沿空留巷理论与关键技术及实践(谭云亮)PPT课件.ppt

1 典型条件下沿空留巷理论与关键技术及实践 山东科技大学谭云亮 2014年煤炭绿色开采高级研修班 2014 7 3 山东新汶 2014 07 03 2 一 研究背景二 研究内容及技术路线三 创新成果及相关技术内容四 同类技术比较五 结论 汇报提纲 3 一 研究背景 我国煤矿90 是井工开采 每年新掘巷道总长度达10000km 80 以上是煤巷 回采巷道长度约占巷道总长度的60 以上 回采巷道留一定宽度的煤柱护巷不仅造成煤炭资源浪费 而且在煤柱处产生应力集中 易导致冲击地压等动力灾害的发生 一 研究背景 沿空留巷技术具有以下优点 1 提高煤炭资源回收率 降低生产成本 2 有利于缓解矿井工作面接替紧张的局面 3 处理矿井矸石 改善地面环境 实现绿色开采 4 有利于矿井的可持续发展 4 5 一 研究背景 在现场实践过程中 沿空留巷技术应用效果差异较大 有的条件应用效果好 而有的条件留巷困难 其基本原因在于 1 没有考虑不同条件顶板的运动破断特征及其对巷道围岩变形破坏的影响 2 未针对不同顶板运动特征分类设计沿空留巷巷旁支护方式 6 一 研究背景二 研究内容及技术路线三 创新成果及相关技术内容四 同类技术比较五 结论 汇报提纲 7 1 坚硬顶板条件下 柔强 复合巷旁充填理论与技术 二 研究内容及技术路线 研究内容 2 中等稳定顶板 锚固硬化矸石带巷旁充填理论与技术 3 石灰岩缓沉顶板 巷旁切顶支护理论与技术 巷旁及巷内支护设计方案 8 二 研究内容及技术路线 现场调研与资料收集 顶板条件 理论研究及室内试验研究 坚硬顶板 中等稳定顶板 石灰岩缓沉顶板 顶板破断运动规律 工作面侧向顶板分期活动规律 柔强 复合巷旁充填支护力学模型 柔强 充填支护材料性能试验 巷旁支护力学模型 巷旁切顶支护力学模型 9 二 研究内容及技术路线 不同顶板条件的工作面巷道现场试验 充填体结构稳定性现场观测 项目研究总结与推广应用 现场应用 10 一 立项背景二 研究内容及技术路线三 创新成果及相关技术内容四 同类技术比较五 结论 汇报提纲 创新成果之一 11 三 创新成果及相关技术内容 针对厚层坚硬顶板条件 建立了 顶板结构 巷旁柔强双层复合支护 力学模型 提出了基于顶板运动状态确定巷旁 柔强 复合充填材料厚度 强度及尺寸的方法 研发了巷旁柔 强两种支护充填材料 实现了坚硬顶板条件下的沿空留巷 12 三 创新成果及相关技术内容 1 1 柔强 复合充填支护力学模型 坚硬顶板巷旁充填结构示意图 13 三 创新成果及相关技术内容 柔性充填材料厚度 14 三 创新成果及相关技术内容 采空区矸石的压缩量 老顶岩梁端部下沉量 15 三 创新成果及相关技术内容 充填体材料强度与宽度关系 当设计充填体宽度一定时 充填材料强度要求为 当设计充填体强度一定时 充填体宽度要求为 16 三 创新成果及相关技术内容 柔性材料 具有较大的可缩性 减缓顶板下沉 防止顶板快速下沉而产生动压冲击 高强材料 可缩性较小 强度较高 其力学性能与顶板作用相适应 能有效控制顶板的下沉运动 柔性充填材料 高强充填材料 1 2柔强充填材料性能试验 16 17 三 创新成果及相关技术内容 1 2 1柔性充填材料的开发 主要原材料 发泡剂 M1 M2 工业级 稳泡剂 N 工业级 阻燃剂 TCEP 工业级 固化剂 R 自制 发泡剂对高分子 让压 膨胀材料的发泡效果和单轴压缩强度具有重要影响 发泡效果以发泡流动性表示 