大采高工作面柔模沿空留墙掘巷技术.pdf

第 卷第 期 年 月西安科技大学学报 刘文学，王晓利，刘会会，等 大采高工作面柔模沿空留墙掘巷技术 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）第一作者：刘文学，男，甘肃武威人，工程师，：通信作者：王晓利，男，陕西蓝田人，博士，教授，博士生导师，：大采高工作面柔模沿空留墙掘巷技术刘文学，王晓利，刘会会，曹晓凡，何斌，刘军峰，常庆，李昂（陕西开拓建筑科技有限公司，陕西 西安 ；中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 ；西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 ）摘要：柔模混凝土沿空留巷技术已应用多年，在中厚煤层和薄煤层开采下均取得了较好的支护效果，但在厚煤层大采高工作面，因巷道高、巷旁支护压力大、混凝土早期强度低易受压损坏难以有效支撑顶板。大采高工作面矿压显现剧烈，巷旁维护难度大，故此提出一种新型的预浇墙柔模混凝土沿空留墙掘巷新技术，即在上工作面回采前，刷煤扩帮后提前预浇柔模混凝土墙体，提高煤帮整体支撑力的同时，解决柔模混凝土墙短期无法有效承载顶板来压的难题；待回采一定距离后，再沿墙滞后掘进下工作面回采巷道，且掘进方向与上工作面回采方向一致，缓解接续紧张，最终实现无煤柱开采。以王庄煤业 工作面回采留设预浇墙为工程背景，建立了沿空留墙掘巷围岩结构力学模型，理论计算得出墙体力学支护参数，并通过现场应用验证了该技术的可实施性。结果表明：理论计算分析确定了墙体高宽比为 ，混凝土强度 即可满足留墙支护要求；沿墙掘进巷道总体变形量小，顶底板和两帮最大移近量仅为 和 ，墙体最大受压 ，小于墙体自身承载力；下工作面临近巷道掘进 后即趋于稳定。该技术应用全阶段效果良好，满足巷道使用要求，有效解决了大采高工作面沿空留巷重大技术难题，也可为相似工况无煤柱开采提供技术借鉴。关键词：沿空留墙掘巷；柔模混凝土；力学模型；大采高工作面；矿压监测中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，）：第 期刘文学，等：大采高工作面柔模沿空留墙掘巷技术 ，：，：；引言一般大采高煤层开采需要在综采工作面之间留设区段煤柱来保护工作面回采的安全性 ，这也造成了一定的煤炭资源浪费，如何安全高效地将大采高工作面区段煤柱回收，或者不再留设区段煤柱而依然能安全回采，成为一个需要解决的开采问题 。无煤柱开采的提出和应用大大提高了煤炭资源的回收率，也为该问题提供了解决方案 。无煤柱开采具体分为沿空留巷和沿空掘巷 种方法。关于无煤柱开采，已有许多专家学者开展了大量研究，并取得了丰硕的研究成果。高玉兵等介绍了不同煤厚条件下切顶卸压无煤柱自成巷技术应用研究，其中包括薄煤层工作面、中厚煤层工作面和厚煤层工作面，研究发现：不同煤厚条件下，采空区矸石垮落状态和顶板岩层运动规律均不相同，因而需要采用不同的设计参数 ；邓雪杰等采用理论分析与数值模拟的方法研究不同埋深、工作面充实率、巷旁充填体宽度和强度条件下沿空留巷围岩应力演化与移动破坏特征，并提出了适用于唐口煤矿的沿空留巷方案，获得了良好的工程实践效果 ；赵萌烨等研究了无煤柱切顶沿空留巷，提出巷内支撑阻力的计算方法，为无煤柱切顶绿色高效开采提供了新的理论依据 ；曹晓凡等为解决瓦斯积聚等问题，首次开展特厚煤层底分层柔模沿空留巷技术研究，并提出了采用双柔模墙留巷，最终实现了下区段工作面分层回采后，留巷巷道保持完整并顺利解决瓦斯超限的目标 ；何满潮等系统性地介绍了无煤柱自成巷开采理论与 工法，并对 工法大量工程实践进行了介绍 。