综采放顶面沿空巷道合理位置确定.pdf

第 2 9卷 第 2 期 2 0 0 0 年 3月 中国矿业大学学报 J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g＆ Te c h n o l o g y Vo 1 ． 2 9 No ． 2 M a r ． 2 00 0 一 综采放顶煤面沿空巷道合理位置确 摘要 用理论分析和数值计算方法研究了综采救顶燥面沿空巷道的围岩稳定性， 分析了影响掘巷 位置的几个因素 老顶岩层垮落特征、 直接顶和燥体变形特点及采空倒支承压力分布规律， 提 出了沿空巷道的合理位置． 研究成果应用于兴隆庄煤矿 5 3 1 8综采放顶煤面沿空巷道锚杆支护， 并取得 关键词 中图分 综采放顶煤面沿空掘巷锚杆支护技术作为进 一 步提高综采放顶煤面高产高效的极有效途径， 正 在国内的几个矿井试用， 巷道位置确定是支护成功 的关键因素之一。 5 3 1 8综采放顶煤 面沿空掘巷埋 深平均 5 0 0 m， 煤层 厚度平 均 8 ． 2 8 m， 倾 角平均 7 。 ， 巷道沿煤层底板掘进， 煤层直接顶为0 ． 2 m厚 的泥岩和 2 ． 0 6 m厚的粉砂岩 ， 老顶为 2 2 ． 0 2 m 厚 的 中 砂 岩； 煤 层 底 板 为 1 ． 9 5 m 厚 的 泥 岩 和 1 3 ． 5 8 m厚的粉细砂岩互层． 该类巷道国内一般采 用留大煤柱护巷， 留煤皮沿空掘巷， 绝大多数巷道 采用矿工钢支护， 由于对沿空巷道围岩结构及整体 稳定性缺乏理论指导， 一般不用锚杆支护。 1 沿空掘巷围岩稳定性 综采放顶煤面沿空掘巷在采空侧煤体中掘进， 支护对象是煤体． 因此， 研究巷道上覆老顶岩层垮 落特征、 直接顶和煤体的稳定性是确定掘巷位置的 基础． 1 ． 1 老顶岩层垮落的结构稳定性 在综采放顶煤采场 中， 随工作面的推进 ， 上覆 岩层具有明显的依次向上发展的分层组合运动特 征 ， 这种运动往往是受上覆岩层中一层或几层力学 性能好的坚硬岩层所控制 ] ， 5 3 1 8 综采放顶煤面 中砂岩老顶即为此类关键顶板． 顶板断裂是以板的 方式进行的， 由下向上板的面积逐渐减小 ， 到达一 定高度后岩层形成一“ 类拱大结构” 。 该结构以两侧 煤岩体为支承点， 距采场较远， 承担了采场上方大 爱媛 部分岩层 的重量， 其 上部载荷并不直接施加于采 场 ， 而是通过两侧的支承点传递到采场两侧． 对 5 3 1 8面的关键顶板来说 ， 工作面回采后 ， 在 侧向有 3 12 1 宽的煤层不放煤 ， 加上原来的巷道宽 度， 大约有 7 m不放煤， 也 即该范围内 5 。 2 8 m厚 的顶煤属垮落范围； 另外， 紧靠煤层上方的直接顶 0 ． 2 m 的泥岩和 2 。 0 6 m 的粉砂岩 随工作面 的 前移而垮落。 而关键顶板断裂在侧向煤层深部． 并 在 自重及上部载荷 的作用下 向采空区方向回转下 沉， 直到一端在栗空区触矸． 另一端支承在煤壁中 形成稳定的力学平衡“ 小结构” ， 这种回转下沉才会 停止 ． 该结构的回转下沉变形与关键顶板在煤层 内的断裂深度、 断裂后的跨度、 采空区的充满程度 有关． 其中老顶在采空区中触矸时的下沉量 为 S M r Hl K1 1 H2 K 一1 ]． 式中 Ⅳ 为煤层采高， 1 2 1 ； H1 为顶煤厚度 ， 1 2 1 ； K 为 煤体碎胀 系数； K 为直接顶碎胀系数； H 为直接 顶厚度 ， m． 选取参数 M 3 m， HJ 一5 ． 2 8 m， KJ 一1 ． 2 5 ， K 1 、 1 5 ， H 2 ． 2 6 m、 根据上式计算可得 S b 一 1 ． 3 4 m 相应地 可计算出采空侧煤体下沉量 S 一 0 ． 9 2m ． 进一步研究认为， 2 2 ． 0 2 m厚的中砂岩关键顶 板在侧向断裂后形成的“ 小结构” 主要承担其上覆 岩层 中部分岩体的重量 ， 具体是指采场。 类拱大结 收稿日期． 1 9 9 9 0 9 1 7 作者筒卉． 李学华 ] 9 7 2 一 ， 男． 宁夏中卫县人． 中国矿业大学博士研究生 维普资讯 第 2期 李学华等 综采放顶煤面沿空巷道合理 位置确定 构” 之下垮落岩层的重量 ， 而“ 类拱大结构” 则承担 了采场上方大部分岩体的重量 ， 在此意义上说。 小 结构” 位于“ 类拱大结构” 保护之下 ， 对沿空巷道的 布置十分有利． 1 ． 