包括发泡高度指数和密度分布系数 17 18 三 创新成果及相关技术内容 不同种类发泡剂的发泡效果和压缩强度 由于发泡剂种类不同 发泡高度指数由小到大为 M2 M1 水 密度分布系数由小到大为 水 M1 M2 压缩强度由小到大为 水 M1 M2 最终选择以M2为发泡剂 18 19 三 创新成果及相关技术内容 泡沫体孔径对压缩强度的影响泡沫体闭孔率对压缩强度的影响 对于同一种类的发泡剂 泡沫体的压缩强度是由泡沫基体的化学结构和泡孔结构共同决定的 19 20 三 创新成果及相关技术内容 充填材料组分选择 胶凝材料 水泥 有胶凝性能的活性混合材料 粉煤灰 惰性材料 煤矸石 河砂 其他改性材料 早强剂和减水剂 1 2 2高强充填材料的开发 采用正交试验设计的方法确定各材料组分的含量 对比现场工程中顶板运动作用规律 最终选择一组最优方案 20 21 三 创新成果及相关技术内容 方案 水泥 粉煤灰 煤矸石颗粒 河砂 外掺剂 正交试验参数表 21 22 三 创新成果及相关技术内容 坍落度与单轴抗压强度 22 23 三 创新成果及相关技术内容 最优配比方案 23 24 三 创新成果及相关技术内容 巷旁充填工艺 1 3现场应用情况 24 25 三 创新成果及相关技术内容 应用实例一 新汶矿区15煤层 工作面岩层柱状图如右图 该工作面运输巷净宽3 4m 中高2 5m 采用锚杆支护 26 三 创新成果及相关技术内容 应用柔强材料充填墙巷旁支护方式 柔性材料采用泡沫材料 厚度0 37m 高强度材料采用矸石混凝土厚度1 33m 充填墙宽度2 0m 27 三 创新成果及相关技术内容 监测布置示意图 为考察柔强材料充填墙的支护效果 对11508运输巷进行了监测 如右图 28 三 创新成果及相关技术内容 监测结果表明 煤壁处压缩量最大为246mm 充填体侧压缩量最大为142mm 留巷效果良好 三 创新成果及相关技术内容 应用实例二 29 姜家湾煤矿8213工作面开采煤层为7 2 煤层 煤层柱状图如右图 该工作面2213巷为机轨合一巷 净宽4 5m 净高2 6m 采用锚网索支护 三 创新成果及相关技术内容 应用柔强材料充填墙巷旁支护方式 柔性材料采用泡沫材料 厚度0 16m 高强度材料采用矸石混凝土厚度1 26m 充填墙宽度2 0m 30 三 创新成果及相关技术内容 监测结果表明 巷道围岩变形量得到有效控制 顶底板和两帮移近量稳定在100 120mm 留巷效果良好 31 创新成果之二 32 三 创新成果及相关技术内容 针对中等稳定顶板能够充分垮落的特点 获得了横向锚固矸石体应变硬化机理 研发了横向锚固矸石体巷旁充填支护工艺 取得了满意支护效果 三 创新成果及相关技术内容 1 发现沿空留巷顶板断裂存在 五区三阶段 运动特征 创新性的提出了 锚杆 充填体 系统支护作用的留巷机理 建立了顶板巷旁充填条件下的沿空留巷力学模型 33 三 创新成果及相关技术内容 1 一次破断阶段 1 1沿空留巷顶板断裂机制 顶板运动特征 在煤壁内一侧产生断裂线形成 假塑性梁 34 三 创新成果及相关技术内容 2 二次破断阶段 顶板运动特征 上覆岩层运动最为剧烈充填体一侧产生二次断裂 1 1沿空留巷顶板断裂机制 35 三 创新成果及相关技术内容 3 错动离层带形成阶段 顶板运动特征 岩层运动趋于稳定上覆岩层平移下沉二次破断区产生错动离层 1 1沿空留巷顶板断裂机制 36 三 创新成果及相关技术内容 I 垮落区II 煤壁支撑区III 