高河矿E1302综放工作面柔模支护沿空留巷设计.doc

潞安矿区柔模支护完全开采技术应用研究 高河矿高河矿 E1302 综放工作综放工作 面柔模支护沿空留巷设计面柔模支护沿空留巷设计 二二 O 一一三三年年五五 月月 山西潞安环保能源开发股份有限公司 西安科技大学 I 目目 录录 1 概述1 1.1 立项背景.1 1.2 沿空留巷的意义.4 1.3 沿空留巷国内外研究现状.5 1.3.1 沿空留巷围岩活动规律研究现状.5 1.3.2 沿空留巷巷旁支护研究现状.7 1.3.3 沿空留巷工程实践现状.8 1.4 研究内容和技术路线.9 2 E1302 工作面工程地质条件11 3 柔模混凝土沿空留巷设计13 3.1 巷道原支护参数.13 3.2 巷内永久加强支护设计.14 3.3 超前隔离支护设计.15 3.3.1 切顶挡矸支柱设计.15 3.3.2 护顶挡矸金属网设计.16 3.4 待浇筑空间支护设计.16 3.5 巷内临时加强支护设计.16 3.6 巷旁支护设计.17 3.7 留巷埋管法瓦斯抽放技术.20 3.8 柔性模板设计.20 3.8.1 柔性模板规格.20 3.8.2 柔模工操作规程.21 3.9 浇筑混凝土设计.22 3.9.1 混凝土配合比.22 3.9.2 混凝土泵注工操作规程.22 3.10 留巷通风设计.23 4 柔模混凝土沿空留巷施工25 4.1 沿空留巷施工工艺.25 4.2 沿空留巷施工装备.25 4.2.1 地面干混料搅拌站布置.26 4.2.2 地面到井下运输系统.26 4.2.3 井下机械化上料系统.26 4.2.4 柔模混凝土制备输送机组布置.27 II 4.3 沿空留巷劳动组织.27 4.4 沿空留巷安全措施.28 4.4.1 顶板管理措施.28 4.4.2 柔模挂设措施.28 4.4.3 混凝土泵注措施.28 4.4.4 供电管理措施.29 4.5 沿空留巷矿压监测.29 4.5.1 矿压监测的目的和意义.30 4.5.2 矿压监测的内容.30 4.5.3 矿压监测的方法.32 4.5.4 矿压监测的整理和分析.33 5 沿空留巷工程投资分析34 5.1 材料与设备计划.34 5.2 工程预算.34 5.3 效益分析.35 参考文献.37 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 1 1 概述概述 柔模泵注混凝土沿空留巷就是紧跟工作面回采，在工作面端头支护效应消失前， 在支架或单体支柱掩护及支撑下，将可调凝调强自密实混凝土泵入一次性柔性模板内， 在采空区与顺槽之间砌筑一道密闭的柔模混凝土连续墙，弥补回采造成的巷道一帮的 缺失，与原有巷道内的支护形成一个整体，共同承担回采动压及其它的巷道压力，维 护巷道稳定，并隔绝瓦斯等有害气体，防止采空区自然发火，以便该巷用于下一个工 作面回采。 1.1 立立项项背景背景 （1）中国能源结构的需要 煤炭工业发展“十二五”规划中指出：我国是世界第一产煤大国，同时煤炭又 是我国的主体能源，在一次能源结构中占70%左右，在未来相当长时期内，煤炭作为 主体能源的地位不会改变。19892011年我国煤炭在能源生产和消费中的比重分别见图 1.1和1.2。 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 0 10 20 30 40 50 60 70 80 原煤 原油 天然气 水电、核电、风电 能能源源生生产产比比重重/ /% % 年年份份 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 0 10 20 30 40 50 60 70 80 原煤 原油 天然气 水电、核电、风电 能能源源消消费费比比重重/ /% % 年年份份 图1.1中国煤炭在能源生产中的比重 图1.2中国煤炭在能源消费中的比重 中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究中提出2030年和2050年控制能 源总需求4550亿吨和5060亿吨标准煤的建议，到那时煤炭在中国能源结构中的比例 仍占半壁江山。 煤炭比石油、天然气更具有资源优势，可以主要立足于国内，煤炭作为能源的投 资强度低，周期较短，效率较高，是最为易得的大规模一次能源。由此可知，煤炭工 业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。 （2）煤炭行业政策导向的需要 国家煤炭科技“十二五”规划发展目标明确提出，到2015年，产、学、研结 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 2 合的煤炭工业技术创新体系基本建成，科技进步成为煤炭产业提升生产力水平和市场 核心竞争能力的主要因素，全行业科学技术对经济发展贡献率达到45%以上。山西潞 安环保能源开发股份有限公司是山西省煤炭企业中唯一一个高新技术企业，对高新技 术的开发和推广责无旁贷。 国家煤炭科技“十二五”规划明确提出，十二五的主要任务之一就是研究沿 空留巷支护材料、支护设备、巷旁充填材料及设备，潞安矿区深受瓦斯和和低回收率 问题困扰，采用先进的柔模泵注混凝土沿空留巷技术，实现工作面Y型通风和无煤柱开 采，从本质上解决发展中存在的问题。 2012年山西省煤炭工业厅印发的山西省煤矿五个标准规定，现代化矿井坚持 开发与保护并重的原则，合理确定开采顺序，不断优化矿井开采和采区设计，科学合 理开发煤炭资源。