双巷掘进留窄小煤柱布置方式及围岩稳定性控制技术_黄万朋.pdf
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1、第 42 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.42 No.3 2023 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March,2023 收稿日期:收稿日期:20220331;修回日期:修回日期:20220620 基金项目:基金项目:国家自然科学基金资助项目(51774195);煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室开放基金资助项目(2021KFYB020);山东省自然科学基金青年基金项目(ZR2021QE176)Supported by the National Natural Science Foundation
2、 of China(Grant No.51774195),Open Foundation of State Key Laboratory of Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resources(Grant No.2021KFYB020)and Natural Science Foundation of Shandong Province(Grant No.ZR2021QE176)作者简介:作者简介:黄万朋(1985),男,2006 年毕业于山东科技大学采矿工程专业,现任副教授、博士生导师,主要从事矿山岩体力学、矿山压力与岩层控制等
3、方面的研究工作。E-mail:。通讯作者:江东海(1987),男,博士,现任讲师。E-mail: DOI:10.13722/ki.jrme.2022.0302 双巷掘进留窄小煤柱布置方式及围岩双巷掘进留窄小煤柱布置方式及围岩 稳定性控制技术稳定性控制技术 黄万朋1,2,赵同阳1,江东海1,郭晓胜3,郑永胜4,王学文1(1.山东科技大学 能源与矿业工程学院,山东 青岛 266590;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013;3.山东能源淄矿集团 正通煤业,陕西 咸阳 713600;4.山东泰山能源有限责任公司 翟镇煤矿,山东 新泰 271204)摘要:摘要:为解决传统双巷
4、掘进资源采出率低和沿空掘巷采掘接替紧张难题,以翟镇煤矿下组煤一采区 11502 工作面为工程试验对象,创新性提出留窄小煤柱双巷同时掘进巷道的布置方法,同时构建小煤柱高强复合加固支护技术。采用理论分析、试验测试结合数值模拟等综合研究方法,对留窄小煤柱双巷掘进布置原理及煤柱加固支护技术进行深入研究探索。结果表明,双巷掘进留窄小煤柱技术能够实现采区工作面顺序接替,有效提高采区采出率;提出的小煤柱综合加固支护技术以超前断顶卸压、对穿锚索提高煤柱自身承载力以及钢管混凝土墩柱高强辅助加强支护为主体,避免了小煤柱过早进入塑性状态而发生整体失稳破坏,能够有效保持长期稳定。基于覆岩组合结构理论建立煤柱顶板结构力
5、学模型,研究煤柱上方支承压力分布规律与大小,建立双巷掘进小煤柱加固支护设计方法。通过数值模拟验证,该技术与传统沿空掘巷相比,能够更好地控制巷道围岩变形,煤柱体的帮鼓变形量和巷道变形量均得到了有效降低。关键词:关键词:采矿工程;沿空掘巷;小煤柱;双巷布置;对穿锚索;钢管混凝土墩柱 中图分类号:中图分类号:TD 32 文献标识码:文献标识码:A 文章编号:文章编号:10006915(2023)03061713 Arrangement of double entry driving with a narrow coal pillar in the middle and stability contr
6、ol technology of surrounding rock HUANG Wanpeng1,2,ZHAO Tongyang1,JIANG Donghai1,GUO Xiaosheng3,ZHENG Yongsheng4,WANG Xuewen1(1.College of Energy and Mining Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China;2.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utiliza
7、tion,Beijing 100013,China;3.Zhengtong Coal Mine,Shandong Energy Zikuang Mining Group Co.,Ltd.,Xianyang,Shaanxi 713600,China;4.Zhaizhen Coal Mine,Shandong Taishan Energy Group Co.,Ltd.,Xintai,Shandong 271204,China)Abstract:In order to solve the problem of low resource recovery rate of traditional dou
8、ble entry driving and tight replacement of gob-side entry driving,taking the 11502 working face of the first mining area of Lower group coal mine in Zhaizhen Coal Mine as the engineering test object,this paper innovatively put forward an arrangement method of double entry driving with a narrow coal
9、pillar in the middle,and constructed a narrow coal pillar high-strength composite reinforcement support technology.By adopting comprehensive research methods such as 618 岩石力学与工程学报 2023 年 theoretical analysis,experimental test combined with numerical simulation,the arrangement principle of double ent