一次破断区IV 二次破断区V 错动离层区 1 形成垮落区阶段 2 一次破断阶段 3 二次破断阶段 4 错动离层带形成阶段 五区三阶段 1 1沿空留巷顶板断裂机制 37 三 创新成果及相关技术内容 1 2锚杆 充填体系统作用机理 支护体受力特征 岩层运动的应力主要分布在冒落矸石上充填体和锚杆受力仍然会继承第一阶段的变化趋势 只是变化趋于缓和 1 一次破断阶段 1 一次破断阶段 38 三 创新成果及相关技术内容 1 2锚杆 充填体系统作用机理 支护体受力特征 充填体让压变形 为主要承载体锚杆辅助充填体支护 2 二次破断阶段 2 二次破断阶段 39 三 创新成果及相关技术内容 1 2锚杆 充填体系统作用机理 支护体受力特征 充填体与锚杆受力基本没有变化 3 错动离层带形成阶段 3 错动离层带形成阶段 40 三 创新成果及相关技术内容 1 2锚杆 充填体系统作用机理 锚杆作用 一次破断阶段二次破断阶段错动离层带形成阶段 悬吊作用过渡作用加固作用互补作用 将破碎岩体悬吊在稳定的岩层上 通过一次破断阶段使顶板运动过渡到二次破断阶段 防止岩石沿层面滑动阻止岩层间的水平错动 与充填体形成平衡互补的支护体系 41 三 创新成果及相关技术内容 1 2锚杆 充填体系统作用机理 充填体作用 保持直接顶与基本顶的紧贴 通过一次破断阶段使顶板运动过渡到二次破断阶段 保持巷旁稳定 平衡冒落带对应范围内的岩层的重量 一次破断阶段二次破断阶段错动离层带形成阶段 辅助锚杆作用过渡作用下缩让压作用平衡作用 42 43 三 创新成果及相关技术内容 巷旁支护力学模型 沿空留巷模型示意图 43 44 三 创新成果及相关技术内容 巷旁充填体所需强度公式 计算得 木城涧煤矿 570m水平六石门三槽西四壁工作面巷旁充填体所需强度为17 29MPa 44 三 创新成果及相关技术内容 2 对巷旁矸石充填体的承载性能进行探究 揭示了横向锚固矸石体应变硬化机理 通过研发的横向锚固矸石体巷旁充填支护工艺 成功实现了矸石体巷旁充填支护 为矸石带巷旁充填工艺的推广应用奠定了基础 45 三 创新成果及相关技术内容 2 1矸石充填相似材料模拟实验 采用相似材料模拟实验方法 对矸石充填条件下的沿空留巷巷道围岩稳定性进行模拟 研究不同开采时期充填体支承压力变化值 采用的立体模型架 长度为1 9m 宽度为1m 高度为1 5m 模型装配设计图 装填后模型 区 区 46 三 创新成果及相关技术内容 2 1矸石充填相似材料模拟实验 矸石充填的选择 区采用1 5m宽矸石充填带 双排单体支柱 区采用2 5m宽矸石充填带 单排单体支柱对比实验 矸石充填支护俯视图 区 区 A B排测点 C排测点 矸石充填支护剖面图 47 三 创新成果及相关技术内容 2 1矸石充填相似材料模拟实验 采用高精度数字压力表 如下图所示 测试A B C三排支柱的压力 并采取每2秒记录一次数据 观测记录每排支柱的支承压力值 测点油缸与压力表连接图 观测仪器设置图 48 三 创新成果及相关技术内容 2 1矸石充填相似材料模拟实验 B排 C排 A排 1 A B排柱测点数据变化相对平滑 C排柱测点数据出现频繁波动 尤其在第一次压力值大幅提升后 说明2 5m矸石带 单排柱所受压力变化剧烈 支撑效果不佳 2 C排柱测点数据普遍大于AB两排柱测点数据 说明采用2 5m矸石带 单排柱顶板压力过大 支撑能力不佳 3 1 5m矸石带 双排柱支护 区B排测点数据普遍较小 这是由于A排柱承担了较多的支撑点压力 