对稀缺和特殊煤种实行保护性开发。积极推广采煤新工艺、新技术， 积极探索应用无煤柱开采、小煤柱开采、充填式开采和沿空留巷技术。 （3）煤矿安全生产的需要 中国煤炭资源总量 5.57 万亿 t，其中埋深在 1000 米以下的为 2.95 万亿 t，占煤炭 资源总量的 53%，而深部开采又是我国煤矿安全事故的重灾区。 我国煤矿地质条件复杂，瓦斯含量高，水害严重，开采难度大。我国现有生产矿 井只有 1/3 符合安全先进矿井生产条件；1/3 的煤矿有可能经过重组和技术改造，形成 安全高效生产能力；其余有 1/3 矿井实际达不到安全生产条件，基本没有改造成安全高 效矿井的条件。 经过几十年的不懈努力，我国煤矿每年发生灾害的次数及因灾死亡人数都在不断 下降，但每年发生的矿井灾害仍然不断，2012 年中国煤炭总产量 36.5 亿吨，百万吨死 亡率仍高达 0.374，是美国的 10 倍，安全生产形势严峻。中国煤矿历年百万吨死亡率 统计见图 1.3。 2000200220042006200820102012 0 1 2 3 4 5 6 7 死死亡亡率率/ /人人/ /百百万万吨吨 年年份份 图 1.3 中国煤矿历年百万吨死亡率 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 3 （4）煤炭完全开采的需要 美国、澳大利亚、德国和加拿大等发达国家，煤炭资源回收率能达到80左右， 他们每采1吨煤只消耗1.21.3吨资源。平均而言，中国的煤炭回收率只有30，不到国 际先进水平的一半。据2007中国能源发展报告蓝皮书数据，中国在19802000年的 20年间，煤炭资源就浪费了280亿吨，这20年间浪费的煤炭资源可以保证中国 20012018年间全国的煤炭供应。因此，中国煤炭资源因开采不充分造成的不合理损失 量比重很大，绝对量很高。 我国煤炭人均可采储量少，仅为世界的三分之二；开发规模大，储采比不足世界 平均水平的三分之一；资源回采率低，部分大矿采肥丢瘦、小矿乱采滥挖，资源破坏 浪费严重；消费量大，约占世界的48%。资源开发和利用方式难以支撑经济社会长远 发展。 针对煤炭资源低回收率问题，在多年科学研究及工程实践的基础上，西安科技大 学王晓利教授于2012年正式提出了“中国煤炭柔模支护完全开采”的理念和配套技术。 柔模支护完全开采的本质就是以柔模支护技术为手段，把地下有限的煤炭资源全部开 采出来，更好地造福子孙后代。 “中国煤炭柔模支护完全开采”的技术体系见图1.4。本课 题属“中国煤炭柔模支护完全开采技术”的一个子课题。 煤炭开采 巷道支护采煤 柔模混凝土条 带锚碹支护 柔模混凝土连 续锚碹支护 柔模混凝土无 煤柱开采 三下一上柔模 充填开采 废弃老井复采 柔模混凝土 沿空留巷 柔模混凝土 沿空掘巷 综采充填巷采充填 柔模支护完全开采 图1.4中国煤炭柔模支护完全开采技术体系 （5）高河煤矿科学开采的需要 瓦斯问题严重制约着高河煤矿的快速发展。为了解决瓦斯问题，回采工作面采用 双 U 型通风方式，一个工作面需要布置 4 条煤巷顺槽，加上开切眼共计 5 条，掘进工 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 4 程量大，潜在掘进安全问题突出；每个回采工作面布置 5 条煤巷，掘进量大，吨煤成 本高；由于掘进量大，导致矿井采掘接续紧张；双 U 型通风方式仍然没有从根本上解 决了上隅角瓦斯超限问题，回采推进度慢，日平均推进度为 3m，严重制约着矿井的高 产高效。 低回收率问题严重制约着高河煤矿的可持续发展。双 U 型通风方式使每个回采工 作面至少浪费掉 50m 煤柱，工作面长度按照 200m 计算，回收率不足 80%，严重消耗 着矿井的可采储量，矿井服务年限至少缩短 1/5 的服务年限，不利于矿井的可持续发展。 基于上述背景，研究决定在高河煤矿进行“综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风 研究”，从根源上解决高河煤矿生产发展中遇到的重大科学与工程技术问题。项目的成 功实施可以为潞安集团的科学发展提供技术支撑。 1.2 沿空留巷的意沿空留巷的意义义 柔模混凝土沿空留巷的技术、经济和社会效益如下： （1）少掘巷道，降低巷道掘进率，缓解矿井采掘矛盾。高河煤矿采用沿空留巷技 术以后，除采区首采面以外，后续每个回采工作面只需要掘进1条顺槽。回采工作面万 吨掘进由双U型通风时的23.8m，降低到Y型通风时的5.95m，万吨巷道掘进率直降 75%，有力缓解矿井的采掘接续矛盾。 （2）取消区段护巷煤柱，提高煤炭资源回收率，延长矿井服务年限。每个回采工 作面可以减少50m区段护巷煤柱，煤炭资源回收率提高20%，相当于为矿井增加了1/5 的可采储量，延长了矿井的服务年限。 （3）改善矿井安全生产条件。回采工作面采用Y型通风方式代替目前的双U型通 风，解决了U型通风工作面上隅角瓦斯积聚超限难题，实现了工作面回风流瓦斯浓度降 至1%以下，为杜绝煤矿瓦斯爆炸事故创造了前提条件；回采巷道掘进率降低75%，从 根源上降低了瓦斯爆炸事故的几率。 （4）改善矿井生产技术条件，变跳采为连续开采，有利于生产的集中化。 （5）实现无煤柱开采，没有煤柱影响区的应力集中，煤与瓦斯突出危险威胁消除， 被保护层巷道维护容易。煤柱护巷和无煤柱护巷保护层开采卸压范围见图1.5和1.6。 （6）Y型通风条件下，采空区内的热量通过沿空巷道直接进入外U回风巷；机电 设备和机械等产生的热量，通过进风流带入沿空巷道进入到外U回风巷；两巷进风，工 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 5 作面人员全部位于进风流，作业环境大大改善。 （7）留巷埋管瓦斯抽放代替了高位钻孔抽放和顶底板的高、低抽放岩巷，少掘岩 巷效益更加显著。 （8）留巷埋管抽放的高浓度卸压瓦斯可以直接在地面用来燃烧、发电等，降低空 气中的有害气体浓度，即实现了节能减排。 1 3 3 4 图1.5煤柱护巷保护层卸压范围 图1.6无煤柱护巷保护层卸压范围 1.3 沿空留巷国内外研究沿空留巷国内外研究现现状状 1.3.1 沿空留巷围岩活动规律研究现状 中国矿业大学陆士良在实测基础上，提出了沿空留巷顶板下沉量主要取决于“裂隙 带岩层取得平衡前的强烈沉降”的观点。 煤炭科学研究院朱德仁提出了长壁工作面端头顶板可能形成“三角形悬板”结构的 观点，建立的采场顶板结构力学模型为后人研究沿空留巷矿压规律提供了研究思路。 安徽理工大学何廷峻根据MARCUS板的简化计算法，把“三角形悬板”看成由若干 伪倾斜条梁组成的板，尝试预测三角形悬顶在沿空留巷中破断的位置和时间，为确定 滞后工作面临时加强支护的范围和时间提供了依据。 中国矿业大学漆泰岳应用弹性基础梁理论和数值模拟方法证明，沿空留巷的老顶 断裂不会发生在靠巷道煤帮侧的边沿的上方，而是在煤层内的上方，老顶断裂深度随 围岩级类的提高而加大；煤层和直接顶的刚度对护巷带的稳定性影响较大，刚度越大 护巷带切顶效果越好，为本文研究留巷支护与围岩刚度匹配关系提供了启示。 安徽理工大学涂敏运用Winker 弹性地基理论，把沿空留巷上方顶板看成弹性薄板 条，建立了顶板运动力学模型，导出了顶板挠曲运动方程，分析了顶板内应力分布的 特征。 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 6 中国矿业大学孙恒虎通过相似材料立体模型试验，提出并讨论了支护前期作用和 后期作用问题，指出支护前期作用对控制顶板下沉的效果是显著的，而对控制顶板平 移下沉的效果不明显。前期支护应坚持以顶为主， “顶、让兼顾”的支护原则。设计支护 最大载荷以前期为主。后期支护应坚持以让为主， “让、顶兼顾”的支护原则。设计支护 最大变形以后期为主。上述论断对我国后来的沿空留巷支护设计起到了指导性作用。 河南理工大学李化敏认为巷旁支护不能改变老顶“大结构”的形态，只需保持直接 顶的完整和与老顶的紧贴，不能改变顶板岩层过渡期活动时顶板下沉量的大小，也不 能约束顶板岩层后期活动而引起的平行下沉。明确了顶板岩层运动各阶段巷旁支护的 作用，根据巷旁支护与顶板相互作用原理，确定了各阶段沿空留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。 湖南科技大学王卫军根据砌体梁理论，应用能量原理分析了巷道围岩的变形机理， 建立了巷道顶煤的力学模型，运用变分法对老顶给定变形下顶煤的变形进行了初步求 解，并对顶煤下沉量与支护阻力、煤体弹性模量、巷道宽度的关系进行了探讨，所得 结论对本文研究提供了启示。 中国矿业大学谢文兵在工程实践基础上，采用 UDEC 离散元软件建立了相应的数 值分析模型，详细分析了沿空留巷的围岩运动规律。研究结果表明，在保证顶煤及顶 板稳定的前提下，合理利用围岩运动规律，确定合理的充填方式和充填体强度，既能 保证充填体稳定，又能达到很好的留巷效果。 安徽理工大学华心祝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留 巷力学模型，分析了巷内锚杆支护和巷旁锚索加强支护作用机理，该研究成果为沿空 留巷支护设计提供了有力的理论支撑。 湖南科技大学朱川曲建立了综放沿空留巷支护结构可靠性分析模型，认为通过合 理选择锚杆支护类型、加大锚杆支护密度、改善锚固体及充填材料力学性能等措施， 可提高综放沿空留巷支护结构的可靠性。 重庆大学唐建新论述了在锚网主动支护条件下顶板离层与顶板变形形态的关系， 阐述了沿空留巷顶板离层机理。 中国矿业大学柏建彪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：采用高阻让压支护，提高沿空留巷围岩承载能力和抗 变形能力，适应沿空留巷阶段性围岩大变形与应力调整。 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 7 煤炭科学研究院康红普基于数值模拟与井下试验研究成果，分析巷内基本支护、 加强支护与巷旁支护的相互关系，指出深部沿空留巷在顶板断裂位置、老顶回转及围 岩长期蠕变等方面与浅部留巷有很大区别，并提出深部沿空留巷支护设计原则，为深 部开采条件下的沿空留巷提供了借鉴。 中国矿业大学阚甲广采用理论分析、三维数值模拟计算、物理模拟实验和工业性 试验相结合的方法，系统研究了三种典型顶板条件下的巷旁充填体支护阻力、顶板垮 落规律与变形特征和围岩应力演化规律，提出沿空留巷“三位一体”围岩强化控制技术， 研究成果深化了人们对沿空留巷顶板活动规律的认识，但是所得公式理论性较强，可 操作性差。 中国矿业大学张农从采场侧向覆岩活动的阶段特征入手，结合数值模拟分析了顶 板离层的形成过程，建立了顶板岩梁受力模型，推导得出了顶板下沉与离层数值的影 响因素和算式。