星村煤矿面沿空送巷顺槽开采关键技术研究论证报告

1、 XCK-01星 村 煤 矿 105顺槽沿空送巷开采关键技术研究 论 证 报 告大统矿业有限公司星村煤矿山 东 科 技 大 学2006年1月20日前 言山东省兖州煤田星村井田是兖州市大统矿业有限公司煤炭开发的后备基地，位于兖州市以东曲阜市西南，属曲阜市管辖。矿井设计生产能力45万t/a，井筒装备按120万t/a考虑。目前井底车场已基本形成，首采面103面已形成，开始回采。由于矿井埋深达900m以上，属深部冲击地压矿井，在103工作面顺槽施工中多次出现煤炮现象，呈现出明显的冲击地压征兆。105工作面为第二个采煤面，该面上顺槽位于F60断层附近（F60：正断层，倾向西，倾角31°50&#

2、176;，落差5105m，区内延展长1800m），下顺槽与103面相邻。如何开拓下顺槽，是留大煤柱还是小煤柱沿空送巷？一直是矿上研究的重点。如果留大煤柱开采，煤炭资源浪费严重；小煤柱沿空送巷又面临着冲击地压、顺槽支护、采空区防灭火等一系列问题。为减小煤炭资源浪费，接受深部矿井冲击地压大、造成顺槽巷道破坏的教训，拟实施方案论证，研究105面开采关键技术，解决105面下顺槽冲击地压、采空区防灭火及顺槽支护等一系列问题。大统矿业公司领导高度重视，邀请有关专家专题论证。专家们认为，星村矿井属深井开采，褶曲发育、断层多（达126条，落差大于100m的9条，落差50100m的10条，落差2050m的30条

3、，落差1020m的30条，落差小于10m的47条）。因此星村地质构造复杂，冲击地压大，围岩多属不稳定或极不稳定类型，这必将给施工及巷道的支护带来很大困难。为改变传统习惯，山东科技大学计划与星村煤矿合作共同研究这一课题。研究的总原则：安全可靠、实施简便、经济合理。新汶矿业集团领导高度重视，多次邀请有关专家专题论证。专家们认为，龙固矿井属深井开采，位处巨野煤田中南部，含水层多，煤层顶板多为泥岩，褶曲发育、断层多（达58条以上），仅落差大于50m以上断层约20条。因此龙固地质构造复杂，加上水的影响，围岩多属不稳定或极不稳定类型，这必将给施工及巷道的支护带来很大困难。为改变传统习惯，即“巷道坏了修，修

4、了再坏，坏了再修”这种不当做法，企业领导及工程技术人员提出，在不良地层施工中实行施工支护预案机制。这是一个创新，在国内煤矿建设中再次开了一个很好的先例。其优点在于采用这一机制，即施工中一旦发现地质环境发生变化及时研究、尽快实施预案，防止巷道出现严重变形或破坏，从而大幅度减少巷道返工及维修量，减少事故对建井工期的影响，降低基本建设投资。山东科技大学矿山工程课题组计划与龙固矿筹建处、设计院合作共同研究这一课题。105顺槽沿空送巷开采关键技术研究论 证 报 告一、课题研究的意义星村矿3煤层埋深较大，为800900m，煤层顶板中存在坚硬中砂岩，岩层厚度为25-30m，厚度较大的顶板坚硬岩层具有发生冲击

5、地压的应力和能量条件。工作面内存在2条大的断层，属于构造区域，同时由于开采深度超过冲击地压的临界深度，发生复合型冲击地压的可能性较大；根据类似矿井高应力异常区域发生冲击地压的开采环境分析，该区域具有发生冲击地压的可能；深部构造区域，煤层埋深800900m，煤层赋存变化较大，断层较多，小构造发育，具有发生复合型冲击地压的应力条件。因此从相邻矿已发生冲击地压的煤层条件和星村矿3煤层的地质开采条件分析可知，局部区域存在发生冲击地压的条件，对3煤层进行冲击地压预测与防治、顺槽支护结构形式研究、采空区防灭火研究十分必要。该项目的实施，对星村矿实现安全、高效开采具有重大社会和经济意义。二、沿空顺槽巷道位置