以上专家学者的研究极大地促进了无煤柱开采技术的发展，但是现阶段大采高无煤柱开采沿空留巷或沿空掘巷仍然面临着巷旁支护压力大、支护体难以有效支撑、留巷成本高以及浪费煤炭资源等问题，在此基础上提出采用一种新型的混凝土预浇墙柔模沿空留墙掘巷新技术。该技术研究以王庄煤业 工作面运输巷为背景，以期在该矿井 号煤层开采中推广应用。技术原理及围岩力学结构模型 技术原理工作面回采之前，在巷道下工作面侧提前进行刷煤扩帮，其超前距离不低于 ，紧接着边支护扩帮区煤壁侧和顶板边超前预浇筑柔模混凝土连续墙体，待工作面回采推过滞后墙体 距离后（此时采空区活动基本稳定），沿墙体掘进下工作面巷道，从而实现无煤柱开采。由于该墙体要经受 次采动影响，如出现墙体破坏严重，为了减少采动后的墙体压力，保证墙体完整性，一般还应采用提前预裂爆破切顶卸压，缩短工作面周期来压步距并切断侧向悬臂梁，降低采动压力，减轻沿空巷道变形与破坏情况，确保沿空巷道能够满足工作面生产要求。柔模沿空留墙掘巷施工工艺如图 所示。?图 沿空留墙掘巷施工工艺 围岩结构力学模型由沿空留墙掘巷技术原理可知，柔模混凝土密闭连续墙是紧贴下工作面煤壁浇筑的，在上工作面开采后，墙体会受到第 次采动影响，之后待采空区稳定后，紧贴连续的柔模密闭墙掘进下一个工作面的回风巷，此时墙体会受到第次采动影响，最终形成可用于工作面回采服务的完整巷道。因此围岩结构力学模型的建立，应以下工作面掘进巷道稳定后的时期为基础。假设基本顶以实体煤弹塑性交界处为旋转轴，向采空区倾斜；直接顶、基本顶以及与更上位岩层之间的剪应力忽略不计；矸石充满采空区，对直接顶和基本顶岩层起到了支撑作用；基本顶上方的软弱岩层重量均匀地施加在基本顶之上；顶板压力均匀施加在巷旁支护体上；忽略巷内支护的影响（柔模混凝土巷旁支护远大于巷内支护）。在此基础上可以建立力学模型，如图 所示。其中 为覆岩作用力，；为柔模墙体阻力，；为帮部煤体的支护力，；为垮落矸石对直接顶的支护力，；为垮落矸石对基本顶的支护力，；为巷帮实体煤极限平衡区宽度，；为掘巷宽度，；为巷旁支护体宽度，。?图 沿空留墙掘巷力学模型 从图可以看出，掘巷前墙体和煤帮受到上覆 西 安科技大学学报 年第 卷第 期刘文学，等：大采高工作面柔模沿空留墙掘巷技术岩层的载荷，墙体和煤帮的支护阻力以及采空区矸石的支撑力和载荷形成力学平衡状态。掘进后形成新的巷道会对力学平衡产生扰动影响，据此可以建立掘巷后如下竖直方向力学平衡方程 （）式中 为垮落矸石对直接顶的作用长度，；为垮落矸石对基本顶的作用长度，；为基本顶的容重，；为直接顶的容重，；为基本顶的厚度，；为直接顶的厚度，；为岩块 的长度，；为直接顶的悬顶长度，；为均布载荷作用的长度，。因为 等于巷帮松动区煤体的残余抗压强度，考虑到应力集中系数 ，此时，巷旁支护体的支护阻力 为 （）式中的表达式为 （）式中为侧压系数；为煤层厚度，；为上覆岩层平均容重，；为煤层与顶底板交界面的内摩擦角，（）；为煤层与顶底板交界面的黏聚力，；为开采煤层的埋深，。根据弹性地基理论可知，采空区垮落矸石对直接顶和基本顶的支护阻力为（）（）柔模墙体承载力验算柔模混凝土的承载力由约束增强体柔性模板和核心自密实混凝土 部分组成。其混凝土墙体的承载力计算公式为 （）（）式中的表达式为 （）式中为柔模墙体的承载力，；为构件的稳定系数；为混凝土轴心强度设计值，；为锚栓套箍作用产生的有效约束力，；为截面面积，；为锚栓直径，；为锚栓抗拉强度设计值，；，分别为锚栓的间排距，。工程概况 工作面概况王庄煤业被批准开采 号和 号煤层。