研究认为提供合理的顶板支护阻力可以约束锚固区内的离层，以高初 撑力锚杆索和单体支柱为基础的刚性主动支护，能够扩散和均化支护应力，满足控顶 载荷需求并有效控制离层。 1.3.2 沿空留巷巷旁支护研究现状 英国人 Whittaker 等人将采场矿压研究的 Wilson 模型加以发展，利用岩体结构静 力关系导出了分离岩块力学模型。 苏联人胡托尔诺依将采场矿压悬梁模型引入到沿空留巷的研究中，得到了计算巷 旁支护切断直接顶的工作阻力计算式。 英国人 Smart 提出了较有影响的顶板岩梁倾斜理论，该理论首次提出了巷旁支护 可以控制老顶的位态。其基本思想是通过巷旁支护限制巷道煤体一侧到采空区边缘之 间的顶板下沉量，指出顶板倾斜角和转动支点位置是巷旁支护设计的两个重要参数。 河南理工大学陈名强认为巷旁支护的工作阻力应能承受由工作面上下端顶板形成 的“弧三角板悬板”结构重量及其破断前移时的载荷。并提出了理想巷旁支护带的力学 特性。 中国矿业大学吴健借鉴采场支架与围岩相互作用的研究成果，提出了沿空留巷支 护系统最终承受的是冒落带岩块的静压以及巷道变形大小由裂隙带活动和稳定过程决 定的观点。据此，讨论了沿空留巷的力学模型、巷旁支护载荷的计算及支架可缩量的 设计。 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 8 中国矿业大学孙恒虎根据煤层顶板特征和弹塑性力学的有关理论，将长壁工作面 沿空留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”，认为沿空留巷 支护载荷只与短支承边界的载荷有关。采用条带载荷法和塑性极限分析法来确定沿空 留巷巷旁支护阻力，同时还提出了巷旁支护体的后期阻力的计算方法。 中国矿业大学周华强通过相似材料模拟试验，明确指出巷旁支护能够控制老顶沉 降。进一步指出巷旁支护控制顶板下沉是通过其对顶板足够的支撑作用，改变顶板弯 矩分布，实现巷旁支护侧切落下位顶板；由于顶板岩层分层或分组垮落，沿空留巷巷 旁支护必需的切顶阻力根据最难切落的那层岩层（岩层组）切顶需要来确定。 中国矿业大学郭育光等运用高水灰渣巷旁充填体沿空留巷试验研究，工作面后方 下位老顶的运动有三种状态，即稳定失稳再稳定，与之相对应，巷旁充填体的作 用可分为三个阶段，以下分别确定三个阶段中巷旁充填体的主要参数。 中国矿业大学柏建彪研究认为，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，根据极限平衡梁理论给出了巷旁充填体 的初期、后期阻力计算式。该算式已经涉及到了煤体对老顶的控制作用，但由于巷道 围岩和老顶断裂位置等参数选定往往受人为因素的影响，所以计算结果不太合理。 中国矿业大学张东升采用相似材料模拟和计算机数值模拟，对沿空留巷老顶破断 位置与形状、不同支护方式对顶板活动的影响以及巷旁充填技术参数的确定进行了初 步分析，并给出了充填带宽度和充填材料抗压强度的最低要求。 1.3.3 沿空留巷工程实践现状 （1）国外沿空留巷工程实践概况 世界上一些主要产煤国家都对沿空留巷进行了大量研究，做工作得较多的是前苏 联、德国、英国和波兰等国家。 前苏联在现场对许多专门为沿空留巷设计的支架进行了试验，并结合理论分析和 实验室研究进行了各种实测工作。据报导，至 1993 年，俄罗斯无煤柱开采产量占煤炭 总产量的 80%，不同矿区变动在 60%90%之间，在各种无煤柱护巷方式中，应用最 广的是沿空留巷，占 65%。 德国巷旁支护采用石膏、飞灰加硅酸盐水泥、矸石加胶结料等作为充填材料，巷 内采用重型U型钢支架支护，成功地在该国1/22/3的煤矿进行了沿空留巷，但是德国 的这种沿空留巷技术使得吨煤成本高达1000元，在我国不具有推广价值。 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 9 英国在1979年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 填己占全英巷旁充填的90%左右。我国在上个世纪80年代引进该技术并在全国推广。 波兰在前进式或后退式采煤时都用单巷准备，沿空留巷应用于走向开采或倾斜开 采根据备件而定。沿空留巷一般巷内支护采用金属可缩性支架，巷旁支护使用充填带、 矸石带或混凝土墩柱等。 （2）国内沿空留巷工程实践概况 20世纪50年代我国首先在一些薄煤层开采中用矸石带代替煤柱作为巷旁支护用， 但由于矸石的可缩量大，巷内支架变形严重，维护工作量大，并没有推广开来。 20 世纪 60、70 年代在中厚煤层应用密集支柱、木垛、砌块等作为巷旁支护取得一 定成效，但这些方法存在劳动强度大，施工速度慢，采空区漏风等缺点，已经被市场 淘汰。 20世纪80年代，随着我国煤矿大力推行综合机械化采煤后，随着采高不断增大、 工作面推进加快、巷道顶底移近量增大，我国煤矿工作者在引进、吸收国外的巷旁充 填技术的同时，发展了ZKD高水巷旁充填护巷技术。但高水充填材料固有的性能缺陷 导致其应用范围受到了很大的制约。 2006 年淮南矿业集团袁亮院士引进德国充填模板支架和充填泵，并在淮南进行了 成功应用，但是这种方法主要存在巷旁支护接顶不密实、墙体接缝不严实、支架适应 顶板条件差、巷旁支护宽度大（一般为采高的 0.7 倍）和留巷成本高等缺点。 