6、的确定及小煤柱留设由于上区段工作面推进过程中顶板运动的影响及上覆岩层支承压力的变化，造成工作面两侧煤体及煤层顶板支承压力的变化。因此，沿空顺槽掘进的时间和位置决定了其巷道围岩应力的分布及围岩支护成功的难易程度。（一）沿空顺槽巷道掘进的最佳时间根据以往巷道矿压理论的研究可以确定，下区段采场顶板老顶触矸稳定后沿空顺槽掘进的最佳时间。由下区段采场两侧煤体受采动影响的变化过程（图1）可以看出，煤体在上区段采场工作面回采过程中，由弹性压缩状态进入塑性破坏状态，煤体产生较大变形量，如果在煤体弹性压缩阶段掘进巷道，则容易造成巷道产生变形破坏，不利于巷道维护。而上区段采场老顶触矸后，煤体变形基本稳定，此时掘进

7、巷道，则巷道不易变形破坏，易于维护。图1 采场两侧煤体随上区段工作面回采影响的过程a上区段采场老顶处于相对稳定阶段；b上区段采场顶板岩层显著运动阶段；c上区段采场顶板岩层稳定阶段；d煤体压力叠加阶段（二）沿空顺槽掘进的最佳位置在存在内应力场的条件下，可能的送巷位置有4种（图2）：在内应力场中沿空送巷（位置1、位置2），在外应力场中的煤柱护巷（位置3），在原岩应力区的大煤柱护巷（位置4）。首先由煤体上方支承压力分布规律可以看出，在位置3掘进巷道，正处于支承压力高峰区，巷道不易维护；在位置4掘进巷道，虽然巷道比较容易维护，但煤柱损失比较大，不符合充分利用和节约煤炭资源的原则。故这两种位置都不可取，

8、在内应力场中沿空送巷分为无煤柱送巷和小煤柱送巷两种。无煤柱送巷虽然能充分开采煤炭资源，但存在巷道通风、下区段采场采空区残煤自燃等不利因素。因此沿空送巷的最佳位置为位置2所示的小煤柱送巷，最佳煤柱尺寸应是在煤柱煤体不发生裂隙向采空区漏风，诱发自燃的条件下，最小的煤柱尺寸。初步设计留设煤柱宽度为4m。图2 巷道掘进位置图1无煤柱沿空送巷；2小煤柱沿空送巷；3外应力场中的煤柱护巷；4原始应力区大煤柱护巷三、研究开发内容（一）冲击地压治理研究（1）综放开采冲击地压发生的机理（2）冲击地压危险性评价包括：综放面应力分布特征的分析研究。包括侧向应力分布状态分析和推进方向应力分布状态分析；采用数值模拟技术进

9、行区域危险程度的评价；开采期间冲击地压危险性动态评价。（3）冲击地压预测与防治技术研究包括：运输顺槽冲击危险监测技术；轨道顺槽冲击地压危险性分析、预测指标的确定、预测方法的选择；推进期间冲击危险性预测方法；（4）深部冲击地压防治预测与防治建议（二）顺槽沿空送巷支护技术研究（1）、影响巷道稳定因素围岩强度： 即普氏系数f，主要指标是岩石单轴抗压及抗拉强度（MPa）；巷道深度： 巷道在地下埋深，即kH，k与上覆岩层“岩梁”的支撑跨度有关；围岩性质： 围岩的矿物成份、膨胀性、蠕变和流变性质等；松动范围： 巷道开挖后，围岩体松动、碎胀后直接作用在巷道的重力；地应力： 地应力包括原岩构造应力以及相邻巷道

10、开挖后应力重新分布或采动压力所造成的影响；温度、水、瓦斯：易造成围岩软化、泥化、碎裂失稳；支护形式：巷道断面形状、支护材料、结构、参数等均影响巷道稳定性；巷道布置和开挖顺序：两条巷道太近有可能产生重新分布的应力叠加，增加巷道压力；后开挖的巷道应力再次重新分布，对先掘巷道产生新的破坏压力，造成变形或破坏。根据现有资料初步分析认为，星村煤矿105面下顺槽沿空送巷支护是可行的。要做出准确的判断，应在对地质及井田构造进行充分研究和分析后才能做出较准确的判断。（2）支护方案选择 1）高强锚杆、锚杆桁架、锚注支护 传统的锚杆及锚喷支护、锚杆直径1416mm，发展到今天多用1822mm，锚杆长由过去L140

