无煤柱综采工作面沿空留巷支护技术应用.pdf
S e r i a l N o . 6 1 3 M a y 2 0 2 0 现 代 矿 业 M O D E R NM I N I N G 总 第6 1 3 期 2 0 2 0 年 5月第 5期 袁存发( 1 9 7 0 ) , 男, 副总经理, 工程师, 0 3 7 0 3 1山西省大同市云 冈区。 无煤柱综采工作面沿空留巷支护技术应用 袁存发 ( 大同煤矿集团大斗沟煤业有限公司) 摘 要 为了保证 8 2 0 1无煤柱综采工作面安全高效回采, 提高沿空留巷顶板稳定性, 防止沿空 巷顶板出现破碎、 冒落现象, 通过技术研究, 合理分析了 8 2 0 1无煤柱综采工作面在回采期间主要存在 的技术难题, 并对沿空巷( 5 2 0 1巷) 顶板提出了预裂爆破切顶卸压技术, 并采取了“ 柔模浇筑 + 迈步式 走向 J W型锚索吊棚 + 桁架锚索支护” 联合支护技术, 通过实际应用效果来看, 切顶卸压技术有效阻 止工作面回采应力向沿空巷侧传递, 防止了沿空巷顶板下沉、 破碎现象; 与传统挡矸装置相比, 联合支 护技术成本费用低、 施工工序简单, 有效起到了挡矸护顶作用, 而且有效防止了工作面回采时超前集 中应力对沿空巷破坏作用, 超前应力区顶板下沉量控制在 0 . 1 5m以下。 关键词 综采工作面 无煤柱 沿空留巷 切顶卸压 柔模浇筑 J W型锚索吊棚 桁架支护 D O I 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 6 7 4 6 0 8 2 . 2 0 2 0 . 0 5 . 0 1 0 A p p l i c a t i o no f R o a d w a yR e t a i n i n gT e c h n o l o g ya l o n gG o a f i nF u l l yMe c h a n i z e dF a c eWi t h o u t C o a l P i l l a r Y u a nC u n f a ( D a d o u g o uC o a l I n d u s t r yC o . , L t d . , D a t o n gC o a l M i n eG r o u p ) A b s t r a c t I no r d e r t o e n s u r e t h e s a f e a n de f f i c i e n t m i n i n g o f t h e 8 2 0 1c o a l f r e e p i l l a r f u l l y m e c h a n i z e d c o a l m i n i n gf a c e , i m p r o v et h es t a b i l i t yo f t h er o o f o f t h er o a d w a ya l o n gt h eg o a f , a n dp r e v e n t t h er o o f i n go f t h er o a d w a y f r o mb r e a k i n g a n df a l l i n g , t h r o u g ht e c h n i c a l r e s e a r c h , t h e 8 2 0 1c o a l f r e e p i l l a r f u l l y m e c h a n i z e d m i n i n gf a c ei s r e a s o n a b l y a n a l y z e dd u r i n g t h e m i n i n g , t h e m a i nt e c h n i c a l p r o b l e m s e x i s t e d , a n dt h e p r e s p l i t t i n gb l a s t i n