2 直接】 酉 和煤体变形特征 5 3 1 8综采放顶煤面采空侧直接顶和煤体的变 形特点与直接顶及煤层性质、 老顶断裂 回转程度等 因素有关， 变形复杂． 为此利用显式有限差分程序 F L A C 3 3对煤体和直接顶岩层 的变形进行 了数 值计算 图 1 ， 2 ． 其中， 图 1为直接顶和煤体垂直 位移， 图 2 为直接顶和煤体水平位移 由图可见 1 采空侧 7 m未放煤段的垂直位移远大于水 平位移， 煤体表现出明显的向下垮落倾向． 2 侧向煤体内水平位移和垂直位移变化的基 本特点是 不论从直接顶到底板岩层， 还是从采空 区到煤深部， 位移值均呈递减趋势． 不同的是离采 空 区 3 ～5 m范 围内， 水平位移变化 比较平缓 ； 而 垂直位移则衰减较快， 煤体下部的垂直位移很小． 3 煤体内任一点的水平位移值均大于垂直位 移值 ， 整个采空侧煤体的运动表现为沿一斜面向采 空区滑落的特征． 4 直接顶的位移特征与其J临近的顶煤移动趋 势是一致的． Q M 一 图 2 直接顶和煤体水平位移 F i g ． 2 Ho r i z o n t a l d i s p l a c e me n t o f i mme d i a t e r o o t“ a n d s u b c o a l C 1 0 0 mm I D一 2 0 0 N m } E一 3 0 0 mN { F 4 O 0 mm I G 50 0 m m } H 6 0 0 mm I Z 一 7 0 0 mⅢ l J一 8 0 0 mm I 9 0 0 mm } L 1 0 0 0 mm 2 采空侧支承压力分布规律 从支承压力的形成来看 ， 关键顶板在此处有双 重作用． 其一． 作为煤层中的一层主要顶板 ， 本身的 自重对下部岩层和煤层 施加载荷， 起着载荷 的作 用 ； 其二， 承担了其上覆部分岩层压力， 并可将这些 压力传递到下部的直接顶和煤层 ， 起着传递作用 所以， 关键顶板在侧向的断裂活动过程对支承压力 的分布有着密切的关系． 当 5 3 1 8综采放顶煤 面关 键顶板处于相对稳定时， 其载荷作用和传递作用是 连续的； 当发生显著作用， 即关键顶板从煤壁深处 断裂时， 其传递作用和载荷作用不再连续． 根据 5 3 1 8综采放顶煤面侧向煤岩结构特点， 其侧向典型的支承压力分布如图 3 所示， 具有以下 特点 1 直接顶与煤体在侧向具有相似的应力分布 特点， 支承压力峰值均位于关键顶板在煤体中的断 裂处， 其值大小几乎相等 在靠近采空区一定 的范 围内， 煤层内存在低应力区， 适台布置沿空巷道． 2 关键顶板垂直应力分布起伏不平 ， 总的趋 势是应力集中程度较小 ， 表明其分布载荷并不大． 其应力集中的峰值点位于断裂线之外 ， 也即在煤体 应力峰值点之外． 3 在距离采场较远的上位岩层 中， 支承压力 的峰值逐渐向采空 区中移动， 这与采场“ 类拱大结 构“ 的结论是相符的． 旧 苗 距煤壁距离／ m 图 3 采空侧不 同岩层 上的支承压力分布 Fi g ． 3 Di s t r i b u t i o n o f a b u t me n t n n s s u r e f o r d i f f e r e n t s t r a t a n e o y t h e g o a l “ 3 沿空掘巷合理位置确定 合理的巷道位置是建立在研究采空侧支承压 力分布随上覆岩层运动而变化的规律的基础之上， 通过理论研究、 数值模拟和现场实测， 确定特厚破 碎煤层综放采空侧低应力区的范围， 从而确定沿空 巷道开掘的合理位置， 使其避开高应力区， 最大限 度地减轻支承压力集中区的影响． 根据5 3 1 8 综采放顶煤面采空侧煤岩体的变形 特点， 可将其分为破裂区、 塑性区和弹性区， 结合采 空侧煤岩体支承压力分布规律， 综采放顶煤面沿空 维普资讯 1 8 8 中国矿业大学学报 第 2 9卷 掘巷有 4种掘巷位置， 分别是 位置 1为弹性区中 留大煤柱的掘巷方式； 位置2 为塑性区中留较大煤 柱的掘巷方式； 位置 3为塑性 区中留小煤柱的掘巷 方式； 位置 4 为完全沿空巷道、 从理论和实践上来说， 位置 1处于弹性 区中， 无论是掘巷时还是本工作面 回采时巷道 的变形量 都要小一些， 但因其煤柱过大， 造成资源浪费， 故不 宜采用、 位置 2为塑性区中留大煤柱的掘巷方式 ， 巷道位于煤体支承压力峰值区内， 在掘巷和本工作 面 回采时巷道的变形量很大 ， 难于维护 ， 故不是最 好的掘巷位置； 位置 3和位置 4 是较理想的沿空掘 巷位置． 