11、01800mm，发展到今天多用L=20002200mm；所谓高强锚杆过去一般用普通圆钢，而现在改用HRB500钢；此外锚杆直径有的达28mm以上；所谓超长锚杆长度超过3000mm，有的甚至超过5000mm。锚杆桁架特点，即在拉杆通过张紧装置使桁架锚杆处于拉伸状态，给围岩一个压应力，使顶板围岩与两帮围岩形成一瓶颈结构，只要两帮稳定，巷道将保持稳定。锚杆桁架支护如图3所示。a.锚索桁架b。锚杆锚索桁架C锚杆桁架图3 锚杆锚索桁架支护示意图 2）高强锚杆、灌浆锚索、锚注支护该支护是以高强锚杆支护为主，在适当距离内布置灌浆锚索。灌浆目的是为了提高锚索的支护效果，防止拉断锚索。其锚索结构如图4所示。a.

12、无应力防腐锚索b.无应力防腐锚索c.快装后应力锚索d.无应力锚索e.预应力锚索f.快装后应力防腐锚索 图4 预应力锚索结构图 3）锚注法支护锚注法支护体系包括两大部分，即掘进时采用扩大断面锚喷支护，扩大断面的目的是预留一定变形及复喷空间。锚杆可根据围岩特性选择传统锚杆或高强超长锚杆，喷层的主要目的是防止漏浆和防采空区灭火，因此喷层可以是薄层喷射混凝土或高标号水泥砂浆，注浆以水泥类单液浆或水泥水玻璃双液浆为主。锚注支护体系及注浆锚杆结构如图5。a.普通注浆锚杆1喷层 2金属网 3锚杆 4注浆锚杆b.锚杆及注浆锚杆布置图5 支护体系示意图4）高强预应力锚索、高强预应力可变形让压锚杆支护 高强预应力

13、可变形让压锚杆是针对动压尤其是冲击地压地带的支护提出的一种锚杆形式，通过可变形装置以实现防冲击地压的目的。锚杆如图6所示。图6 高强预应力可变形锚杆结构示意图5）预案选择单一的高强超长锚杆一般不能使极不稳定围岩保持稳定，与锚索特别是灌浆锚索联合支护，可望解决顺槽的支护问题。但成本高，需专用施工设备，施工速度慢，如果锚杆、锚索不灌浆，其支护强度和稳定性、持久性，将大幅度降低。 锚注法已有10余年的历史，曾在全国几十个矿井中广泛使用于各类不稳定、极不稳定巷道。现已被铁路、冶金系统引用并取得显著成效。但有两点必须引起重视：（1）锚注支护体系特别是支护参数必须适合星村煤矿地应力状态；（2）支护要求及注

14、浆必须保证质量，这是锚注支护的关键。高强预应力可变形锚杆是针对冲击地压而设计的锚杆，对治理具有冲击地压顺槽的支护效果较好。根据上述分析，建议采用高强锚杆、注浆锚杆锚注法支护或高强预应力可变形锚杆、锚索支护。（三）顺槽沿空送巷防灭火技术研究（1）主要研究内容1)105工作面及后部采空区气体和温度测定及分析；2)105工作面煤层自燃危险性分析；3)105工作面后部采空区自燃发火“三带”空间规律研究；4)105工作面自燃预防技术研究，包括灌浆，阻化剂，堵漏风技术等；5)105工作面自燃预报技术研究，包括束管监测系统，气体色谱分析，红外线温度监测等；6) 105工作面自燃火区快速处理技术研究，包括注胶