gc u t t i n gp r e s s u r er e l i e f t e c h n o l o g yw a s p r o p o s e df o r t h er o o f o f t h ee m p t yr o a d w a y( 5 2 0 1r o a d w a y ) , a n dt h e " f l e x i b l e m o l dp o u r i n g + s t e p p i n g d i r e c t i o nJ Wa n c h o r c a b l e h a n g e r + t r u s s a n c h o r c a b l e "w a s a d o p t e d . " S u p p o r t "c o m b i n e ds u p p o r t t e c h n o l o g y , b a s e do nt h ea c t u a l a p p l i c a t i o ne f f e c t , t h ec u t t i n gr o o f p r e s s u r e r e l i e f t e c h n o l o g y e f f e c t i v e l y p r e v e n t s t h e m i n i n g f a c e 's r e c o v e r y s t r e s s f r o mt r a n s m i t t i n g t o t h e s i d e o f t h ee m p t yr o a d w a y , p r e v e n t i n gt h es i n k i n ga n dc r u s h i n g o f t h e r o o f a l o n g t h e e m p t y r o a d w a y ;a n dt h e t r a d i t i o n a l g a n g u e d e v i c e C o m p a r e dw i t ht h e j o i n t s u p p o r t t e c h n o l o g y , t h e c o s t i s l o wa n dt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s s i s s i m p l e , w h i c he f f e c t i v e l yp r e v e n t s t h e g a n g u e a n dp r o t e c t s t h e r o o f , a n de f f e c t i v e l y p r e v e n t s t h e d a m a g e o f t h el e a d i n gc o n c e n t r a t e ds t r e s s o nt h e r o a d w a y d u r i n g t h e m i n i n g o f t h e w o r k i n g f a c e . T h e r o o f s e t t l e m e n t i n t h ea d v a n c e ds t r e s s a r e ai s c o n t r o l l e db e l o w0 . 