10、ry driving with a narrow coal pillar and a narrow coal pillar reinforcement support technology are deeply researched and explored.The results show that the technology of double entry driving with a narrow coal pillar can realize the sequential succession of working faces and effectively improve the
11、recovery rate in the mining area.The technology of narrow coal pillar composite reinforcement support is mainly based on advanced broken roof and relieved pressure,the improvement the bearing capacity of the narrow coal column side by anchor cable through coal pillar,and the high-strength composite
12、reinforcement support of the concrete-filled steel tubular columns,which prevents the narrow coal pillars from prematurely entering a plastic state and then losing overall stability,and can effectively maintain long-term stability.Based on the combined structure theory of overburden rock,a coal pill
13、ar-roof structural mechanics model was established,the distribution law and magnitude of the abutment pressure above the coal pillar were studied,and a design method for the double entry driving with a narrow coal pillar reinforcement support was established.The numerical simulation proves that comp
14、ared with the traditional gob-side entry driving,this technology can better control the deformation of surrounding rock of roadway,and the deformation of coal pillar body and roadway have been effectively reduced.Key words:mining engineering;gob-side entry driving;narrow coal pillar;double roadway l
15、ayout;anchor cable through coal pillar;concrete-filled steel tubular columns 1 引引 言言 在传统的双巷掘进中,相邻区段间一般留设1530 m 的保护煤柱,能够保证工作面实现顺序回采,确保采掘接替正常;但这样不仅会造成煤炭资源的大量浪费,而且随着矿井开采深度的增加,宽煤柱易形成应力集中,引发煤柱型冲击地压灾害,给矿井生产带来巨大的安全隐患1-3。随着无煤柱开采技术的发展,越来越多的煤矿开始使用留窄小煤柱的沿空掘巷技术,基于侧向顶板断裂后形成的内外应力场理论4,该技术将下一工作面的巷道布置在上一个工作面采空区附近的应力
16、降低区内,留设35 m 的保护煤柱,这样不但提高了煤炭采出率,大大减少了资源浪费,而且有效的降低了煤柱型冲击地压危险。近些年来,许多学者对沿空掘巷围岩运动规律、小煤柱参数设计及加固技术等做了大量的分析与研究,得到了较多成果5-10。然而,虽然目前留窄小煤柱的沿空掘巷技术已经在现场得到成功应用,但仍然存在以下主要问题:首先,为降低动压影响,下一工作面巷道要在相邻工作面采空区覆岩运动稳定后才能开始掘进,这样就需要保持 68个月的掘巷滞后期,容易给矿井带来采掘接替紧张的问题;而且随着当前矿井开采强度的日益提高,这一问题在越来越多的矿井变得日益严重,成为制约矿井高效开采的瓶颈。其次,由于沿空掘进巷道距
17、离采空区较近,虽然小煤柱处于应力降低区,但侧向支承压力仍高于煤柱的承载能力,小煤柱容易发生变形破坏,而在当前的支护体系下,煤柱两侧的支护结构体(以锚杆为主)没有有效的力学联系11,难以提高煤柱承载力,而且两侧过多的锚杆索孔会破坏煤柱本身的整体性,小煤柱容易发生全宽度上的失稳破坏,因此,目前大多沿空掘巷的小煤柱存在帮鼓变形严重、煤壁出现整体滑移的现象,巷道不但会产生大变形12,还会造成采空区漏风和火灾等严重问题13。为解决上述技术难题,近年来,余学义等14-15也做了很多技术创新;王志强等16提出“超长推进距离工作面的双巷布置沿空掘巷顺采方法”,并确定了大、小煤柱尺寸等参数的计算依据;王 波等1
18、7-18针对对穿锚索加固作用下沿空掘巷留设煤柱承压性能进行了相关试验研究,分析了对穿锚索不同加固方式对煤柱破坏方式、承载力和变形量变化规律以及对对穿锚索应力变化规律的影响;黄万朋等19-20提出了钢管混凝土墩柱巷旁高强辅助支护结构,并对墩柱结构优化、力学性能等进行了深入的研究探索。综上,小煤柱的长期稳定性加固控制是沿空掘巷技术进一步推广发展所要解决的关键科学问题。基于此,本文提出一种以对穿锚索+钢管混凝土墩柱为主体的新型小煤柱复合加固高强支护技术,并创新性提出了留窄小煤柱的双巷掘进巷道布置方法。此方法将传统双巷掘进与沿空掘巷技术相结合,双巷掘进能够解决采掘接替紧张问题,留小煤柱则提高了煤炭采出
19、率,减少了资源损失。同时以双向对穿锚索+钢管混凝土墩柱为主体的新型复合加固支护技术,能够极大提高小煤柱的承载能力,解决小煤柱的长期稳定性控制问题,从而保证留小煤柱双巷掘进技术的可行性,为矿井创造较好的经济和社第 42 卷 第 3 期 黄万朋等:双巷掘进留窄小煤柱布置方式及围岩稳定性控制技术 619 会效益。2 工程背景介绍工程背景介绍 新汶矿区翟镇煤矿下组煤一采区主采 15 层煤,煤层埋深572636 m。煤层厚度平均 1.47 m,为稳定的中厚煤层,倾角平均 7,属于缓倾斜煤层。煤层上方直接顶为 0.551.05 m 的泥灰岩,硬度系数 7.0,岩层呈灰色,含较多的黄铁矿结核;基本顶为 6.