15、，注氮，注浆等。7) 星村煤矿煤层自然发火的综合治理措施。四、支护技术可靠性论证（1）锚杆类支护技术锚杆支护这里主要介绍常规锚杆支护机理。锚杆的悬吊作用、组合作用已为大家所熟知。高强超长锚杆的应用能更好地提高锚杆的悬吊作用和可靠性，增加组合梁的高度、组合拱的厚度，从而成倍地提高组合梁、组合拱的支撑能力。组合锚杆是将若干锚杆通过梁或钢带组合在一起，并根据围岩的状况按一定的规律布置，从而发挥群体锚固作用和梁（带）的有效撑托作用，有效地使不稳定围岩保持稳定。锚杆支护的可靠性主要取决于锚杆支护参数，如锚杆直径、长度、间排距、锚固力等，与围岩稳定状况是否匹配，匹配则稳定，不匹配则会出现巷道变形、破坏、巷

16、道大面积冒顶。（2）锚杆桁架支护机理锚杆桁架以改变破碎围岩或纵向裂隙发育的围岩改变受力状态而使其保持稳定。当张拉筋的压应力N0时，锚杆垫木块不受力，破碎或裂隙岩石在重力G的作用下将下沉乃至断裂冒落。当张拉筋的压应力逐渐增大，达到一定值时锚杆受力C与垫木受力C将产生垂直分力T、T和水平压应力P、P。当P、P足够大时，原破碎、开裂的岩石的原张拉力转变为压应力而形成岩梁拱。这个拱除可以保持拱本身的稳定外，还可以承受拱上部围岩的应力。垂直分力也有利于提高岩梁拱的支撑能力。锚杆桁架力图如图7所示。由于拱部岩石变拉应力为压应力，从而减少了两墙的受力使巷道进一步保持稳定。锚杆桁架的可靠性除桁架结构参数外，主

17、要取决于锚杆桁架预紧力大小，预紧力越大支护越可靠。两墙的稳定也是锚杆桁架支护结构稳定的关键。图7 锚杆桁架力图（3）锚索类支护目前我国井下常用的锚索有预应力锚索和预应力灌浆锚索。两者的差别主要在于一个灌浆、一个不灌浆。现在锚头普遍用树脂药卷锚固。目前井下常用锚索直径有两种，即15.24mm和17.8mm，长度以610m为多。锚索体一般由高强钢绞线组成，也有用高强热轧螺纹钢、钢筋或高强预应力钢丝绳组成。通过对锚索的张拉来实现预应力，锚索预应力一般大于100KN，高者可达1000KN以上。锚索与锚杆相比，特别是灌浆锚索，锚固深度大，锚索强度高，因而除具有高强预应力外，锚固力也高，因此它往往用于大断

18、面地下工程或极不稳定巷道。锚索一般与锚梁、大托盘配合使用，为提高其支护能力可采用锚索和平面锚索桁架，效果良好。锚索可靠性的关键除锚索支护参数必须与围岩的稳定性匹配外，对预应力锚索还必须有稳定性良好的生根岩，对灌浆锚索必须保证灌浆质量。（4）锚注法支护锚注法就是在锚杆之间再打上注浆锚杆注浆，浆液一般是水泥浆液，特殊情况下也可注化学浆液。根据锚杆支护机理，它可以将成层岩石悬吊或形成组合梁，可将破碎岩石由于悬吊和楔固作用而形成组合拱，从而稳定围岩并支撑上部围岩。但这样形成的支撑结构，由于岩层的离层破碎松散，其结构强度、刚度和稳定性都较低。通过在其缝隙中注浆，将这些松散的岩块胶结成整体，其岩体的刚度、

19、弹性模量均大幅度提高，可形成三道组合拱即锚网喷拱、锚岩拱和浆岩拱。三拱共同协调加之原端锚锚杆由于注浆而形成的超长锚固，将大幅度提高其锚固力和可靠性，从而更进一步提高三组合拱的支撑能力。相似材料模拟试验表明，锚注支护结构比不注浆支护结构的支撑力将提高215倍，即与裂隙不发育围岩锚杆支护结构比可提高12倍，与破碎岩石中锚杆支护比其支撑能力可提高1015倍。锚注支护机理如图8所示。1-普通锚杆；2-注浆锚杆；3-金属网喷层；4-注浆扩散范围；5-锚杆形成的锚岩拱；6-锚杆注浆形成的浆岩拱图8 注浆加固支护机理图锚注支护1979年在北皂煤矿中央泵房、变电所开始应用，并先后在晋城矿务局凤凰山矿、萍乡矿务