1 5m . K e y w o r d s F u l l ym e c h a n i z e dw o r k i n g f a c e , C o a l f r e e p i l l a r , G o bs i d e e n t r y r e t a i n i n g , T o p p i n g a n du n l o a d i n g , S o f t m o l dp o u r i n g , J W t y p ec a b l eh a n g i n gs h e d , T r u s s s u p p o r t 综采工作面无煤柱回采工艺在我国多数中大型 煤矿被广泛应用, 与传统工作面相比, 无煤柱综采工 作面不仅减少了回采巷道掘进量[ 1 ], 而且大大提高 了工作面煤柱回采量, 但是在实际无煤柱工作面回采 中还存在一些技术难题, 如集中应力对沿空巷破坏严 重、 沿空巷内有害气体量大、 采空区挡矸难度大等, 制 约着工作面回采效率, 威胁着回采安全; 目前无煤柱 综采工作面沿空巷常用采用钢棚、 单体柱、 锚索吊棚 进行维护, 但是传统支护措施支护成本费用高、 支护 难度大、 效果差[ 2 ], 不能满足无煤柱工作面回采要 求, 所以为了保证无煤柱工作面安全快速回采, 必须 对沿空巷采取合理有效的支护措施。以大斗沟矿 8 2 0 1工作面为例, 对工作面回采中主要存在的技术 难题进行分析, 并对沿空巷采取了合理有效的支护措 施。 33 1 概 述 大同煤矿集团大斗沟煤业有限公司 8 2 0 1工作面 位于同忻三盘区, 工作面北东部为盘区巷, 北西部为 8 2 0 2设计工作面, 南东为 8 2 0 6已圈出工作面, 南西 为可采边界, 8 2 0 1工作面为三盘区首采工作面, 如图 1所示。 图 1 8 2 0 1无煤柱综采工作面平面布置 8 2 0 1工作面水平标高 8 8 6~9 0 6m , 走向长度 13 6 8~ 13 8 0m ( 从三盘区皮带大巷算起) , 可采走向 长度1 2 3 8m , 倾斜长度1 8 0m , 赋存面积2 4 8 7 6 0m 2, 工作面回采煤层为山西组 2 # 煤层, 煤层平均厚度 2 . 4 m , 煤层倾角1 ~ 5 , 平均倾角3 , 山2 # 煤层为半亮型 煤, 团块状。煤层总厚度 2 . 2~ 3 . 0m , 平均厚度 2 . 4 m , 本煤层属简单结构煤层, 煤层中普遍含有 1~ 3层 夹石, 夹石岩性为灰黑色砂质泥岩。2 #煤层存在伪 顶, 主要以泥岩为主平均厚度为 0 . 6m , 岩体单轴抗 压强度为 1 9M P a ; 直接顶主要以粉细砂岩及局部煌 斑岩为主, 平均厚度为 5 . 7m , 岩体单轴抗压强度为 2 5 . 4M P a ; 基本顶主要以中粗砂岩, 平均厚度为 1 9 m , 岩体单轴抗压强度为 3 1M P a 。 为了提高工作面回采产量, 8 2 0 1工作面采用无 煤柱回采工艺, U型通风方式, 8 2 0 1工作面与 8 2 0 2 工作面采用同一条回风顺槽, 8 2 0 1工作面回采期间 对 5 2 0 1巷进行沿空留巷。 2 无煤柱工作面沿空留巷存在技术难题 2 . 1 回采应力传递破坏作用 8 2 0 1工作面在回采期间产生的回采应力不仅对 工作面及超前顶板产生影响, 而且应力沿横向方向进 行传递, 对工作面头尾顺槽同样产生破坏作用, 传统 综采工作面回采后顺槽顶板直接垮落, 而无煤柱工作 面需沿空留巷, 工作面应力传递后对沿空巷工作面侧 顶板产生剪切破坏[ 3 ], 而且在工作面后方 0~ 1 5 0m 范围内采空区存在残余应力同样对沿空巷顶板产生 破坏作用, 若不采取应力阻断措施, 仅采用支护措施, 很难对沿空巷顶板进行维护, 随着工作面不断推移, 位于采空区侧沿空巷顶板很容易产生跨距, 甚至发生 垮落事故。 2 . 2 采空区侧挡矸难度大 传统无煤柱工作面沿空巷位于采空区侧主要采 用架设工字钢棚、 单体液压支柱以及铺设金属网等联 合措施进行挡矸护顶, 但是该方法不仅支护成本费用 高、 支护工艺复杂、 挡矸效果差[ 4 ], 就雁崖矿 8 3 0 1工 作面、 塔山矿 8 2 0 8工作面沿空巷挡矸效果来看, 采空 区侧挡矸装置变形、 断裂现象严重, 回收难度大、 回收 利用率低; 而且 2 #煤层甲烷组分 7 . 5 7 % ~ 4 6 . 6 7 %, 二氧化碳组分 0 . 4 0 % ~ 1 0 . 