块转动惯量 为重力加速度代入计算可知恒阻锚索承载力符 合需求 因此本设计中恒阻大变形锚索垂直于顶 板方向布置在原支护基础上共布设 列第 列恒 阻锚索设计距切缝侧 排距 第 列恒阻锚索与第 列恒阻锚索间距 排距 恒阻锚索支护如图 所示 考虑到切缝参数及巷道原设计支护方式设计 恒阻大变形锚索直径取 . 长度取 图 恒阻锚索支护 . 恒阻器长 外径 最大允许变形量 恒阻值为 预紧力不小于 应用效果 塔山煤矿 工作面应用切顶卸压自动成巷 无煤柱开采技术成功将本工作面辅运输巷保留下来 作为相邻 工作面回采时的回风巷 由于恒阻 大变形锚索受力变化及顶板变形量可以反映巷道在 切顶留巷过程中受力变形情况因此现场对恒阻锚 索受力状态和顶板变形情况进行了实时监测 . 恒阻大变形锚索受力监测 恒阻锚索受力曲线如图 所示工作面开始回 采后恒阻锚索受力随之增大待工作面回采至超前 测点 左右时由于悬露顶板即将断裂垮落锚 索应力迅速增大达到最大值 . 并在一定范 围内保持恒阻值不变随着采空区顶板逐渐垮落锚 索应力又急剧减小此后随着工作面向前推进锚 索应力值变化幅度较小最终在测点滞后工作面 处应力值趋于稳定说明此时采空区顶板沿 切缝面充分垮落压实巷道顶板在恒阻锚索的补强 支护下重新处于稳定状态 图 恒阻锚索受力曲线 . . 顶板变形量监测 现场顶底板及两帮变形量监测结果如图 所 示 由图 可知工作面回采后顶底板和两帮受 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 王 炯等塔山煤矿综采工作面切顶留巷技术 年第 期 采动影响开始产生变形随着回采工作面距测点距 离的减小变形量均逐渐增大在工作面超前测点 左右顶板下沉及两帮收缩较剧烈底鼓变形较 缓慢此后随着工作面推进顶底板及两帮变形增 长速度逐渐减缓并在测点滞后工作面 处变形 趋于稳定变形达到稳定时顶板最大下沉量为 恒阻大变形锚索最大允许变形量 、底 鼓最大值为 、两帮最大移近量为 、顶 底板最大变形量为 监测结果说明留巷效果 良好 图 顶底板及两帮变形曲线 . . 现场留巷效果 现场采用切顶留巷技术成功留巷 通过 回采前巷道断面形状和回采后留巷效果对比可知 本次留巷试验取得了良好效果 对比如图 所示 图 留巷效果图 . 结 论 以塔山煤矿切顶留巷应用为例介绍了切顶 留巷无煤柱开采技术的实施过程并系统论述了该 技术的原理及工艺流程 该技术利用顶板定向切缝 切断采空区部分顶板和留巷顶板之间的应力传递 同时利用矿山压力和岩石自身的碎胀特性使其垮 落并形成碎石帮实现了无煤柱开采 总结了切顶留巷各关键技术及基本设计方 法采用理论计算、数值分析及现场试验等方法确 定了切缝角度为 、切缝深度为 . 、恒阻锚索 长度为 在原支护基础上共布设 列恒阻锚索 第 列距切缝侧 排距 第 列与 第 列恒阻锚索间距 排距 单孔 最优装药结构为 、孔间距为 等关 键参数 留巷稳定后现场监测巷道顶板最大下沉量 为 底鼓最大值为 两帮移近最大值 为 表明采用切顶留巷技术后巷道整体变 形量较小留巷断面满足相邻工作面回采复用需求 参考文献 华心祝.我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议.煤炭 科学技术. . . . 华心祝赵少华朱 昊等.沿空留巷综合支护技术研究. 岩土力学. . . . 布铁勇冯光明贾凯军等.大采高综采沿空留巷巷旁充填支 护技术.煤炭科学技术. . . . 柏建彪周华强侯朝炯等.沿空留巷巷旁支护技术的发展 .中国矿业大学学报. . . . 康红普牛多龙张 镇等.深部沿空留巷围岩变形特征与支 护技术.岩石力学与工程学报. . . . 谭云亮于凤海宁建国等.沿空巷旁支护适应性原理与支护 方法.煤炭学报. . . . 张东升马立强冯光明.综放巷内充填原位沿空留巷技术. 岩石力学与工程学报 . . . . 张农陈红陈瑶.千米深井高地压软岩巷道沿空留巷 工程案例.煤炭学报. 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 . . . 漆泰岳郭育光侯朝炯.沿空留巷整体浇注护巷带适应性研 究.煤炭学报. . . . 陈 勇柏建彪王襄禹等.沿空留巷巷内支护技术研究与应 用.煤炭学报. . . . 何满潮宋振骐王安等.长壁开采切顶短壁梁理论及其 工法第三次矿业科学技术变革.煤炭科技 . . . . 何满潮高玉兵杨 军等.厚煤层快速回采切顶卸压无煤柱 自成巷工程试验.岩土力学. . . . 何满潮王 炯孙晓明等.负泊松比效应锚索的力学特性及 其冲击地压防治中的应用研究煤炭学报 . . . . 马新根何满潮王炯等.雁崖煤矿 工作面沿空留巷 条件下切眼后方硐室支护设计研究. 煤炭科技 . . . . 孙晓明刘 鑫梁广峰等.薄煤层切顶卸压沿空留巷关键参 数研究.岩石力学与工程学报. . . . 郭志飚王 将曹天培等.薄煤层切顶卸压自动成巷关键参 数研究.中国矿业大学学报. . . . 迟宝锁周开放何满潮等.大采高工作面切顶留巷支护参数 优化研究.煤炭科学技术. . . . 王建文王世彬杨 军等.切顶卸压沿空留巷顶板破坏机理 及控制技术.煤炭科学技术. . . . 何东升刘旦龙张 洋.复合顶板中厚煤层切顶卸压留巷无 煤柱开采技术.煤炭科学技术. . . . 朱 珍张科学袁红平.切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技 术及应用.煤炭科学技术. . . . 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et