工作面属于 采区，主采 号煤，推进长度为 ，倾向长度为 ，北邻 采空区，东边为小窑破坏区（物探结果为富水区），南边为未开采的 工作面（未掘巷），西边为 采区胶轮巷。其中沿空留墙掘巷巷道为 工作面运输巷，具体工作面布置如图 所示。?图 工作面情况 煤层特征及顶板岩性 综采工作面煤层多为块状。煤层厚度为 ，平均厚 ，倾角为 。煤层含 层夹矸，厚度为 。煤层顶部有一层 炭质泥岩伪顶，该顶结构疏松，整体性较差，在 处有离层；伪顶之上为 的灰黑色泥岩，整体性较好且局部有小构造裂隙；泥岩之上为 细粒砂岩，该砂岩为灰白色，局部相变为砂质泥岩，致密坚硬，整体性较好，煤层顶板情况如图 所示。?图 煤层顶板柱状图 柔模沿空留墙掘巷方案设计 巷道基本支护依据现场调查可得到公式（）（）的相关参数 ，经计算可得柔模墙体支护阻力为 ，混凝土轴心抗压强度设计值应不小于 ，查阅规范可知，混凝土轴心抗压设计值 ，因此确定采用 强度，宽度的柔模混凝土墙体开展工业应用研究。工作面运输巷为沿底板布置的矩形断面，掘进尺寸为宽 ，高 ，掘进断面积为 。工作面运输巷基本支护方式为锚杆 经纬网 钢筋梯子梁 锚索，基本支护横断面如图 所示。超前扩帮设计 扩帮位置及断面）扩帮位置：从切眼位置开始，沿 工作面煤壁侧扩帮 进行沿空留墙掘巷试验，根据 沿空留墙掘巷效果确定后续留墙施工。）扩帮断面：工作面运输巷沿 工作面煤壁侧扩帮宽度为 ，扩帮高度为 。?图 工作面运输巷基本支护（单位：）围岩压力计算采用普氏理论求解扩帮后围岩压力，王庄煤矿 工作面运输顺槽顶板围岩级别属于级，参考王庄煤矿巷道实际揭露的地层条件，查阅级围岩物理力学指标，确定 级围岩重度为 ，内摩擦角 为 ；确定两帮属于级围岩，内摩擦角 为 。计算公式如下 （）煤()顶（）式中为巷道跨度的一半，取 ；为顶板围岩的重度；为普氏系数，取 ；为普氏拱高度，；为巷道高度，取 ；为围岩压力，。通过计算可得 ，。扩帮区支护扩帮区顶板和帮部支护如图所示，具体顶板和帮部支护如下。）顶板支护。使用 高强度锚杆，圆钢钢筋梁加网。间排距为 ，排距 ，每排均匀打设根，中部 根与顶板角度为 ，外侧锚杆向外倾斜 布置距煤帮 。使用 锚索，在扩帮区交错式布置两排锚索：一排锚索距离煤帮 ，排距 ；另一排锚索距离煤帮 ，排距 。）帮部支护。使用 锚杆，西 安科技大学学报 年第 卷第 期刘文学，等：大采高工作面柔模沿空留墙掘巷技术每排均匀打设 根，间排距为 ，巷道帮上面的根距顶板 ，呈上斜 进行安设，下面的 根距巷道底板 ，呈水平方向进行安设。?图 扩帮支护断面（单位：）支护强度验算扩巷后，每延米顶板范围内共计布置 根锚杆，每 根 锚 杆 的 设 计 锚 固 力 为 ，小 计 ；每延米顶板范围内布置 根锚索，每根锚索设计锚固力 ，锚索支护强度为 ，大于围岩压力 ，不计锚杆支护强度，仅锚索支护顶板的安全系数为 ，因此扩巷后的支护强度满足要求。柔模墙参数设计为了方便柔模支挂，在 工作面煤壁侧预留 变形空间；通过理论计算分析确定混凝土设计强度为 ；纺织结构柔性模板为自主研发，高 ，宽 ，长 ；墙体两侧采用 圆钢焊接钢筋梁将每排锚栓组合为整体，钢筋梁宽 ，长 ；钢筋梁限位孔间距为 ，与锚栓布置方式配套；锚栓 高强锚杆；并在两端设有长度不小于 丝扣；托板采用 拱形高强度托盘；留墙 后为锚栓施加预紧力，扭矩不小于 ；每排安装 根锚栓，间排距为 。沿空留墙掘巷后支护如图 所示。工业应用 柔性模板设计柔性模板是一种高强度纤维材料，简称柔?图 沿空留墙掘巷支护（单位：）模 。使用时可根据施工要求，将柔性模板缝制成适合巷道断面大小和施工条件的封闭结构体，其上有预留孔，连接有自闭灌注口、横向翼缘、拉筋、锚栓孔等。