韩城矿区大采高综采面沿空留巷可行性研究

工作研究与理论探讨工作研究与理论探讨１韩城矿区大采高综采面沿空留巷可行性研究摘要:本文针对韩城矿区桑树坪二号井生产地质条件,综合运用现场调研、理论分析等方法,对桑树坪二号井煤围岩应力分布和变形特征进行研究,基于不同留巷方式下的围岩变形可控程度,论证各类沿空留巷工艺的可行性,结合桑树坪二号井煤工作面情况,确定采用非连续柱式留巷工艺,制定巷旁支护及巷内支护参数,提出适用于韩城矿区的综采放顶煤工作面沿空留巷工艺ꎮ关键词:沿空留巷;巷旁支护;巷内支护沿空留巷是目前实现无煤柱采煤的主要途径ꎬ不仅能减轻工作面接续压力ꎬ降低巷道的掘进量和掘进成本ꎬ还能解决工作面隅角瓦斯积聚问题ꎬ促进煤与瓦斯共采ꎬ消除煤柱护巷时残留煤柱上、下方应力集中对邻近煤层开采的不利影响ꎮ近年来ꎬ国内外学者对沿空留巷开采工艺进行大量研究ꎮ柏建彪等[１]利用强塑性变形的高水材料固结形成的巷旁支护体ꎬ提高支护体－围岩组合体结构的承载性能ꎻ通过分析沿空留巷巷旁支护体与围岩强度特征关系ꎬ利用空间锚栓加固网技术ꎬ提升巷旁支护体稳定性ꎮ郭东明等[２]基于巷旁支护体的柔性特征与承载性能ꎬ提出采用墩柱式沿空留巷巷旁支护结构ꎬ缩短了沿空留巷工艺周期ꎬ提高工作面回采速度ꎮ本文通过对比分析不同类型沿空留巷方式特点ꎬ确定桑树坪二号井沿空留巷工艺及巷道支护技术ꎮ综放沿空留巷巷道掘进分为沿顶掘进和沿底掘ꎬ采用的沿空留巷工艺有所区别:①沿底掘进巷道:巷旁结构(连续墙式巷旁结构和非连续柱式巷旁结构)高度与巷道一致ꎬ巷旁结构上方②沿顶掘进巷道:巷旁结构(连续墙式巷旁结构和非连续柱式巷旁结构)高度与巷道一致ꎬ巷旁结构下方图２沿顶掘进巷道沿空留巷示意图对于上述综放沿空留巷四种类型ꎬ国内已实施多２巷道掘进巷旁结构矿井名称巷道生产条件支护方式沿底掘进巷道连续墙式巷旁结构余吾煤业巷旁:锚网支护高河煤矿非连续柱式巷旁结构鸟山煤矿巷旁:爆破切顶＋恒阻锚索巷内:排距型棚钢拱架沿顶掘进巷道连续墙式巷旁结构煤矿[４]巷内:锚杆单体支护＋π型梁等霍尔辛赫煤矿巷内:锚杆支护ꎬ一梁四柱非连续柱式巷旁结构王庄煤矿巷旁:混凝土墩柱＋双工字钢横撑赵固一矿单体柱配合Ｕ型钢、钢筋网进行挡矸防护图煤顶底板岩性图对于第一、第二种类型ꎬ桑树坪二号井顶煤较为破碎ꎬ巷道掘进时顶煤冒落不易控制[４]ꎬ该巷道采用沿顶掘进的掘进工艺和采煤工艺需要调整ꎬ并不适用ꎮ对于第三、四种类型ꎬ可根据霍尔辛赫煤矿和古城煤矿的成功实践经验作为借鉴ꎬ但工作面端头需留角道沿空留巷工艺ꎮ当采高大于留巷高度时ꎬ可采用非连续柱式沿空留巷ꎮ同时ꎬ桑树坪二号井工作面已试验过超高巷道非连续柱式沿空留巷ꎬ具有实践经验ꎮ其巷旁结构为可调高钢管砼支柱ꎬ承载极限力为ꎬ巷内支护结构为折叠支架ꎬ工作阻力达ꎬ使用深孔预图４可调高钢管砼支柱和折叠支架２大采高综采面沿空留巷支护关键技术混凝土条形基础工艺流程为基槽开挖→植筋→浇筑混凝土ꎮ在接近工作面实体煤帮开挖基槽ꎬ基槽规格沿空留巷采用由外部加筋纤维布和内部拉筋组成的横斜双拉纤维柔性模板(封闭的三维纺织结构)ꎬ模板选用普通硅酸盐水泥ꎬ强度等级.