20、局高坑矿、曲仁矿务局格顶矿试验及应用。用于龙口矿务局梁家煤矿“极不稳定巷道”的支护获得成功，1995年通过煤炭部鉴定。随后在全国几十个局矿乃至冶金、隧道、公路边坡、建筑物基坑中得到广泛应用。近几年来更有长足发展，在山东鲍店煤矿、曹庄煤矿的应用获“山东科技进步三等奖”，在淮北祁南矿的应用获得安徽省2000年科技进步一等奖， 2002年国家科技进步二等奖。2004年以锚注法为核心成功解决了唐口千米井下“软岩”支护问题。实践证明锚注法不仅是目前解决一般矿井软岩支护的最佳方法，而且也是解决深井高地压巷道支护的主要方法。锚注法的可靠性程度除取决于相关联合支护及其参数与围岩稳定性匹配的程度外，更重要的是保

21、证锚注质量。这是本技术可靠性的关键。（5）沿空送巷顺槽支护实例1）肥城矿业集团梁宝寺矿厚煤层有冲击倾向条件下沿底顺槽支护技术梁宝寺煤矿首采区排距埋深800m，3煤平均厚度7m，顺槽掘进期间煤炮频繁发生，煤层具有明显的冲击倾向。顺槽断面：宽×高4.5×3.4m。采用综掘，煤层自燃发火期3个月。采用高强预应力锚索高强预应力可变形让压锚杆高强预应力桁架钢带高强金属网支护方式，在排距1.0m的支护参数情况下成功的实现了该顺槽快速掘进和有效支护。2）肥城矿业集团曹庄矿超近距离煤层下分层顶板桁架支护5m小煤柱顺槽(10煤)，开采煤层顺槽与上层煤（9煤）采空区平均间距1.8mm，采用预应

22、力桁架高强预应力锚杆钢带支护方案，实现了近距离顺槽的有效支护。3）滕东生建煤矿深部矿井进筒施工井壁围岩预加固技术4）河南永煤集团大倾角软岩巷道支护大倾角特软煤层复合顶板小煤柱顺槽支护（采深760m）5）山西临汾古城煤矿近距离煤层下煤层开采顶板支护开采煤层顺槽与上层煤采空区平均间距1.2mm，采用预应力桁架高强预应力锚杆钢带支护方案，实现了近距离顺槽的有效支护。6）北京鲁能煤业集团公司兴陶煤矿厚煤层及特殊地质条件下煤巷支护7）北京鲁能煤业集团公司白龙山煤矿高瓦斯高突矿井煤层巷道支护技术8）枣庄新源煤矿沿空顺槽快速掘进支护技术3m小煤柱顺槽，采用捷马公司的高强预应力锚杆，排距1.1m，实现了月进尺

23、600多米。采用综掘，煤层自燃发火期3个月。9）山东鲁能西周矿业西周矿井井底绞车房硐室软岩支护10）山东龙煤集团梁家煤矿三软条件下小煤柱顺槽桁加复合技术11）新汶矿业集团华丰煤矿大采深、大倾角有冲击地压倾向小煤柱顺槽支护技术新汶矿业集团华丰煤矿1611上顺槽，煤层倾角34度，埋深1180m，5m小煤柱护巷，具有明显的冲击地压倾向。采用预应力桁架高强预应力可变形让压锚杆钢带支护方案高强金属网，实现了1611顺槽的安全支护。五、不稳定巷道矿压观测（一）锚杆（索）受力测试（1）抗拔力检测采用锚杆拉力计，随机测定，大致每50m设一组，每组不少于3根。将锚杆（索）与拉力变换器（装置）连接，用千斤顶加载，