1 3 %, 氮气组分 5 2 . 7 1 % ~ 8 2 . 2 4 %, 回采期间最大绝对瓦斯涌出量 4 . 4 9 m 3/ m i n , 回采后采空区内富含高浓度有害气体, 采用 传统挡矸装置会造成沿空巷内有害气体涌出量大。 2 . 3 超前集中应力破坏严重 8 2 0 1工作面回采期间产生回采应力、 构造应力、 上覆岩层重力等集中应力, 对工作面前方 2 0~ 3 0m 范围内, 煤壁顶板以及沿空巷顶板产生超前应力破坏 作用, 而沿空巷顶板岩体稳定性差, 单轴抗压强度 低[ 5 ], 在应力作用下顶板承载梁破坏严重并形成围 岩松动圈, 特别位于采空区的顶板破坏严重, 随着工 作面不断推进, 超前应力区顶板松动圈范围不断扩 大, 传统的锚杆、 锚索采用的是锚固支护方式, 锚固端 位于松动圈内支护失效现象严重, 传统锚杆、 锚索支 护无法满足沿空巷顶板支护需求, 必须采取合理有效 的支护措施进行顶板围岩加固, 并削弱垂直应力对顶 板破坏作用。 3 预裂爆破切顶卸压技术应用 为了降低工作面回采应力、 采空区残余应力对沿 空巷( 5 2 0 1巷) 破坏作用, 工作面回采前决定对 8 2 0 1 沿空巷采取预裂爆破切顶卸压技术。 3 . 1 预裂爆破切顶卸压技术原理 在沿空巷顶板指定位置施工爆破钻孔, 并根据沿 空巷顶板岩性、 稳定情况设计爆破钻孔深度、 倾角、 间 距以及装药量等爆破技术参数, 通过在爆破孔内安装 聚能爆破装置确保钻孔爆破后既不影响顶板稳定性, 又能在顶板垮落区产生单一方向连续性爆破裂隙, 无 煤柱工作面在回采时爆破裂隙作为卸压区, 阻断回采 应力传递, 同时工作面回采后采空区顶板垮落时可沿 爆破裂隙进行断裂, 从而降低了回采应力、 采空区残 余应力对沿空巷顶板产生的横向剪切破坏作用[ 6 ], 实现了切顶卸压作用, 达到提高沿空巷顶板稳定性目 的。 3 . 2 预裂爆破切顶卸压技术施工工艺 ( 1 ) 爆破钻孔参数确定。通过对沿空顶板岩性 观察发现, 工作面回采后主要实现直接顶全部垮落, 直接顶岩性为细砂岩, 厚度 5 . 7m , 同时为了保证相 邻 2个爆破孔爆破后产生的裂隙能够完全贯通且不 影响爆破孔附近岩体稳定性, 决定设计炮孔深度 6 . 0 m , 炮孔直径 6 5m m , 炮孔孔间距 3 . 0m , 钻孔向采空 43 总第 6 1 3期现代矿业2 0 2 0年 5月第 5期 区侧夹角 7 5 , 如图 2所示, 钻孔施工在距工作面煤 壁 0 . 3m处。 图 2 8 2 0 1无煤柱工作面沿空巷预裂爆破钻孔剖面 ( 2 ) 聚能管安装。8 2 0 1沿空巷预裂爆破孔内安 装的是双排孔 P V C聚能管, 每节聚能管长度 1 . 5m , 管直径 6 3m m , 在聚能管两侧各均匀布置 1排爆破能 量释放孔, 孔径 1 2m m , 孔间距 0 . 3m , 每个钻孔内安 装3 节聚能管, 相邻2 根聚能管之间采用连接套进 行固定连接[ 7 ]; 聚能管安装时保证所有炮孔内聚能 管中聚能爆破孔在水平面上与巷道走向平行布置。 ( 3 ) 爆破工艺。①爆破孔能聚能安装后, 依次对 钻孔内填装矿用三级乳化炸药, 采用间隔式装药方 式, 单孔装药量为 1 . 2k g , 并对每个爆破内填装 1支 毫秒延期电雷管, 采用正向装药方式; ②爆破孔装药 完成后对爆破孔采用膨胀水泥进行封孔封孔处理, 封 孔长度不得低于 0 . 5m ; ③封孔后及时进行爆破施 工, 每次允许爆破炮孔数量为 1个, 每组爆破炮孔数 量为 5个, 每组炮孔爆破后进行工作面回采, 当工作 面回采 1 5m后继续爆破第二组炮孔。 4 沿空留巷联合支护技术 为了保证 8 2 0 1工作面回采期间沿空巷顶板稳定 性, 提高采空区挡矸效果, 降低支护成本费用, 决定对 沿空巷采取“ 柔模浇筑 + 迈步式走向 J W型锚索吊棚 + 桁架锚索支护” 联合支护技术( 图 3 ) 。 图 3 8 5 2 0 1沿空巷顶板联合支护断面( 单位 mm) 4 . 