石永奎_急倾斜松软突出煤层沿空留巷技术.doc

急倾斜松软突出煤层沿空留巷技术石永奎1, 王焕明2, 袁虎 1（1. 山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建教育部重点实验室, 山东 青岛 266510;2. 广能集团 李子垭南煤矿, 四川 广元 628021）摘 要：通过建立急倾斜采场结构力学模型,预测了内应力场的范围,以此为基础确定了沿空留巷煤墩的宽度;采用基于岩层动态的沿空留巷支护设计方法,分别针对沿空留巷围岩变形的7个阶段,进行了不同的巷道围岩控制设计;特别针对上区段工作面后方留巷阶段围岩变形剧烈且煤墩煤体极软的特点,为了防止煤墩在上区段工作面后方岩梁的弯曲下沉过程中被压坏失稳,采取了“巷旁强力支护体”护巷技术,即“煤墩化学加固”和“溜煤眼注浆”相结合的综合技术措施.实践证明,在下一个工作面超前支承压力作用下巷道围岩平均垂直变形量为110mm;平均水平变形量为181mm,可以满足工作面运输、行人及通风的安全.沿空留巷取得了技术上可行、安全上可靠、经济上合理的效果.关键词：急倾斜；沿空留巷；采场结构力学模型；化学加固Technology of Gob-side Entry Retaining in Steep Soft Outburst Coal SeemSHI Yong-kui1 , WANG Huan-ming2 , YUAN Hu1(1. Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510, China; 2. Liziyanan Colliery, Guangneng Group Co., Guangyuan, Sichuan 628021, China)Abstract: Through the establishment of a mechanical model of stope structure，we forecasted the scope of internal stress field. Based on this we determined the width of the coal pier in gob-side entry retaining. In connection with the seven stages of surrounding rock deformation in gob-side entry retaining, we took the supporting measures of gob-side entry retaining which is based on the dynamic of stratum to design the control of surrounding rock in different roadways. Especially for the features of the violent deformation of surrounding rock and the extremely soft characteristic of coal pier coal which appeared in the process of gob-side entry retaining in the rear area of upper section working face, in order to prevent the coal pier from being crushed and becoming instability in the process of sinking and bending of the rear rock beam, a technology of roadway protection called “intensive roadside support system” was used, explained as a comprehensive technical measure of combining “coal pier chemical reinforcement” with “coal eye injec国家重点基础研究发展计划（编号：2010CB2268052010CB226805）资助山东省泰山学者建设工程专项经费资助tion”. Practice