24、达锚杆（索）设计荷载。（2）工作载荷（轴向力）检测采用锚杆（索）测力计，每50m一个断面，每断面设五个测点，见图9所示。图9 锚杆受力测试断面测点布置示意图端锚锚杆（索）检测，先把测力计压力盒套在锚杆（索）托盘和外锚头的螺母之间，随后紧固螺母，对锚杆（索）施加预应力，记录初始值，以后定时测试锚杆（索）受力值。（二）巷道围岩收敛变形观测1）围岩深部位移测试断面设置原则按变形（位移）量大、中、小三种情况选择，也可以在变截面或岩性明显变化处确定，亦或每50m设一断面，每断面测三点，见图10，最深6m，采用声波多点位移计或机械式多点位移计量测。图10 围岩深部位移测试示意图2）巷道表面收敛变形量测每5

25、0m一个断面，每一个断面布置5个测点，见图11。采用测杆、测枪量测。图11 表面收敛变形量测示意图（三）顶板离层测试顶板离层是指巷道浅部围岩与深部围岩的变形速度出现台阶式的跃变，但当离层达到一定值时，顶板可能发生破坏和冒落。因此，顶板离层是巷道失稳的前提。顶板离层采用平行直读式顶板离层仪监测。顶板离层指示仪是监测顶板锚固范围内及锚固范围外离层之变化大小的一种测试仪。顶板离层指示仪实际上是两点巷道围岩位移计，在顶板钻孔中布置两个测点，一个在围岩深部稳定处，一个在锚杆端部围岩中。离层值就是围岩中两测点之间以及锚杆端部围岩与巷道顶板表面间的相对位移值。1）测点布置距迎头工作面5m内布点，测点内安装一

26、个2点型顶板离层指示仪，见图12。深点设在老顶内300mm，浅点设在锚杆锚深的底部。测点间间隔距离50m。图12 顶板离层仪布置图2）量测频率每个测点，安装后15天内，每天测量一次；随后隔日测量一次；三个月后，每周测量一次。六、沿空送巷开采关键技术（一）防冲击地压关键技术（1）冲击地压危险区域的确定；（2）不同开采环境下的可靠监测方法的确定；（3）冲击危险区域的解危技术。防冲击地压创新点（1）提出综放工作面冲击地压预测技术；（2）形成综放工作面冲击地压的防治技术；（3）获得冲击地压显现规律。（二）沿空送巷支护关键技术（1）沿空送巷小煤柱留设宽度的确定；（2）沿空送巷支护技术；（3）沿空送巷支护

27、结构及参数的确定。（三）防灭火关键技术（1）105工作面及后部采空区气体和温度测定及分析；（2）105工作面采空区自燃“三带”测定与分析；（3）103工作面自燃预防技术研究；（4）103工作面自燃预报技术研究；（5）103工作面火区快速治理技术研究；（6）星村煤矿煤层自燃综合治理技术研究。根据以上的研究，提出适合星村煤矿煤层自燃的综合治理措施。工作面自燃指标气体的预测预报、阻化剂惰化技术、后部采空区气体监测方式及其分析、采空区自燃“三带”分析、采空区注氮技术、防灭火材料的合理配比等。七、研究开发的技术路线（一）冲击地压研究（1）案例分析通过类似条件下冲击地压案例分析，研究发生冲击地压的条件和开

28、采环境等。（2）研究冲击煤体在高应力条件下的破坏过程、力学特性。（3）修改脆性材料的力学模型及参数，并编制出计算冲击煤体的数值模拟软件，对鲍店矿冲击煤层在不同的开采条件下的应力状态进行计算分析。（4）实测研究。（5）综放面冲击地压危险区域的确定。（6）综放面监测手段的选择与方案确定。（7）综放面冲击地压防治技术研究。（8）深部采区布置方案、冲击地压预测方法及冲击地压防治技术研究。（二）沿空送巷顺槽支护技术（1）研究确定沿空顺槽掘进的最佳时间及巷道最佳位置；（2）研究确定顺槽支护结构形式及支护参数；（3）锚注支护参数及施工工艺；（三）防灭火研究煤炭自燃的防治本身就是一项复杂的系统工程，涉及到生产的多个方面。针对星村煤矿的实际，建立了煤炭自燃的整体防治体系，如图13所示。 煤炭