1 柔模浇筑施工 4 . 1 . 1 柔模浇筑技术原理 通过在沿空巷采空区一侧支设模具, 并对模具内 浇筑混凝土, 柔模浇筑完成后可对采空区进行挡矸, 并有效阻止采空区内有害气体向沿空巷内涌出, 而且 柔模浇筑体可对采空区侧顶板进行支撑作用, 实现挡 矸护顶作用[ 8 ]。 4 . 1 . 2 柔模浇筑施工工艺 ( 1 ) 为了保证柔模浇筑施工不影响 8 2 0 1工作面 回采且施工安全, 决定在工作面架后 0~ 5m范围内 进行柔模浇筑, 并采用自移式护顶支架进行掩护, 该 支架为 2架 1组迈步自移式, 主要由顶梁、 伸缩梁、 掩 护梁、 底座、 四连杆、 单摆杆、 立柱、 推移千斤顶、 侧推 千斤顶、 拉紧千斤顶、 底调千斤顶、 控制系统等部件组 成。 ( 2 ) 在护顶支架掩护下首先在距爆破切顶线 0 . 5 m处支设 2排木柱, 木柱排距为 1 . 5m , 木柱间距为 1 . 0m , 木柱支设长度达 5 . 0m后在 2排木柱上铺设 盒板支设模具, 盒板规格为长 宽 = 2 . 4m 1 . 2m , 模具形成后在模具外侧施工 3排穿拉锚杆, 锚杆长度 为 1 . 6m , 锚杆直径为 2 2m m , 在锚杆外露端分别安 装 1根长度为 1 . 2m槽钢, 穿拉锚杆排距为 1 . 2m , 间距为 1 . 0m , 如图 2所示。 ( 3 ) 模具形成后采用 K T R H Z S J 5 0型柔模混凝土 制备输送机对模具内进行浇筑混凝土, 混凝土中水 泥、 沙子、 石子配比为 1 ∶ 2 ∶ 2 , 柔模浇筑后强度等级不 得低于 C 4 0 , 依次类推工作面每推进 5 . 0m进行依次 柔模浇筑施工。 4 . 2 安装迈步式走向 J W 型锚索吊棚 为了防止爆破切顶后, 在回采过程中切顶线附近 顶板出现破碎、 垮落现象, 决定在切顶线附近施工 2 排迈步式走向 J W型锚索吊棚。 J W型锚索吊棚主要由 1根 J W型钢梁及 3根恒 阻大变形锚索组成, J W型钢梁长度 3 . 5m , 宽度 0 . 3 2 53 袁存发 无煤柱综采工作面沿空留巷支护技术应用 2 0 2 0年 5月第 5期 m , 钢梁上均匀焊制 3根锚索圆孔, 孔径 3 0m m , 间距 1 . 5m ; 恒阻锚索长度 8 . 0m , 直径 2 1 . 6m m 。 第一排 J W型锚索吊棚施工在距切顶线 1 . 0m 处, 钢梁与巷道走向平行布置, 同一排锚索吊棚间距 1 . 0m ; 第二排施工在距切顶线2 . 5m处, 两排锚索吊 棚成迈步式布置。 4 . 3 桁架锚索支护 为了降低集中应力对沿空巷顶板垂直破坏作用, 提高顶板稳定性, 决定在沿空巷顶板施工桁架锚索支 护。 4 . 3 . 1 桁架支护原理 通过对应力区顶板施工 1组对称斜角支护体 ( 锚杆) , 在支护体外露端安装拉杆及张拉器具, 并对 斜角支护体进行张拉预紧, 在张拉作用 2根支护体对 钻孔壁岩体分别产生 1个垂直支护体向上的作用 力[ 9 ], 2个作用力合力垂直顶板向上, 从而削弱垂直 应力对顶板破坏作用; 合力调整支护体斜角、 支护间 距以及张拉作用等参数, 可满足不同应力区顶板支护 要求。 4 . 3 . 2 施工工艺 ( 1 ) 8 2 0 1工作面回采时沿空巷顶板应力现象严 重, 顶板局部出现蠕动变形现象, 采用锚杆作为桁架 支护体时由于锚杆刚度强、 柔韧性低, 很容易出现变 形现象, 降低桁架支护效果, 所有决定采用预应力锚 索作为桁架支护体。 ( 2 ) 桁架锚索长度为 4 . 0m , 直径为 1 7 . 8m m , 每 组锚索施工间距为 2 . 0m , 锚索与顶板夹角 7 0 , 锚索 采用端头锚固方式, 每根锚索 3支锚固剂锚固, 1支 M S K 2 3 / 3 5型, 2支 M S K C 2 3 / 6 0型, 锚固长度不得低 于 1 . 5m , 锚固后锚固力不得低于 2 6 0k N , 锚索外露 长度控制在 0 . 3~ 0 . 5m范围内。 