两个位置都处于煤体内低应力区中， 在采 空侧老顶 小结构” 保护之下， 掘巷时不会引起支承 压力和煤体力学状态的明显变化， 所以掘巷稳定期 内围岩变形均较小 但从采空区挡矸、 防水、 防火、 巷道掘进的施工管理、 掘巷速度和锚杆支护的角度 考虑， 位置 3 是最为有利的位置、 根据现场实践和数值方法研究结论． 在低应力 区中留小煤柱掘巷时． 确定煤柱尺寸一般为 3 ～ 5 m， 具体尺寸则应根据锚杆长度及打钻孔时煤体 的破坏程度确定． 在这种情况下巷道采用锚杆支护 可充分发挥锚杆的主动支护作用， 为巷道周围的煤 体提供一定的侧向约束力， 使其强度得到一定程度 的强化， 充分发挥 围岩 的自承能力， 可使巷道在本 工作面回采时巷道变形得到一定程度的控制 ． 同时 能够保持巷道的稳定性， 保证沿空巷道断面的正常 使用、 4 工程应用 5 3 1 8综采放顶煤面沿空巷道沿煤层底板掘 进， 巷道断面尺寸为 4 2 0 0 mm3 0 0 0 mm； 煤柱 净尺寸为 3 m； 采用锚杆支护系统维护巷道， 其 中 顶板采用 5根 ≠ 2 O 2 5 0 0 mm 高强度螺纹钢锚杆 树脂全长锚固； 巷道两帮中， 实体煤帮和煤柱帮分 别采用 4根和 5根 2 O 2 0 0 0 mm高强度螺纹钢 锚 杆 树 脂 加 长 锚 固 锚 固 长 度 大 于 等 于 1 0 0 0 mm 、 根据实测， 5 3 3 8综采放顶煤面沿空巷 道围岩 变形具有以下特点 1 沿空巷道在掘进影 响期 内， 两帮移近速度 一 般为 3 5 ． 5 m m／ d ， 移近量平均为 2 7 3 mint 巷道 顶底板的移近速度一般为 1 6 ． 7 mm／ d ， 移近量平 均为 1 】 l _ 7mm． 2 沿空巷道掘进变形稳定后， 两帮移近速度为 1 ． 5 2 mm／ d ； 巷道顶底板移近速度为0 ． 6 9 mm／ d ． 3 回采时， 沿空巷道超前影响距离约 3 0 0 m， 剧烈影响范围一般为 3 5 1 3 1 左右． 在整个 回采影响 期 内， 此段巷道顶底板移近量最大为 6 9 5 mlT I ． 移 近速 度 最 大 为 1 7 0 mm／ d ； 两帮 移 近 量 最 大 为 1 4 2 1 mlT I ， 移近速度最大为 7 7 2 m m／ d ． 其中剧烈 影响范围内围岩变形量占总变形量的大部分、 4 在 回采影响期 内． 变形主要以两帮的移近 为主， 一般是顶底板移近量的两倍 ； 在顶底板移近 量中底鼓量大于顶板下沉量 ． 巷道顶板比较完整 ． 呈均匀下沉； 在两帮移近量中实体煤帮的移近量要 比煤柱侧的移近量更大一些， 巷道煤柱侧以整体移 近为主， 巷道实体煤侧下部的移近量大于上部的移 近量． 表现为向巷道内滑落的趋势． 由 5 3 1 8综采放顶煤沿空面巷道围岩变形特点 可见 1 沿空巷道掘进时， 由于 只破坏 了采空侧下 位煤岩的稳定性 ， 而上位老顶岩层破断结构仍保持 稳定， 故巷道在掘进期问围岩变形量较小． 2 在靠近工作面端头段， 老顶岩层的破断结 构发生失稳垮落， 直接顶 和煤体上的载荷急剧增 大． 导致巷道剧烈变形． 3 由于高强螺纹钢锚杆支护强度高． 适应围岩 变形能力大 ， 支护系统可靠 ， 巷道围岩发生较大变 形， 但 整 体 保 持 稳 定 ． 两 帮 最 终 宽度 可 达 到 2 5 0 0 mlT I ， 能 满 足 使 用要 求．回采 工 作 面前 方 2 0 m范围内底鼓较严重， 需简单清底， 并配套超前 加强支护． 5 结论 1 综采放顶煤面上覆老顶断裂在采空侧煤壁 内， 在侧向能形成稳定结构， 对其下部煤体中的沿 空巷道起到保护作用 ， 裙空巷道布置在该结构之下 可以保持稳定． 2 综采放顶煤面采空侧直接顶和煤体变形比 较复杂． 煤体具 有向采空区滑落的趋势， 应采用高 强支护加固巷道浅部围岩， 以保持沿空巷道围岩小 结构的整体稳定性、 3 综采放顶煤面沿空掘巷围岩变形剧烈与巷 道围岩介质属性和上覆煤岩体结构关系很大． 而巷 道上覆岩体结构的载荷变化和结构的运动方式决 定 了巷道在回采期间大变形的必然性， 这就要求巷 道支护形式能够适应大 的围岩 变形， 实现高强可 缩． 4 留设小煤柱的沿空巷道采用高强螺纹钢树 脂锚杆支护可以有效控制巷道围岩变形． 保证巷道 的正常使用． 