５ꎬ混凝土强度３超高巷道非连续柱式沿空留巷技术的巷旁结构为管组成ꎬ下节钢管直径较小ꎬ具备嵌套上节较大直径钢管内部的能力ꎬ墩柱内部填充砂石材料ꎬ布置如图７所示ꎮ①考虑可缩性的设计原理ꎮ当采用单节无缝钢管时ꎬ可缩量主要体现在外包钢管的可缩性上ꎮ墩柱由两节无缝钢圆管和充填砂石材料组成ꎮ在围岩应力作用下ꎬ墩柱钢管内砂石材料容易在小钢管冲切下破坏ꎬ导致大钢管向下移动ꎬ假设砂石充填料符合摩尔－库仑破坏准则ꎬ随着顶板压力增加ꎬ砂石材料产生横向变形ꎬ材料与钢管的相互作用力增加ꎮ当压力大到一定程度时ꎬ砂石不受小钢管冲切影响(图(()②考虑支护强度的设计原理ꎮ取墩柱中砂石材料ρ/()＝μꎮ在墩柱外包无缝钢管上取一角度为由弹性力学可得ꎬ应力表达式为:位移表达式为:由边界条件和约束条件确定ꎮ由于墩柱结构对称ꎬ在围岩轴对称应力作用下ꎬ其内点环联立上述两式ꎬ求解得:上部径向位移较小ꎬ两管相互移动时ꎬ容易发生“夹(图)ꎬ大管的下部径向位移大ꎬ两管相互移动时ꎬ不４图钢管不同管径组合图由于砂石的沉降差,作用在钢管中砂石上的压力沿深度不均匀变化ꎮ钢管侧壁摩擦阻力使砂石单元体发生主应力旋转,形成的压力拱区域主应力方向为最大主应力σ１形成向上拱起的近似圆弧状的拱形曲线,如图所示ꎮ图不同组合方式的压力拱位置取上述压力拱分析,可得图所示的分析简图ꎮ图最大主应力拱分析简图由图可得,压力拱的产生条件为:①拱脚存在向上的力;②拱的上方有力的作用ꎮ当小管位于上部时,无缝钢管和砂石材料摩擦力不足以产生一个力形成拱脚,不易产生压力拱ꎮ当大管位于上部时,由于有小管管口处向上的力的支撑,更容易产生压力拱ꎮ确定墩柱参数为:外壁由壁厚无缝钢管制作,上节和下节长度各~,上节焊充填口,下节焊放砂口,两节搭接长度不小于ꎮ上下节起吊环采用Φ钢筋制作,单体支撑座采用Φ刮板链,放砂口插板采用钢板制作,加强筋用Φ锚杆制作ꎮ巷道顶板采用锚网索配合钢带支护,顶板锚杆间排距,帮锚间排距×,帮网搭接长度ꎮ沿巷道中心线在两排锚杆中间布置锚索,×ꎮ为提高两帮破碎煤体的稳定性,帮部采用自巩固锚杆和注浆锚杆,如图所示ꎮ图巷道掘进锚杆索支护参数图５工作面受一次采动影响ꎬ留巷采用锚杆索对巷道围岩进行补强支护ꎮ通过搭配使用长短锚索ꎬ可在留巷围岩形成锚杆、短锚索、长锚索三级支护ꎬ发挥深部围岩的自承能力ꎬ如图所示ꎮ图围岩补强支护示意图支护锚索可选用锚索ꎬ具备高恒阻、大变形吸收能量的特点ꎬ并采用Ｗ型钢带连接ꎮ该锚索优势主要体现在:①锚索恒阻值为±ꎬ最大变形可达ꎮ在拉伸过程中ꎬ恒阻套筒在外力作用下均匀膨胀ꎬ温度稳定升高ꎮ锚索的工作阻力为螺纹钢锚杆图锚索静力拉伸实验②锚索对巷道的变形控制基于开挖补偿法(图)ꎮ通过利用锚索的支护作用ꎬ将围岩应力补偿回近似原岩应力状态ꎬ有效防止应力集中ꎬ控制围岩位移场和能量场变化ꎮ图开挖补偿理论③锚索属于大尺度让压材料ꎬ能与大尺度变形的岩体耦合变形ꎬ实现支护体和围岩支护一体、荷载图沿空留巷顶板锚索补强支护参数图综上所述ꎬ可分别在顶板距巷道实体煤侧处以及巷道中心线位置布置一排Φ.×在沿空留巷实体煤帮采用布置两排Φ.×６常规锚索进行补强支护ꎬ与原有实体煤帮锚图沿空留巷帮部锚索补强支护参数图为提高沿空留巷动压区围岩稳定性ꎬ可采用支架进行加强支护ꎮ为降低支架对巷道顶板的反复支撑作用ꎬ桑树坪二号井可采用垛式支架(图)ꎬ目前ꎬ靠采空侧布置ꎬ超过~后ꎬ后面的垛式支架移至前面作为第一架ꎬ循环使用ꎮ图