锚索锚固后在同一组锚索外露端各安装 1根桁 架拉杆, 拉杆长度为 1 . 2m , 拉杆采用直径为 2 2m m 圆钢制成, 2根圆钢端头安装 1根双向张拉器具, 并 对桁架锚索进行张拉预紧, 预紧力不得低于 2 0 0 N m [ 1 0 ]; 桁架锚索排距 2 . 0m 。 5 结 论 通过对沿空巷顶板采取预裂爆破切顶卸压后, 使 应力区顶板形成人工卸压空间, 工作面回采期间不仅 实现了集中应力卸压作用, 降低了回采应力对沿空巷 顶板剪切破坏, 同时, 工作面回采后采空区顶板可沿 设计切顶线位置进行垮落, 保证了沿空巷顶板完整稳 定性。 与传统沿空巷采空区挡矸支护相比, 柔模浇筑支 护成本费用及劳动强度低, 通过实际计算, 沿空巷采 用柔模浇筑施工后可降低支护成本费用达 24 9 0 元/ m , 而且该支护技术对采空区挡矸效果好, 有效隔 断了采空区有害气体, 解决了传统挡矸装置受压变形 严重、 回收率低、 挡矸效果差等技术难题。 通过对沿空巷顶板采取“ J W 型锚索吊棚、 桁架 锚索” 等联合加强支护后, 进一步提高应力区沿空巷 顶板稳定性, 降低了集中应力对顶板破坏作用, 提高 了顶板承载梁承载作用, 有效控制了顶板蠕动变形、 下沉、 离层、 破碎等现象; 通过实际应用效果观察发 现, 采取联合支护措施后, 沿空巷顶板最大下沉量控 制在0 . 1 5m以下, 未出现顶板断裂、 破碎、 冒落现象。 参 考 文 献 [ 1 ] 琚 伟. 切顶卸压无煤柱自动成巷技术在亿欣煤业的应用[ J ] . 煤, 2 0 1 9 ( 1 2 ) 3 9 4 0 , 5 6 . [ 2 ] 石亚男. 综采工作面小煤柱留巷巷道支护技术研究[ J ] . 山西冶 金, 2 0 1 9 ( 5 ) 9 5 9 7 . [ 3 ] 范新春. 无煤柱工作面切顶施工数值模拟及可行性研究[ J ] . 山 东煤炭科技, 2 0 1 9 ( 1 0 ) 4 2 4 4 . [ 4 ] 党付雄. 塔山矿切顶卸压无煤柱成巷中围岩的变形研究[ J ] . 山 东煤炭科技, 2 0 1 9 ( 1 1 ) 4 6 . [ 5 ] 关晓峰. 无煤柱切顶成巷技术在兴峪煤业深部采煤中的应用 [ J ] . 机械管理开发, 2 0 1 9 ( 8 ) 3 1 3 2 . [ 6 ] 李 鑫. 工作面切顶卸压无煤柱回采工艺分析[ J ] . 能源与节 能, 2 0 1 9 ( 8 ) 2 5 2 6 , 2 9 . [ 7 ] 王小龙. 高瓦斯煤层切顶卸压无煤柱自成巷技术应用研究[ J ] . 工况自动化, 2 0 1 9 ( 7 ) 9 7 1 0 1 . [ 8 ] 闫树鹏. 切顶卸压无煤柱自成巷技术在中兴矿 1 2 0 0工作面的应 用[ J ] . 能源技术与管理, 2 0 1 8 ( 6 ) 8 0 8 2 . [ 9 ] 于国华. 煤矿切顶卸压沿空成巷无煤柱开采技术研究与应用 [ J ] . 水力采煤与管道运输, 2 0 1 8 ( 3 ) 7 9 . [ 1 0 ] 何满潮. 中厚煤层复合顶板切顶卸压无煤柱自成巷技术应用研 究[ J ] . 同煤科技, 2 0 1 8 ( 4 ) 1 7 . ( 收稿日期 2 0 2 0 0 3 1 0 櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 ) ( 上接第 3 2页) [ 3 ] 许志逞. 一种新型整体道床施工技术在梅山铁矿的应用[ J ] . 现 代矿业, 2 0 1 8 ( 1 1 ) 8 1 8 2 . [ 4 ] 闫美平. 梅山铁矿东南井井底混凝土渣石疏通技术方案[ J ] . 现 代矿业, 2 0 1 7 ( 9 ) 1 9 2 1 9 4 . [ 5 ] 刘 康. 低回弹喷射混凝土技术研究[ D ] . 天津 河北工业大学, 2 0 1 5 . ( 收稿日期 2 0 2 0 0 3 2 1 ) 63 总第 6 1 3期现代矿业2 0 2 0年 5月第 5期