2007 年西安科技大学王晓利教授首次将柔性模板技术应用在冀中能源峰峰矿业集 团羊渠河煤矿的沿空留巷巷旁支护中，取得了成功，之后在神华集团、冀中能源集团、 陕煤集团、山西潞安矿业集团、河南神火集团、贵州六枝工矿集团、山西金晖煤焦化 工集团和山西宏源煤业集团等单位的 40 多个煤矿进行了成功应用。 1.4 研究内容和技研究内容和技术术路路线线 研究方法：采用理论研究与现场实践相结合的方法 研究内容和技术路线： 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 10 综放沿空留巷无煤柱开采研究 主 要 研 究 内 容 综放沿空留巷围岩基础性能测试与分 析研究 综放沿空留巷围岩力学环境测试与分 析 回采巷道布置及Y型通风方式研究 综放留巷埋管法采空区瓦斯抽放技术 研究 多次采动影响下综放沿空留巷支护技 术研究 综放沿空留巷巷旁浇筑材料的组 成、结构与性能研究 综放沿空留巷巷旁浇筑工艺设计与研 究 综放沿空留巷围岩稳定性监测设计与 分析研究 柔模混凝土沿空留巷支护设计与施工 工艺优化 潞安矿区综放柔模混凝土沿空留巷 规范与标准制订 调研 、收集资料 理论分析 现场实测 主 要 研 究 方 法 综放沿空留巷无煤柱开采设计 现场施工试验 设计与施工工艺优化 总结验收、推广应用 图 1.7 高河煤矿综放沿空留巷技术路线 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 11 2 E1302 工作面工程地质条件工作面工程地质条件 表2.1 E1302工作面工程地质条件 煤层名称3#煤水平名称+450水平采区名称西一盘区 工作面 名称 E1302 工作面 地面标高 （m） +910.42+922.243 工作面标高 （m） +472 +556 地面位置 该工作面东面为矿区边界，且紧靠高河村，工作面上方为淘清河。 井下位置 及四邻采 掘情况 E1302工作面为东一盘区首采面，周边均为未采区，北面接+450m水平东 翼进风大巷、辅运大巷及胶带大巷。 回采对地 面设施的 影响 1、 回采范围周边无村庄，工作面上方为耕地，回采后将不会造成任何影响； 2、 工作面上方为淘清河，回采期间将工作面将受到一定影响。(见E1302工 作面井下对照图)。 概 况 推进长度 （m） 一切：1194.42 二切：544 倾斜长 （m） 230 面积 （m2） 一切：274716.6 二切：125120 5.87.5煤层结构（m）315 煤层总厚 （m） 6.385.26（0.36）0.76 煤层倾角 （度） 8 可采指数变异系数（%）稳定程度稳定 煤 层 情 况 赋存于二叠系下统山西组（P1s） ，为陆相湖泊型沉积，黑色，块状，以亮煤为主，暗 煤次之，光亮型煤，参差状断口，似金属光泽，全煤间夹有1层炭质泥岩夹矸，厚度 0.36m0.38m，煤层埋深408.29m437.6m，距9#煤层60.45m。 Mad(%)Ad(%)Vdaf(%)St,d(%)Pd(%)Qb,d(MJ/kg) 0.6216.5916.040.2329.70 媒 质 情 况 本层煤为贫瘦煤，以有机硫份为主、属低磷、低中灰，中高热值-特高热值，高灰熔点、 热稳定性较好的优质动力用煤。 顶底板名称岩石名称 厚度 （m） 普氏 硬度 岩 性 特 征 老 顶 细粒砂岩 粉砂岩 12.42 13.65 f=4.04 灰色，薄-中厚层状，以砂 岩为主，含云母碎片，小型交错 层理和平行层理。 直接顶 砂质泥岩 细粉砂岩 6.87 7.85 f=2.74 灰黑色，厚层状，均匀层理， 见大量植物化石，含煤屑。下部 含菱铁质粉砂岩。 伪 顶泥岩 1.82 2.13 f=1.22 灰黑色，厚层状，均匀层理， 见植物根化石。 直接底泥岩粉砂岩 2.96 3.05 f=2.71 深灰灰黑色，薄-中厚层 状，均匀层理和小型交错层理。 煤 层 顶 板 情 况 老 底 砂质泥岩 细粒砂岩 8.37 8.94 f=3.62 灰黑色深灰色，薄-厚层 状，含植物化石，含菱铁质,小型 交错层理发育。 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 12 本巷道沿 3#煤层底板掘进，将穿一段背斜区域，巷道底板最高点位于背斜轴部，标高 +529.749m，最低点位于背斜两翼位置，标高为+474.423m，最高点和最低点高差为 55.236m。 根据地质报告及该区域内的 W1905 号钻孔资料，预计该巷道掘进过程中煤层夹矸随煤 层倾伏变化，该夹矸位于 3#煤层底板向上 1.2m 处，泥岩夹矸厚度 0.36m 左右。 巷道掘进过程中，随煤层倾伏变化巷道的角度变化较小，角度最大为 5（过构造处除外） ， 其余的变化形态及上下山位置详见 E1302 工作面顺槽地质剖面图。 根据四条顺槽揭露情况以及切眼和设备安装巷的实际情况，E1302工作面处在一背斜构 造的两翼倾伏部位，故工作面顺槽煤层角度稳定且平缓，工作面整体为东高西低，工作面 的回风顺槽和瓦斯排放巷高于辅运顺槽和胶带顺槽，同时巷道掘进过程中，共将穿过5条断 层，分别为FE103正断层、FE105正断层、FE106正断层，F3正断层和Fn1正断层，工作面回 采影响较大。同时瓦排巷穿过XE1陷落柱影响区域，未揭露该陷落柱。 根据回采设计，一次切眼回采将先后揭露F1n和FE106正断层，F1n断层距切眼450m处 将揭露，走向NE49，倾向SE41，倾角36，落差1.53.8m，胶带顺槽落差较大，回风顺槽 处落差较小，由SW向NE趋于歼灭，对回采影响很大，预计影响工作面220m的范围；FE106 断层距切眼588m处将揭露，走向NE43，倾向NW47，倾角60，落差1.31.8m，胶带顺槽 落差较小，回风顺槽落差较大，由NE向SW趋于歼灭，对回采影响很大，预计影响工作面 260m的范围。