直接缓解了矸石带和B排柱的支撑压力 支撑效果良好 3 0MPa 0 9MPa 6 0MPa 49 三 创新成果及相关技术内容 2 2合理矸石带宽度数值模拟 模拟方案 模拟开采按照实际开采的先后顺序 即随着工作面的推进 不断堆积矸石充填体 提出合理充填体宽度 根据模拟充填体不同宽度分为三种方案 方案I 1 0m 方案II 1 5m 方案III 2 0m 50 三 创新成果及相关技术内容 2 2合理矸石带宽度数值模拟 监测点布置 51 三 创新成果及相关技术内容 1 围岩塑性区变化 方案I 1 0m 方案II 1 5m 方案III 2 0m 充填体宽度对巷道顶板的和两帮的影响较大 对底板的影响几乎一样 2 2合理矸石带宽度数值模拟 52 方案I中的顶板塑性区最大范围达到4 0m 超出了锚杆的锚固范围 锚杆长度2 0m 之内 方案 和方案 的顶板和煤壁的塑性区范围分别为0 8m和1 5m 未超过锚杆的锚固范围 方案 对顶板的控制效果最差 方案 对顶板的控制效果相差不大 三 创新成果及相关技术内容 2 2合理矸石带宽度数值模拟 53 2 巷道顶底板位移 顶板下沉量 底臌变化 方案 与方案 中顶板下沉相差为5cm左右 当充填体宽度继续增加时 顶板位移变化不再明显 三种方案下的底板位移变化相差不大 都维持在6 7cm 7 8cm之间 三 创新成果及相关技术内容 2 2合理矸石带宽度数值模拟 54 3 巷道两帮位移 充填体水平位移 煤帮水平位移 当充填体宽度为1 0m时 充填体和实体煤侧水平位移分别为16 3cm和12 1cm 随着充填体宽度的增加 水平位移减小 当充填体宽度增加到2 0m时 变化不再明显 三 创新成果及相关技术内容 2 2合理矸石带宽度数值模拟 55 4 巷道垂直应力分布 方案I和方案II在靠近煤壁一侧存在应力集中区 随着充填体宽度的增加 应力集中区减小 方案I 1 0m 方案II 1 5m 方案III 2 0m 三 创新成果及相关技术内容 2 2合理矸石带宽度数值模拟 56 采空区应力和巷道顶板以上应力相近 远远比充填体和实体煤上方的应力要小 表明煤层开采以后 上覆岩层的主要承载体为充填体和实体煤 三 创新成果及相关技术内容 2 2合理矸石带宽度数值模拟 采空区 充填体 巷道及实体煤上方垂直应力监测 57 随着充填体宽度的增加 充填体上方压力增大 所以充填体宽度不能太大 而是存在一个合理的宽度 如果充填体宽度太大 有可能会导致充填体上覆岩层所施加的压力超过充填体承载力 使其破坏失效 失去承载作用 而且不经济 三 创新成果及相关技术内容 2 2合理矸石带宽度数值模拟 58 5 采场支承压力分布 在工作面推进方向上 充填体宽度会对前方支承压力有较大的影响 尤其是在充填体宽度较小时 会使前方支承压力增大 如果充填体宽度太小 可能会对煤层的开采留下安全隐患 这也说明了充填体存在一个合理的宽度 三 创新成果及相关技术内容 2 2合理矸石带宽度数值模拟 59 6 模拟结果分析比较 方案I 1 0m 控制围岩变形效果最差 方案II 1 5m 和方案III 2 0m 相差不大 围岩塑性区变化顶底板位移两帮水平位移 垂直应力 采场支承压力 充填体宽度不能太大 充填体宽度不能太小 方案II 1 5m 为最佳充填体宽度 三 创新成果及相关技术内容 2 2合理矸石带宽度数值模拟 60 三 创新成果及相关技术内容 2 3横向锚固矸石体应变硬化机理 在底板比压测试方法的基础上 自主研发了一种新的矸石墙承载力的测试方法 