has proved that under the advancing support pressure of next working face the average vertical deformation of roadway supporting rock is 110mm and the average horizontal deformation is 181mm. it meets the safety of transport, walking and ventilation. Gob-side entry retaining achieved technically feasible, safe reliable, economically rational effect. Key words: steep; gob-side entry retaining; mechanical model of stope structure; chemical reinforcement1 概述广能集团李子垭南煤矿主采煤层为急倾斜松软突出煤层。根据该矿多年的生产实践经验，在该煤层中掘进发生煤与瓦斯突出的概率非常大，不仅造成人员伤亡而且影响正常安全生产，同时降低了矿井的经济效益。众所周知，煤与瓦斯突出是煤矿井下采掘过程中的动力现象，也是高瓦斯煤矿井下的重要灾害之一。多年的理论研究和工程实践证明，围岩应力、瓦斯和煤是煤与瓦斯突出的三个致因，其中，围岩应力是煤与瓦斯突出的主要动力。因此，一个井田内，在煤与瓦斯的原始地质赋存条件既定的情况下，如何避免煤体受到高峰支承压力的影响是避免煤与瓦斯突出的一种有效途径。矿压理论的研究成果表明，采场周围的支承压力分布由内外应力场组成。外应力场属于高应力区，内应力场属于低应力区。如果在低应力区内沿空掘巷或沿空留巷，就可以使巷道免受高峰支承压力的影响，从而降低煤与瓦斯突出的可能性。因此，在研究国内外沿空留巷现有技术的基础上，针对李子垭南煤矿的生产实际，确立了适应该矿煤层条件特点的沿空留巷方式、留巷支护设计方法、留巷工艺，以期达到少掘巷道、减少煤与瓦斯突出的概率、保障安全生产的目的。2 工程概况李子垭南煤矿5225工作面开采煤层为K1煤层。该煤层属于急倾斜松软突出煤层。煤层倾角在5670之间，煤层厚度变化较大，在0.8m1.88m之间，均厚为1.34m。由于煤层倾角较大，故采用1.3m的伪斜四边形柔性掩护支架采煤法。为了防止工作面矸石及煤体落入下平巷，在下平巷与工作面之间预留煤墩。在回采过程中，超前掘进溜煤眼，后方布置通风行人眼，行人眼与溜煤眼之间为煤墩。煤墩净宽3.4m，高3-4m。如图1所示1。正常情况下，随着工作面的不断推进，后方的行人眼不断报废，采空区矸石通过报废的行人眼窜入下平巷内。这样，下平巷在工作面回采结束后就被矸石充满了，不能被下一个区段所利用。下区段（下一个工作面）必须重新开掘一条区段平巷。溜煤眼行人眼图 1 工作面开采示意图为了实现沿空留巷的目的，将报废的行人眼堵起来，与煤墩形成一体，阻挡矸石窜入下平巷，这样就可以将该条巷道维护起来，留作下区段开采时的上平巷。如图2所示。溜煤眼行人眼图 2 沿空留巷3 煤墩宽度设计正确分析采场周围煤体上的应力分布特征，把巷道(煤墩)布置在低应力区，是保证巷道围岩稳定，进而保证沿空留巷成功的关键。因此，首先建立采场结构力学模型，运用该模型对采场周围的应力场进行分析，确定低应力区的范围，在此基础上研究确定沿空留巷的煤墩宽度及其稳定性，对保证沿空留巷的成功和矿井的安全生产具有重要的意义。对于急倾斜采场而言，由于煤层倾角较大，无法建立类似于近水平煤层支承压力的结构力学模型。但考虑到顶板的重力一部分垂直作用于煤体上，另外一部分沿着平行于煤层的方向，因此，可以建立采场第一次来压前夕的内应力场的结构力学模型2，如图3所示。图3急倾斜采场内应力场结构力学模型老顶岩梁断裂时刻，内应力场范围内煤体上分布的支承压力等于老顶岩梁重量在垂直于煤层方向上的分量，因此有：式中，S0内应力场范围，m； L工作面长度，m； Mi老顶岩梁厚度，m； C0老顶岩梁初次来压步距，m；k应力集中系数； H采深，m； n老顶岩梁个数； 岩层容重，t/m3; 煤层倾角，。因此，内应力场范围的计算公式为：5225工作面长度67m，老顶初次来压步距为21m，老顶厚度10.25m，工作面倾角平均为67，工作面煤层埋深450m，支承压力集中系数取2.5。