维普资讯 反 5 第 2 期 李学华等综采放顶煤面沿空巷道合理位置确定 1 8 9 参 考 文 献 [ ] j 王19春96秋,2．1等3．综2采2 5放2 3顶0．煤 安 全 开 采 条 [ 1 ] 钱鸣高， 缪协 ， 许家林． 岩 层控制中的关键词理论研 件 的认识口] ． 煤炭学报 ， 1 9 9 5 ， 2 0 4 3 5 6 3 6 0 ． Ra t i o n a l Po s i t i o n De t e r mi n a t i o n o f Ro a d wa y Dr i v i n g Al o n g Ne x t Go 、a f f o r Fu l l y - M e c h a n i z e d To p Co a l Ca v i n g M i n i n g LI Xu e h u a ，ZHANG No n g，HOU C h a o j i o n g De p a r t me n t o f Mi n i n g En g i n e e r i n gC UMT， Xu z h o u ．J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e o r e t i c a i a n a l y s i s a n d n u me r i oai s i mu l a t i o n．t h e s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n g r o c k o f r o a d wa y d r i v i n g a l o n g n e x t g oa f f o r f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g mi n i n g wa s s t u d i e d ．S e v e r a l a f f e c t i n g f a c t o f s f r a c t u r e c h a r a c t e r o f ma i n r o o f ，d e f o r ma t i o n f e a t u r e s o f i mme d i a t e r o o f a n d s u b c o a 1 ．a n d d i s t ri b u t i o n r e g u l a r i t y o f a b u t me n t p r e s s u r e we re a n a l y z e d ．Th e r a t i o n a l p o s i t i o n o f r oad wa y wa s p u t f o r wa r d a n d h a s b e e n a p p l i e d s u c c e s s f u l l y i n r o a d wa y d r i v i n g o f f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g f a c e 5 3 1 8 ． Ke y wo r d s f u l l y me c h a n i z e d t o p c oa l c a v i n g mi n i n g；r oa d wa y d ri v i n g a l o n g n e x t g o a f ；r a t i o n a l p o s i t i o n 上接 1 8 1页 Th e o r y o f“ Ca t a l y s i s Ox i d a t i o n’ ’a n d I t s U s e i n Pr e p a r i n g Ac t i v a t e d Ca r b o n Z HANG S h u a n g q u a n 。 ， QI AN Z h o n g q i u 。 ．W ANG Z u n a 。 1 ．D e p a r t me n t o f En e r g y Ut i l i z a t io n a n d Ch e mi c a l E n g i n e e r i n g，CUMT．Xu z h o u， J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a 2 ．