二次回采将受到FE105和FE103正断层影响，FE105断层走向NE10，倾向 NW80,倾角30，落差0.7m，该断层在胶带顺槽揭露，同时在二次切眼内揭露，落差较小， 但该断层沿工作面方向延伸，预计影响工作面100m的范围，虽然落差小，但给工作面的回 采造成一定的影响；FE103正断层距二次切眼236m处将揭露走向NE15，倾向SE75，倾角 50，落差0.5m，该断层在胶带顺槽揭露，根据前期的钻探情况，预计该断层与工作面内的 异常区域联系密切，回采至该区域时顶板裂隙较发育，煤质松软，易发生片帮事故，同时 该区域内赋存一定量的积水，对回采影响较大。 构造走向倾向倾角性质落差（m） FE103NE15SE7550正0.5 FE105NE10NW8030正0.7 FE106NE43NW4760正1.31.8 F1nNE49SE4136正1.53.8 地 质 构 造 情 况 F3NE41NW4970正1719 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 13 XE1中等富水 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 14 3 柔模混凝土沿空留巷设计柔模混凝土沿空留巷设计 3.1 巷道原支巷道原支护护参数参数 （1）顶板支护 锚杆：杆体为高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为 22M242400mm。 锚杆布置方式：等间距布置，每排 7 根，间距 800mm；中间锚杆全部垂直顶板布 置，两肩角锚杆与垂线分别不小于 10外斜布置，分距巷帮 100mm，排距为 800m。 金属网：采用 10铅丝制作，网格为 5050mm 经纬网，规格为 5200900mm（长 宽） ，梯子梁：14-7-800-4900mm。 锚杆配件：采用高强锚杆螺母 M243,配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈, 采用弧 形高强度托盘 17017012mm。 锚固方式：树脂加长锚固，采用一支 K2335 和一支 Z2360 型树脂药卷锚固。 锚索:锚索材料为 18.96mm,高强度低松弛预应力钢绞线,长度 8300mm,钻孔直径 30mm，采用一支 K2335 和两支 Z2360 低粘度树脂药卷锚固。 锚索托盘：采用 300mm300mm16mm 高强度托板及配套锁具。 锚索布置：间排距为 16001600mm，每排 2 根 3 根交错布置，打设于锚杆架间。 （2）两帮支护 锚杆形式和规格：杆体为高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为 22M242400mm。 锚杆布置方式：等间距布置，每排每帮 5 根，间距 800mm；中间锚杆全部水平布 置，帮上、下部锚杆分别上、下斜 10布置，距顶、底板分别为 100mm、200mm，排 距为 800m。 锚杆配件：采用高强锚杆螺母 M243,配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈,采用弧形 高强度托盘 17017012mm。 锚固方式：采用一支 K2335 和一支 Z2360 型树脂药卷锚固。 金属网：采用 10铅丝制作，网格为 5050mm 经纬网，规格为 3500850mm（长 宽） ，梯子梁：14-3-800-1800mm。 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 15 22 2400mm杆锚， 间排距800mm 18.9 8300mm锚索,间排距1600mm 图 3.1 原巷道支护横断面 3.2 巷内永久加巷内永久加强强支支护设计护设计 （1）顶板加强支护）顶板加强支护 沿空留巷顶板岩层活动剧烈，因此必须通过巷内支护手段控制围岩大变形。巷内 支护的作用一方面是主动控制顶板垮落带范围内岩层（包括顶煤和直接顶）的横向剪 切错动，另一方面是主动控制顶板垮落带范围内岩层的的纵向碎胀变形，即将顶板垮 落带范围内的岩层锚固成一个“组合刚性顶板” ，提高顶板刚度，确保留巷顶板与柔模 混凝土巷旁支护的刚度匹配，更好地控制围岩变形。被动支护不具有这种能力，只能 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 16 通过高强度、高刚度和高预应力的锚索主动支护来实现。 补强锚索的长度设计为 10000mm，锚索直径为 18.9mm，每排 3 根，排距为 1600mm，间距为 1200mm/1900mm，采用 W 钢带组合支护，W 钢带长 3500mm，巷内 永久加强 3.2。 18.9 10000mm补强锚索, 排距1600mm,间距1200/1900mm用W 钢带组合支护，W钢带长3500mm 留 巷 浇 墙 侧 巷道中心 图 3.2 巷道永久支护 （2）顶煤加固 在超前和残余支承压力的作用下，顶煤的完整性遭到一定程度的破坏，影响着 “底板-巷旁支护-顶煤-直接顶”支围系统刚度的发挥。