柔模内部拉筋用于控制柔模墙体两长边侧纤维布的间距（即厚度），横向翼缘可将柔性模板吊挂在顶板上，除此之外，还可以根据现场条件需要预先设置措施孔，用于瓦斯治理、采空区排水以及气体检测等。根据理论计算分析，王庄煤业沿空留墙掘巷柔模混凝土墙体厚度为 ，即柔模宽度设计为 。如图 所示。柔模混凝土设计柔模混凝土是由柔模 混凝土组成的复合混凝土材料，柔模具有透水不透浆（水泥浆）的特性，自密实混凝土的大水灰比输送后，可实现小水灰比硬化，混凝土强度增长快，泵注完成后，由于对拉锚栓的束缚，柔模混凝土墙体即有 的初撑力，其，最大强度可以达到，。?图 沿空留巷柔模示意图 材料及配比混凝土材料由水泥、砂子、石子及自研专用外加剂在地面按照一定比例混合加水搅拌而成。从本地取材料后进行现场适配并委托有关单位进行强度检测，最终确定了柔模混凝土 的设计配合比见表 。表 柔模混凝土设计配合比 材料水泥砂子石子水外加剂质量 力学试验）抗压强度试验采用（）试件，每组 个，共 个。混凝土标号为 ，分别设置标准组和柔模组。标准组：标准组为普通试块，分别对其龄期 ，抗压强度进行测试。柔模组：柔模组为柔模包裹的试块，抗压强度测试龄期与标准组相同。测试对比结果如图 所示。从图可以看出，柔模组混凝土试块强度同龄期普遍高于标准组混凝土。其中 强度增长迅速，柔模组混凝土 强度即可完全达到设计值。这是因为柔性模板的透水不透浆性能，使得混凝土中多余水分会被挤压流出模袋，从而形成了大水灰比装模自密实，小水灰比硬化的高密度、高强度混凝土，所以柔模组混凝土强度高于普通混凝土。?图 强度随龄期增长对比曲线 西 安科技大学学报 年第 卷 矿压监测及应用效果在实施沿空留墙掘巷时，必须准确掌握掘巷巷道变形规律，掘巷巷道顶板压力规律，如有异常，及时采取措施，有效保证人员安全、掘巷正常使用。王庄煤业沿空留墙掘巷监测主要包括围岩收敛变形监测和柔模墙体压力监测。矿压监测）围岩收敛变形监测。王庄煤业围岩收敛变形监测采用十字监测法监测，顶底板采用顶板动态仪进行量测，两帮变形采用收敛计量测。）柔模墙体压力监测。在预浇筑柔模墙体时，墙体底部与底板接触面预先安装 监测仪，实时监测柔模墙体的压力变化，每组测站安装一组监测仪器。依据柔模沿空留墙掘巷方案设计，开展王庄煤矿 工作面运输巷开展沿空留墙掘巷工业试验，待 工作面掘巷时（巷道顶板及煤壁侧支护方式与 相同），同步开展巷道围岩位移监测及柔模墙体压力监测。监测结果如图 所示。从图 （）可以看出，随着 工作面回风巷沿墙掘进，滞后掘进面为 ，巷道顶底板变形持续增大，但总体幅度较小；当滞后掘进面超过 时，巷道顶底板移近迅速增大，最终在 后逐渐趋于稳定值，此时顶底板最大移近为 。从图 （）可以看出，随着 工作面回风巷沿墙掘进，两帮移近量变化规律与顶底板移进规律相似，但是两帮移近量总体小于顶底板移近量，两帮最大移近量为 ，巷道两帮移近第 期刘文学，等：大采高工作面柔模沿空留墙掘巷技术在滞后掘进工作面 后基本稳定。从图 （）可以看出，沿空留墙掘巷的墙体压力变形总体可以分为 个阶段，第一阶段：在滞后工作面 范围内墙体压力缓慢增长，从 增至 ；第二阶段：在滞后工作面 范围内墙体压力急剧增长，从 增至 ；第三阶段：滞后工作面 以后墙体压力基本稳定在 左右。?图 应用监测曲线 应用效果 工作面运输巷柔模混凝土沿空留墙掘巷共经历 个阶段采动影响：第一阶段为 工作面回采阶段的超前和滞后动压；第二阶段为 工作面沿墙掘进阶段的超前和滞后动压；第三阶段为 工作面回采阶段超前动压。工作面运输巷柔模沿空留墙掘巷应用效果如图 所示。图 （）掘巷前超前留墙效果属于采动影响第一阶段；巷道围岩位移及柔模墙体压力监测属于采动影响第二阶段；图 （）掘巷后超前留墙效果属于采动影响第三阶段。