Xu z h o u C o a l Ga s Co mp a n yXu z h o uJ i a n g s u 2 2 1 0 0 2， Ch i n a； 3 ．De p a r t me n t o f C h e m i c a l a n d E n v i r o n me n t E n g i n e e r i n g ， C UMT．B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t {Th e o r y o f“ c a t a l y s i s o x i d a t i o n ”f o r p r e p a r i n g a c t i v a t e d c a r b o n wa s p u t f o r wa r d ． A n e w t y p e o f c a t a l y s t ，c o mp o s e d o f n i t r a t e ， p o t a s s i u m c o mp o u n d a n d e n h a n c i n g c a t a l y s t ．wa s d e v e l o p e d ．Th e c a t a l y s t d e c o mp o s e s d u r i n g t h e c a r b o n i z a t i o n a n d a c t i v a t i o n t o f o r m o x y g e n，p o t a s s i u m o x i d e a n d p o t a s s i u m c a r bo n a t e ， p r o mo t i n g t h e b r e a k i n g o f a r o ma t i c r i n g o f c oal mo l e c u l e ，e n h a n c i n g t h e c r o s s l i n k i n g b e t we e n c oa l mo l e c u l e s a n d i n c r e a s i n g t h e a c t i v e s i t e s i n a c t i v a t i o n r e a c t i o n ．P o t a s s i u m o x i d e a n d p o t a s s i u m c a r b o n a t e r e a c t wi t h ml n e r a l s i n c o a l ，c o n v e r t i n g t h e m i n t o a c i d s o l u b l e ma t e r i a l ，ma k i n g t h e d e a s h i n g b y a c i d wa s h i n g a n e a s y j o b ． Th e r e f o r e t h e c a t a l yst u n i t e s o x i d a t i o n ，c a t a l y s i s a n d c o n v e r s i o n o f t h e mi n e r a l s i n t o a s i n g l e p r o c e s s ．Th e r e I s a l t s o f a c t i v a t e d c a r b o n t e s t s s h o w t h a t t h e c a t a l y s t c a n i n c r e a s e t h e a b s o r b a b i l i t y，d e c r e a s e t h e a s h a n d p r o - d u c t i o n c o s t ．S o i t h a s b e e n u s e d i n i n d u s t ry s u c c e s s f u l l y ． Ke y wo r d s c a t a l y s i s ； O X i d a t i o n ；a c t i v a t e d c a r b o n；p r e p a r a t i o n 维普资讯