在沿空留巷过程中，根据留巷矿 压显现，适时对顶板采取注浆加固处理，提高顶板的强度和刚度，确保留巷围岩稳定。 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 17 3.3 超前隔离支超前隔离支护设计护设计 由于工作面回采后顶煤和直接顶随采随冒，导致垮落矸石可能冲入待浇筑空间， 给施工人员带来一定的安全风险。加之，工作面回采后留巷侧采空区顶板会缓慢下沉， 如果不及时在采空区内进行支护的话，巷内顶板也随之下沉。因此，割煤后必须及时 进行隔离支护。 3.3.1 切顶挡矸支柱设计切顶挡矸支柱设计 工作面割煤后紧跟支架尾沿采空区支设一排密集木点柱，规格为 2003500mm， 中对中间距为 500mm，同时在两排木点柱之间支设单体液压支柱，单体柱规格为 DW38，中对中间距为 500mm，检修班挂设柔模时将单体回收见图 3.8。 3.3.2 护顶挡矸金属网设计护顶挡矸金属网设计 靠近沿空留巷侧 3 副液压支架不放顶煤，在煤壁处对这 3 副液压支架铺顶网，防 止待浇筑空间顶煤和采空区矸石进入留巷。金属网片采用 10#铅丝加工编制的经纬网， 网孔为 5050 mm，见图 3.8。 3.4 待待浇浇筑空筑空间间支支护设计护设计 待浇筑空间控顶距是指在待浇筑空间柔模混凝土墙体前采用临时支护控制顶板的 距离。控顶距越大，顶煤稳定性越差，容易发生漏冒事故，且采空区有害气体和矸石 涌入留巷内的数量和机会就越多。 基于高河矿的矿山压力、回采推进度及瓦斯涌出情况，参考其他煤矿工程实践经 验，确定柔模混凝土沿空留巷待浇筑空间控顶距范围为 0.86m，最大不能超过 6m。 设计每日检修班浇筑一次，当推进度很小时，可以 2d 浇筑一次，但是必须保证最大控 顶距不超过 6m。 3.5 巷内巷内临时临时加加强强支支护设计护设计 沿空留巷的临时加强支护直接影响巷旁支护体的支护效果，如果临时加强支护不 及时或支护强度不足，造成顶板过早下沉，不但使得支护体无法达到设计高度，而且 还导致支护体起作用前顶板离层，使顶板的完整性和自承载能力遭到破坏，这就极大 地影响了沿空留巷的效果。 在超前工作面 30m 和滞后工作面 80m 范围内，采用“单体液压支柱+工字钢梁”临 时加强支护，超前工作面为一梁四柱，滞后工作面为一梁三柱，单体液压支柱间排距 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 18 1m，见图 3.3 和图 3.4。 22 2400mm杆锚， 间排距800mm 18.9 8300mm锚索,间排距1600mm 图 3.3 超前工作面巷内临时加强支护横断面 200 3500木点柱, 中对中排距400mm 18.9 10000mm补强锚索, 排距1600mm,间距1200/1900mm用W 钢带组合支护，W钢带长3500mm 金属网片 锚栓 图 3.4 滞后工作面巷内临时加强支护横断面 3.6 巷旁支巷旁支护设计护设计 （1）支护载荷计算 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 19 当直接顶较厚时，计算柔模混凝土巷旁支护上的载荷采用“分离岩块法”，该方法 的理论依据是沿空巷道和支护上方一定范围内分离岩块的重量构成了支护静载荷，沿 空留巷巷旁支护矿压计算模型见图 3.5。 W H h bCbB q X q 煤体 分离岩块 bx B hH 采 空 区 顶煤 留巷 图 3.5 沿空留巷巷旁支护矿压计算模型 82()()cos 0.5 BCBCs B htgbxbh bxb q xbx 式中: 支护载荷； q 支护内侧到煤壁的距离，本次支护中支护右侧边缘与巷道右帮在一条铅垂线 B b 上，计算可得该距离为 3.8m； 支护的宽度，本次支护取 1.2m； x 支护外侧悬顶距，该距离为 0.5m； C b 岩块容重，取直接顶砂岩的容重 24kN/m3； s 采高，本次采高为 3.5m； h 剪切角，根据经验选取为 15； 煤层倾角，为 8； 冒落高度，根据地质条件，取 14m。 H 计算可得支护厚度为 1.2m 时支护上的载荷为 kPaq94.1658 即单位长度、支护厚度 1.2m 的支护载荷为 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 20 kNN73.1990 1 巷旁支护上的载荷来源于直接顶分离岩块的重量和基本顶转动对直接顶造成的挤 压变形压力，基本顶转动对直接顶造成的挤压变形压力一直难以确定，传统的观点是 用实测的方法测得所谓的动载系数 来衡量。根据顶板类型，结合其他工作面动态监 测数据， 为 1.42.0，为了安全起见，在设计沿空留巷巷旁支护时取 2，这样巷旁支 护上的载荷为 kNkNNF46.398173.199022 1 （2）巷旁支护承载力计算 巷旁支护模型柱高 3.8m，短边长 1.2m，构件的长细比为 3.8/1.2=3.2，素混凝土柱 的稳定系数取 0.85。 模型柱的承载能力计算如下式所示： 2 0.9 c Nf A 式中：支护的承载能力； 2 N 素混凝土柱的稳定系数，取 0.85； 混凝土抗压强度设计值，C30 时为 14.3N/mm2； c f 截面面积，为 1200mm1000mm。 A 计算可得支护的承载能力为 kNAfN c 4 .13127102 . 13 .1485 . 0 9 . 09 . 