无锚杆约束 锚杆约束 61 无锚杆约束 有锚杆约束 矸石墙承载力仅为6 5MPa 在超过其极限承载力以后 表现出缓慢软化的特性 三 创新成果及相关技术内容 矸石墙承载力的变化情况 由于受到来自侧向的约束 矸石墙承载力变化在开始阶段就表现出较快的增加 相比无锚杆情况下 承载力也更大 达到了13 4MPa 2 3横向锚固矸石体应变硬化机理 62 三 创新成果及相关技术内容 根据现场试验现象 在有锚杆约束的情况下 如果锚杆一直能够提供侧向的约束 矸石墙承载力会因为其本身的应变硬化特性不断增大 与此同时 横向锚固矸石墙具有一个较大的变形 间接的反映出其所具有的让压变形的特性 相比一些刚性支护 横向锚固矸石墙巷旁支护在这方面具有较大的优势 2 3横向锚固矸石体应变硬化机理 63 三 创新成果及相关技术内容 在滞后工作面10 20m时 矸石墙压缩量增加趋势较小 当工作面继续推进时 矸石墙压缩量开始以一个恒定的速率缓慢增加 直到滞后工作面35m左右时 由于岩层的剧烈运动 其压缩量开始急剧增加 当压缩量达到140mm左右时其压缩量开始保持不变 2 3横向锚固矸石体应变硬化机理 矸石墙压缩量随工作面推进变化情况 64 试验研究在木城涧 450水平三槽工作面下顺槽 试验长度240m 沿空留巷获得成功 支护效果令人满意 2 3横向锚固矸石巷旁充填现场应用 三 创新成果及相关技术内容 巷道围岩稳定性可以得到有效的控制 验证了相似材料模拟试验结果与数值模拟研究结果的准确性 顶板稳定 充填体稳定 整体效果好 65 三 创新成果及相关技术内容 3 基于煤层群开采的复杂应力特征 通过先进的数值模拟手段 阐释了煤层群开采时单层煤柱 多煤柱作用下支承压力的分布规律及其在底板中的传播规律 给出了合理的煤柱留设宽度 成功实现了沿空留巷 66 三 创新成果及相关技术内容 3 1单煤层煤柱尺寸对沿空留巷的影响 京西矿区进入深部开采 采掘应力集中更为明显 这与多煤层开采煤柱留设有很大的相关性 煤层群开采时将会产生支承压力相互干扰的现象 沿空留巷异常压力现象更加明显 影响煤矿安全生产 为避免或减轻煤柱支承压力的影响 通过对轴14槽倾向17 煤层两侧不同程度的开挖 分别对60m 50m 40m 30m 20m 10m 5m等不同煤柱尺寸时支承压力分布状况及在底板中的传播规律进行模拟研究 大安山矿煤岩层分布模型示意图 67 三 创新成果及相关技术内容 3 1单煤层煤柱尺寸对沿空留巷的影响 不同宽度煤柱中支承压力和应力集中系数分布图 60m 50m 40m 30m 20m 10m 5m 68 三 创新成果及相关技术内容 3 1单煤层煤柱尺寸对沿空留巷的影响 不同宽度煤柱时底板岩层中的应力分布图 60m 30m 5m 40m 50m 10m 20m 69 三 创新成果及相关技术内容 3 1单煤层煤柱尺寸对沿空留巷的影响 由以上两组图可知 70 三 创新成果及相关技术内容 3 1单煤层煤柱尺寸对沿空留巷的影响 通过对倾斜煤层不同煤柱宽度下支承压力在底板中传播深度的统计 对采集的数据点进行方程式拟合分析 得到煤柱下支承压力传播深度h及集中系数k分别与煤柱宽度x的关系式为 71 三 创新成果及相关技术内容 3 1单煤层煤柱尺寸对沿空留巷的影响 72 三 创新成果及相关技术内容 3 2多煤层煤柱尺寸对沿空留巷的影响 在14槽10m煤柱 13槽中部留设10m煤柱的基础上 根据12槽煤留设煤柱不同位置和不同尺寸 设计六种多煤层留设煤柱组合方案 