则，采场周围支承压力内应力场范围为：根据采煤工作面通风及行人的需要，巷道宽度一般为3m，因此，煤墩宽度可以为3-4m。4 基于岩层动态的沿空留巷支护设计理论研究表明：沿空留巷围岩变形过程可分为七个阶段3，如图4所示。由于各个阶段上覆岩运动特征的差异，各个阶段巷道所受到的围岩应力差别很大，致使巷道围岩变形量很大。因此提出了“基于岩层动态的沿空留巷支护设计方法”。图4 沿空留巷围岩变形过程该方法的核心思想是：以采场上覆岩层运动为核心，针对上覆岩层不同的运动阶段及其特点，分别采取不同的支护形式和参数，以期达到“技术可行、施工方便、经济合理、安全可靠”的目标。根据上述指导思想，对实施沿空留巷的5225机巷不同阶段进行支护设计如下4,5,6,7。I II：巷道掘进及稳定阶段经过研究论证决定采用该矿沿用已久的梯形金属支架做永久支护。选用煤矿目前使用的9号矿用工字钢，在梯形巷道上宽2600mm，下宽3300mm的条件下，梯形支架的对顶板的承载能力取R=90kN/架。经计算，梯形金属支架的排距可取0.8m。遇到地质构造时，将支架间距缩小为0.6m。III：上区段工作面超前支承压力影响阶段在III阶段支护的基础上，加强超前支护。超前支护的范围为支承压力明显影响范围，根据矿压观测该范围为20m。前10m采用双排单体液压支柱加强支护；后10m采用单排单体液压支柱加强支护，IVVVI：上区段工作面后方留巷阶段针对煤墩煤体属于极软岩性的特点，为了防止煤墩在上区段工作面后方岩梁的弯曲下沉过程中被压坏失稳，采取了“巷旁强力支护体”护巷技术，即“煤墩化学加固”和“溜煤眼注浆形成强力支护”相结合的综合技术措施。（1） 煤墩化学加固由于煤体极其松软，为了保证护巷煤墩的稳定性，采用化学加固的方法对煤墩进行加固。通过化学注浆加固能够改变煤岩体内弱面的力学性能，即提高裂隙与煤体之间的粘聚力和内摩擦角，增大岩体内部岩块间相对位移的阻力，从而提高巷道围岩的整体稳定性。通过注浆加固，还可以使破碎、裂隙及松散煤体重新胶结成整体，形成承载结构，充分发挥其自稳能力及承载能力。在巷道顶板垂直布置3个注浆钻孔；三花眼布置，间距2m左右；钻孔直径42mm，深度4-5m；2#孔垂直于顶板，1#和3#孔，向外侧偏20-30；封孔长度1.5m左右。化学注浆材料是由树脂和催化剂双组分按1：1比例使用专用气动注浆泵进行注射反应生成的聚亚胶脂高分子材料。（2）溜煤眼强力支护采用水泥砂浆将溜煤眼内的松散体矸石胶结起来，形成“强力支护体”，不仅可以封堵溜煤眼，防止矸石窜入所留巷道，还可以使松散的矸石形成一个整体，对煤墩起到加固和支撑作用，对所留巷道形成保护作用。根据所留溜煤眼的间距及煤墩尺寸，设计注浆孔间距为5m。注浆孔孔深4-5m，孔径42mm，顺“溜煤眼”沿煤层真倾斜方向布置。水泥砂浆是由水泥和河砂按1：1比例混合，再经逐次防水调配其稠度而成。VII：下区段工作面超前支承压力影响阶段在对煤墩进行化学加固和对溜煤眼注浆形成强力支护的基础上，在该阶段巷道又将受到下区段工作面超前支承压力影响。该阶段的加强支护方式与III阶段相同。5 巷道围岩控制效果分析为了检验沿空留巷的支护效果，在5225机巷进行了围岩变形量监测，如图5。图5 巷道垂直变形图6 是5225机巷（沿空留巷）在5227工作面超前支承压力作用下的围岩变形情况。5227工作面超前支承压力作用下巷道垂直围岩变形量分别为：111mm、80mm、138mm、111mm，平均为110mm；水平变形量分别为：170mm、171mm、165mm、220mm，平均为181mm。巷道最低高度为1700mm，最小宽度为2300mm，可以满足工作面运输、行人及通风的安全。由此说明，采用“基于岩层动态的沿空留巷支护设计方法”，以采场上覆岩层运动为核心，针对上覆岩层不同的运动阶段及其特点，分别采取不同的支护形式和参数，取得了技术上可行、安全上可靠、经济上合理的效果。参考文献：1 李栖凤.急倾斜煤层开采M.北京:煤炭工业出版社,1984.2 宋振骐,等.煤矿重大事故预测和控制的动力信息基础的研究M.北京:煤炭工业出版社,2002,9.3 谭云亮,吴士良,尹增德.矿山压力与岩层控制M.北京:煤炭工业出版社,2008,2.4 董柏林.太平矿急倾斜煤层回采巷道破坏机理与支护研究D.西安:西安科技大学,2006,4.5 田卫东.急倾斜特厚煤层水平分段综放开采沿空留巷技术研究D. 西安:西安科技大学,2007,4.6 罗文.灌注玛丽散罗克休处理综