0 6 2 每米混凝土连续墙承载能力为 13127.4kN，大于支护上作用的载荷 3981.46kN，理 论计算安全系数大于 3.2，满足沿空留巷安全可靠要求。试验初期巷旁支护厚度取 1.2m，后期根据矿压监测反馈信息进行巷旁支护厚度优化。 因此，柔模混凝土巷旁支护的厚度确定为 1.2m，高度为 3.8m，设计混凝土的强度 等级为 C30。 为了控制柔模混凝土巷旁支护墙体的横向变形，提高柔模混凝土巷旁支护墙体承 受动载的能力，在柔模混凝土巷旁支护墙体内预置锚栓。锚栓为 221300mm 的等强 锚栓，双托盘双螺母，间排距为 10001000mm。 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 21 3.7 留巷埋管法瓦斯抽放技留巷埋管法瓦斯抽放技术术 E1302 工作面回采前要形成采空区瓦斯抽放系统，巷道瓦斯抽放干管直径为 325mm，墙体预埋瓦斯抽取支管直径为 250mm。 巷道瓦斯抽放干管每隔 9m 安装一个三通，通过三通将巷道瓦斯抽放干管和墙体预 埋瓦斯抽取支管联接。在浇筑巷旁柔模混凝土墙体的同时，每隔 9m 在巷旁墙体内预埋 瓦斯抽放支管，瓦斯抽取支管到顶板的距离为 0.5m，规格为 2501500mm 的铁管， 壁厚不小于 5mm，一端焊接法兰盘，使用前需要在瓦斯管内外两侧涂一层防火漆。 在回采过程中，根据抽放瓦斯浓度动态调整瓦斯管的排距，瓦斯抽放管见图 3.6。 瓦斯抽放管 18.9 10000mm补强锚索, 排距1600mm,间距1200/1900mm用W 钢带组合支护，W钢带长3500mm 金属网片 锚栓 图 3.6 滞后工作面瓦斯放示意图 3.8 柔性模板柔性模板设计设计 3.8.1 柔性模板规格柔性模板规格 柔性模板上设有加筋绳、厚度控制拉筋、锚栓预留孔、灌注口和翼缘。 柔性模板长度一般为 3m。 柔性模板高度大于浇筑空间高度，一般富余 0.3m，取 4.0m。 柔性模板厚度为混凝土厚度，即 1.2m。 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 22 柔性模板灌注口为 3 层，内层至于柔性模板内侧，防止泵注完成拔管时漏浆，外 面两层与输送管绑扎连接，长度为 400mm。 柔性模板翼缘上缝制 3 个套筒，根据煤层厚度变化选择柔性模板挂吊高度。 综上所述，E1302 工作面正式回采期间柔性模板尺寸：长宽高 =3m1.2m4.0m。 3.8.2 柔模工操作规程柔模工操作规程 （1）挂设柔性模板时，先要将柔模挂设位置处散落矸石等杂物清理干净，柔模混 凝土要落在实底上；对于虚底要进行加固处理。 （2）柔模泵注混凝土浇筑前，生产班支护工必须完成待浇筑空间支护。柔模泵注 混凝土施工在检修班进行。 （3）柔模工必须配备便携式瓦斯监测仪，严禁用铁器敲打单体液压支柱，发现瓦 斯超限立即停止作业，采取措施降低瓦斯浓度，最常用的办法就是加强通风或者用注 液枪向采空区洒水。 （4）柔模工沿待浇筑空间由远而近依次挂设柔模，挂设柔模前首先将柔模架立筋 穿入翼缘内，采用 10#铁丝把柔模架立筋和翼缘绑紧，绑扎间距为 300mm；接着采用 生产班支设好的木点柱将采空区侧柔模架立筋固定牢靠，然后采用单体液压支柱固定 巷内侧柔模架立筋，再使用 10#铁丝将相邻两条柔模连接牢靠。 （5）泵站负责混凝土的制备和输送，当输送管末端软管流出砂浆时，柔模工电话 通知泵站停泵，开始连接软管和柔模灌注口。柔模灌注口有 2 层，将里层置于柔模内， 起到自封闭作用，防止浇筑完成后拔管时混凝土回流；外层与软管连接，连接长度不 小于 300mm，采用 10#铁丝绑扎 3 道，防止漏浆。软管和柔模灌注口连接好以后，柔 模工电话通知泵站开始泵注混凝土。 （6）泵注混凝土过程中柔模工和泵站始终保持电话联系，发现问题及时处理。 （7）当柔模混凝土充分接顶时，利用柔模透水不透浆的特性，在泵压作用下柔模 内的水分开始不断外流，这时暂停 3 分钟，待柔模混凝土内的水分停止外渗后，再泵 注至饱满，这样反复 35 次为止。这样一方面可以确保柔模混凝土充分接顶，另一方 面有助于柔模混凝土墙体早期强度（17d 强度）的发展。 （8）当柔模泵注混凝土完成以后，柔模工将软管拔出，采用 10#铁丝绑扎好外层 灌注口，防止混凝土回流。 高河矿 E1302 综放工作面柔模支护沿空留巷 Y 型通风研究方案 23 3.9 浇浇筑混凝土筑混凝土设计设计 3.9.1 混凝土配合比混凝土配合比 表 3.1 C30 泵注混凝土初步配合比 混凝土组分胶凝材料水骨料添加剂 混凝土基料名称水泥水石子砂子外加剂 1m砼基料质量550kg220kg800kg765kg1kg 混凝土基材质量技术标准： 水泥：42.5R 普通硅酸盐水泥； 砂子：二区中砂，水洗砂，泥或石粉含量小于 3%； 石子：520mm 连续级配碎石，含泥量小于 1%，石粉含量小于 0.5%。 3.9.2 混凝土泵注工操作规程混凝土泵注工操作规程 （1）混凝土泵送施工时，应规定联络信号和配备通讯设备，可采用有线或无线通 讯设备等进行混凝土泵、搅拌运输车和搅拌站与浇筑地点之间的通讯联络。 （2）混凝土泵的操作人员必须经过专门培训合格后方可上岗独立操作。 （3）泵送混凝土时混凝土泵的支腿应完全伸出，并插好安全销。将泵固定牢靠， 防止泵注过程中摆动。 （4）混凝土泵与输送管连通后，应按所用混凝土泵使用说明书的规定进行全面检 查，符合要求后方能开机进行空运转。 （5）混凝土泵启动后应先泵送适量水