对不同方案中的支承压力分布及传播规律进行进行比较分析 方案一 12槽上侧留设20m煤柱 方案二 12槽上侧留设10m煤柱 方案三 12槽中部留设20m煤柱 方案四 12槽中部留设10m煤柱 方案五 12槽下侧留设20m煤柱 方案六 12槽下侧留设10m煤柱 73 三 创新成果及相关技术内容 3 2多煤层煤柱尺寸对沿空留巷的影响 方案一 方案二 方案四 方案五 方案六 方案三 12槽煤柱不同尺寸及位置时支承压力和应力集中系数分布图 74 三 创新成果及相关技术内容 3 2多煤层煤柱尺寸对沿空留巷的影响 12槽煤柱不同尺寸及位置时底板岩层中的应力分布图 方案二 方案三 方案一 方案四 方案五 方案六 75 三 创新成果及相关技术内容 3 2多煤层煤柱尺寸对沿空留巷的影响 76 三 创新成果及相关技术内容 3 3现场应用 大安山煤矿缓倾斜煤层工作面采用留巷的采煤巷道布置方式 解决了双巷布置时上区段运输平巷与下区段回风平巷之间的煤柱损失问题 同时减少了受集中支承压力的影响 在轴9上槽 轴5下槽进行了试验 取得了较好的实验效果 轴9上槽顺槽沿空留巷支护效果图 77 创新成果之三 78 三 创新成果及相关技术内容 在揭示石灰岩缓沉顶板运动规律基础上 提出了巷旁单体液压支柱 锚索 爆破辅助切顶巷旁支护方式 为实现石灰岩顶板沿空留巷提供了保障 79 三 创新成果及相关技术内容 3 1巷旁支护力学模型 石灰岩顶板沿空留巷巷旁切顶力学模型 80 三 创新成果及相关技术内容 巷旁所需切顶力计算公式 计算得 滨湖煤矿16101工作面材料巷巷旁所需切顶力为837 2kN m 其中 81 三 创新成果及相关技术内容 3 2巷旁切顶关键技术研究 1 巷旁密集单体支柱切顶单体支柱可提供较大的支护阻力 作为采空区侧悬露岩层 悬臂梁 的固定端 一方面可以抑制顶板在该处的下沉 另一方面使顶板岩层内部的原生裂隙及开采形成的裂隙扩展 延伸 发育 从而沿切顶线形成弱面 造成直接顶沿切顶线切落 82 三 创新成果及相关技术内容 2 巷旁锚索加强支护技术通过锚索的高预紧力 将直接顶与基本顶固定在一起 防止直接顶与基本顶产生离层 使其共同运动 主要作用是 减小初期巷旁支护体载荷 防止直接顶在巷道内部断裂 为单体支柱切顶提供有利条件 3 爆破辅助切顶若以上方法不能保证充分切顶 可采取爆破方式预裂顶板 降低顶板的完整性 以达到充分切顶的目的 83 三 创新成果及相关技术内容 3 3巷旁切顶技术方案研究 1 试验技术方案 锚索 混凝土垛切顶 沿空留巷破坏图 84 三 创新成果及相关技术内容 提出三种巷旁切顶方案进行数值模拟 分别为 方案一 锚索 单体液压支柱切顶方案二 锚索 混凝土垛切顶方案三 密集单体液压支柱切顶 2 巷道切顶方案数值模拟 85 三 创新成果及相关技术内容 工作面与巷道相接处垂直应力云图 a 锚索 单体液压支柱 b 锚索 混凝土垛 c 密集单体液压支柱 86 三 创新成果及相关技术内容 滞后工作面5m处巷道围岩塑性区分布 a 锚索 单体液压支柱 b 锚索 混凝土垛 c 密集单体液压支柱 87 三 创新成果及相关技术内容 模拟结果表明 锚索 单体液压支柱切顶方案 方案一 的切顶效果优于采用锚索 混凝土垛切顶方案 方案二 和密集单体液压支柱切顶方案 方案三 因此 确定采用锚索 单体液压支柱切顶方案 方案一 进行巷旁切顶支护 88 三 创新成果及相关技术内容 3 具体实施方案提出两种巷旁切顶技术方案进行现场试验 分别为 方案一