现场留墙及监测效果总体表明，王庄煤矿 工作面运输巷柔性模板沿空留墙掘巷技术应用全阶段效果良好，解决了矿井如何回收 大采高工作面 区段煤柱、提高煤炭资源回收率和巷道掘进速度的重大技术难题，可以在该矿井 号煤层开采中推广应用。?图 工业应用效果 结论）基于技术原理建立柔模沿空留墙掘巷力学模型，并通过理论计算确定王庄煤业 工作面运输巷沿空留墙掘巷墙体宽度为 ，高度为，混凝土强度为 。）开展柔模混凝土沿空留墙掘巷支护设计，确定 回采工作面巷道超前扩帮支护参数以及柔模墙体支护参数。）通过巷道围岩位移监测发现，顶底板移近量最大为 ，两帮移近量最大为 ，巷道留墙全阶段效果良好，该技术的成功应用，为后续类似矿井煤层开采沿空留墙掘巷技术推广及应用提供了技术借鉴及经验参考。参考文献（）：，：刘海龙 综放开采沿空窄煤柱巷道支护技术探析 能源与节能，（）：，（）：蒲文龙，张国华，毕业武 定向断裂切顶卸压窄煤柱沿空掘巷关键技术研究 工业安全与环保，（）：，（）：康红普 我国煤矿巷道围岩控制技术发展 年及展望 岩石力学与工程学报，（）：，（）：，唐建新，胡海，涂兴东，等 普通混凝土巷旁充填沿空留巷试验 煤炭学报，（）：，（）：张子飞，贺安民 浅埋煤层柔模混凝土沿空留巷支护及稳定性分析 煤炭科学技术，（）：，（）：薛卫峰，侯恩科，王苏健 无煤柱切顶沿空留巷底板破坏规律 西安科技大学学报，（）：，（）：张文杰，何满潮，王炯，等 逆断层影响下无煤柱自成巷矿压规律及围岩控制 煤田地质与勘探，（）：，：，（）：，（）：张智强，赵浩亮，曹新云，等 特厚煤层小煤柱加固及双柔模墙留巷支护设计研究 煤炭工程，（）：，（）：赵萌烨，黄庆享，黄克军，等 无煤柱切顶沿空留巷矿压显现规律 西安科技大学学报，（）：，（）：康红普，张晓，王东攀，等 无煤柱开采围岩控制技术及应用 煤炭学报，（）：，（）：，：赵浩亮，王嵩，张智强，等 特厚煤层下分层双柔模墙留巷围岩运移及支护优化 采矿与岩层控制工程学报，（）：，（）：刘文学 金凤煤矿大采高工作面沿空留巷应用研究 西安：西安科技大学，：，高玉兵，甄恩泽，马资敏，等 不同煤厚条件下切顶卸压无煤柱自成巷技术应用 煤矿安全，（）：，（）：邓雪杰，董超伟，袁宗萱，等 深部充填沿空留巷巷旁支护体变形特征研究 采矿与安全工程学报，（）：西 安科技大学学报 年第 卷第 期刘文学，等：大采高工作面柔模沿空留墙掘巷技术 ，（）：赵萌烨，黄庆享，朱磊，等 无煤柱切顶沿空留巷顶板“短砌体 铰接”结构及支撑阻力研究 煤炭学报，（）：，（）：，（）：何满潮，高玉兵，盖秋凯，等 无煤柱自成巷力学原理及其工法 煤炭科学技术，（）：，（）：何满潮 工法原理及关键技术进展 山西煤炭，（）：，（）：何满潮 无煤柱自成巷开采理论与 工法 采矿与安全工程学报，（）：，（）：何满潮，陈上元，郭志飚，等 切顶卸压沿空留巷围岩结构控制及其工程应用 中国矿业大学学报，（）：，（）：宁建国，马鹏飞，刘学生，等 坚硬顶板沿空留巷巷旁“让 抗”支护机理 采矿与安全工程学报，（）：，“”，（）：侯朝炯，李学华 综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理 煤炭学报，（）：，（）：申斌学，周宏范，朱磊，等 深井复合顶板切顶卸压柔模墙支护沿空留巷技术 工矿自动化，（）：，（）：李红雷，刘洋，雷平博 双巷掘进柔模混凝土无煤柱开采技术应用研究 煤炭工程，（）：，（）：吴玉意，朱磊，徐凯，等 基于结构力学的沿空留巷顶板变形控制原理研究与应用 煤炭技术，（）：，（）：黄勇 寸草塔煤矿回采巷道沿空留巷技术应用研究 西安：西安科技大学，：，（责任编辑：高佳）