20、15 m 的粉砂岩,硬度系数 3.0,深灰色,上部富含植物根部化石及黄铁矿结核。基本顶以上赋存煤 14,厚度平均 0.42 m。翟镇煤矿下组煤工作面开采过程中,普遍采用留小煤柱的沿空掘巷技术,煤柱平均留设宽度为 45 m。由于工作面开采后上覆岩层剧烈运动,造成较大的支承压力集中,沿空巷道掘出后,小煤柱侧往往发生较大的帮鼓变形,如图 1 所示。图 1 翟镇煤矿下组煤传统沿空掘巷围岩变形 Fig.1 Deformation of surrounding rock of traditional gob-side entry driving in Zhaizheng Coal Mine 2.1 传统沿
21、空掘巷煤柱破坏分析传统沿空掘巷煤柱破坏分析 根据翟镇煤矿下组煤工作面开采情况,结合覆岩顶板结构及巷道支护参数设计,总结分析沿空掘巷小煤柱大变形原因如下:(1)小煤柱过早进入塑性状态,承载力降低 在翟镇煤矿传统沿空掘巷工程中,上一工作面开采时,第二工作面巷道尚未掘出,随工作面开采,侧向覆岩顶板深入实体煤侧断裂,建立力学结构图,如图 2 所示,在上一工作面开采过程中,煤层上方基本顶在实体煤侧断裂,以断裂线为界煤体上方支承压力演化为内外 2 个应力场4,21。处于内应力场的煤体基本已经处于塑性状态,承载力大大降低。根据现场实测分析,该内应力场范围约为采空区向煤体侧 57 m。在该应力场内,当下一工作
22、面沿空巷道掘出后,本身已经处于塑性状态的煤柱体进入单侧无约束另一侧小约束的受力状态,煤体强度降低至残余强度,自身承载力进一步降低。因此,小煤柱过早进入塑性状态,承载力降低是造成后期沿空掘巷煤柱帮鼓大变形的一个主要因素。(2)煤柱支护体布置不合理,不能有效提高煤柱承载力 传统沿空掘巷小煤柱两侧支护体结构布置如图 3所示,小煤柱两侧主要以锚杆支护为主22。由于煤柱两侧巷道在掘进时间上具有一定滞后性,因此煤柱两侧支护结构的施加同样具有时间上的不协调性,煤柱两侧支护体相互之间不能形成有效的力学联系,因此对煤柱本身的承载力提高作用有限。如图 3 所示,煤柱两侧锚杆的端头均锚固于煤柱近中央位置,另一端紧固
23、于煤柱侧壁。由于煤柱本身已经提前进入塑性状态,内部裂隙较为发育,无有效的中央弹性核区,因此在锚固端无法提供有效着力点,致使锚杆本身无法达到良好的支护状态,支护强度较低。图 2 沿空掘巷小煤柱应力状态 Fig.2 Stress state of narrow coal pillar in gob-side entry driving 1.47 m1.50 m0.551.05 m5.46.9 m基本顶岩块A外应力场直接顶内应力场岩块B岩块C掘巷位置塑性区小煤柱57 m采空区 620 岩石力学与工程学报 2023 年 图 3 煤柱两侧支护结构分析 Fig.3 Analysis of supporti
24、ng structure on both sides of coal pillar 综合上述分析,翟镇煤矿下组煤一采区留设的区段小煤柱,由于巷道布置及支护设计两大因素的不合理性,导致小煤柱的承载力低于上覆岩层带给其的支承压力,最终引起了小煤柱帮鼓等大变形现象的发生。2.2 工作面沿空掘巷概况工作面沿空掘巷概况 针对上述情况,为解决传统沿空掘巷小煤柱承载力低造成的帮鼓大变形问题,决定在翟镇煤矿下组煤一采区以11502 工作面为工程试验对象,开展双巷掘进留窄小煤柱围岩稳定性控制新技术的研究。11502 工作面位于翟镇井田后组一采区西部,北邻 11503 工作面,正在开采,南临 11501 工作面,
25、正在设计,西邻矿井边界,东至后十五层轨道下山,工作面采掘工程平面图如图 4 所示。工作面走向推进长度 945 m,倾斜长度 120 m。11502 工作面设计时,其下部轨道平巷与 11501 工作面上部运输平巷同时施工,采用双巷掘进留窄小煤柱技术布置,中间留设煤柱设计宽度 4 m。11502 工作面轨道巷设计宽度 4.2 m,高度 2.6 m;11501 工作面运输巷设计宽度 4.0 m,高度 2.6 m。两巷间设计采用对穿锚索+钢管混凝土墩柱的支护技术方案进行煤柱加固。工作面围岩结构柱状图如图 5 所示。3 双巷掘进留窄小煤柱技术原理双巷掘进留窄小煤柱技术原理 3.1 留窄小煤柱的双巷掘进巷
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