大埋深综采煤层沿空留巷变形联合控制技术.pdf
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1、90formation in large buried depth fully mechanized coal seamJ.Safety in Coal Mines,2023,54(8):90-98.移动扫码阅读GUO Chao,WANG HanqingLlXinwaet al.Combined control technologside entry retaining de-20054(8):90-98.郭超王汉青,李新旺,等.大埋深综采煤层沿空留巷变形联合控制技术 J.煤矿安全,2 0 2 3,Safetyin Coal Mines2023年8 月Aug.2023煤防岁全第54卷No.8第
2、8 期Vol.54D0I:10.13347/ki.mkaq.2023.08.002大埋深综采煤层沿空留巷变形联合控制技术郭超!,王汉青2.3,李新旺2.3,程立朝2,3(1.冀中能源峰峰集团梧桐庄矿,河北邯郸0 56 2 0 0;2.河北工程大学矿业与测绘工程学院,河北邯郸0 56 0 38;3.河北工程大学河北省高校煤炭资源开发与建设应用技术研发中心,河北邯郸0 56 0 38)摘要:为了解决大埋深综采煤层沿空留巷围岩变形问题,以梧桐庄煤矿1 8 2 6 0 5工作面为工程背景,通过现场调研、理论分析与方案设计,提出了“巷道超前补强加固支护+切顶卸压爆破技术+高水材料沿空留巷巷旁支护”联合控
3、制技术体系,并结合现场实测数据验证了该方案的可行性。工程实践表明:联合控制支护体系实施后,对巷道围岩的变形起到了有效控制作用,截止距离工作面开切眼2 9 3m时,两帮移近量和顶底板移近量呈现先上升后逐渐减小,最终趋于平稳;受损单体液压点柱仅占比4.1%;该技术已成功实施沿空留巷6 40 m,巷道变形控制在允许变形范围内,整体留巷效果较好。关键词:大埋深;切顶卸压;高水材料;联合控制支护;沿空留巷中图分类号:TD353文献标志码:B文章编号:1 0 0 3-49 6 X(2 0 2 3)0 8-0 0 9 0-0 9Combined control technology of gob-side
4、entry retaining deformation inlarge buried depth fully mechanized coal seamGUO Chao,WANG Hanqing3,LI Xinwang*,CHENG Lichao2.3(1.Jizhong Energy Fengfeng Group Wutongzhuang Mine,Handan 056200,China;2.School of Mining and Geomatics Engineer-ing,Hebei University of Engineering,Handan 056038,China;3.Coal
5、 Resources Development and Construction Application Technol-ogy Research Center of Universities in Hebei Province,Hebei University of Engineering,Handan 056038,China)Abstract:In order to solve the problem of large deformation of surrounding rock in gob-side entry retaining in fully mechanizedcoal se
6、am with large buried depth,taking the 182605 working face of Wutongzhuang Coal Mine as the engineering background,through field investigation,theoretical analysis and scheme design,a combined control technology system of“roadway advancedreinforcement support+roof cutting pressure relief blasting tec
7、hnology+high water material gob-side entry retaining support isproposed,and the feasibility of the scheme is verified by field measured data.The engineering practice shows that after theimplementation of the combined control support system,the deformation of the surrounding rock of the roadway has p
8、layed aneffective control role.When the cut-off distance is 293 m from the open-off cut of the working face,the convergence of two-sideand the roof and floor convergence increase first and then decrease gradually,and finally tend to be stable.The damaged singlehydraulic point column only accounts fo
9、r 4.1%;the technology has been successfully implemented to retain 640 m roadway alonggoaf,and roadway deformation is controlled within the allowable deformation range,and the overall roadway retention effect isgood.Key words:large buried depth;roof cutting pressure relief;high water material;joint c
10、ontrol support;gob-side entry retaining收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 7责任编辑:朱蕾基金项目:河北省自然科学基金资助项目(E2020402075,E2022402014);河北省高等学校科学技术研究资助项目(ZD2022074)作者简介:郭超(1 9 8 7 一),男,河北邯郸人,硕士,主要从事煤矿充填开采、矿山压力等科研工作。E-mail:91Safetyin Coal MinesAug.20232023年8 月Vol.54煤砺发全No.8第8 期第54卷传统的留设煤柱、沿空掘巷开采方式用于大埋深煤层,极易导致因应力集中造成围岩大变形、巷道失稳
11、等,从而降低了巷道二次利用率 1-2 。随着沿空留巷无煤柱开采技术的不断推广,在解决煤炭资源回收率、沿长矿井服务年限等方面取得了很好的应用效果 3-4。众多学者围绕着沿空留巷围岩稳定性问题开展了大量的研究。王方田等 5、许旭辉等 6 、王炯等7 利用理论建模研究、数值模拟和现场实测,研究了切顶卸压时锚索补强支护对围岩稳定性的控制,确定了随坚硬顶板厚度变化的合理切顶参数,并建立了切顶与未切顶留巷后围岩变形的力学模型;吕维赞等 8 赵志鹏等 9 通过数值模拟和理论计算,分析了切顶留巷后围岩的竖向位移及集中应力分布规律,以及不同双向聚能爆破参数下岩石裂纹扩展规律;宋江涛 1 0 利用数值模拟方法,模
12、拟了巷旁充填体不同尺寸、强度对控制巷道变形的影响因素,结果表明选用水灰比为1.5的高水材料充填体能够起到巷旁结构的稳定性;徐筝等 通过实验室试验研究了高水材料充填体的水灰比和充填体积,获得了最优支护强度,有效的满足了支撑上覆岩层荷载要求。上述研究促进了沿空留巷技术的发展,有效解决了在无煤柱开采时沿空留巷围岩的大变形及稳定性问题,对围岩的支护形式提供了思路。但面对大埋深煤层,由于地质条件复杂和地应力高的原因,围岩变形控制难度加大,单体系或2 种组合支护体系很难完全解决。为此,以梧桐庄煤矿1 8 2 6 0 5工作面为研究背景,通过理论分析、联合控制方案设计及实际应用对大埋深煤层条件下的沿空留巷围
13、岩变形进行了研究,以期为类似条件下矿井的沿空留巷技术提供借鉴方案。1乡综采工作面沿空留巷覆岩变形特征分析大埋深煤层综采工作面不同于浅埋煤层,最大的区别在于地质条件复杂、开采难度加剧及地应力增大等特点。在工作面不断推进过程中,上覆岩层应力和位移易发生变化,使得工作面后方顶板会出现大面积“悬臂梁”现象,从而造成巷道大变形及稳定性降低,引起矿井地质危害发生 1 2-1 3。未切顶后围岩结构如图1。基本顶岩块A岩块B岩块C直接顶岩块D实体煤巷道挤压变形充填体图1未切顶围岩结构Fig.1Structure of uncut surrounding rock从图1 可知:对于未切顶围岩结构,在基本顶岩块回
14、转变形过程中关键块及其上覆直接顶的荷载主要由下方实体煤和巷旁充填体共同承担,此时处于早期活动状态的阶段性垮落;随着工作面持续推进,直接顶的垮落基本完成且出现较大的断裂现象,并延伸影响至实体煤,此时顶板岩层活动处于中期活动阶段;当“悬臂梁”跨距达到极限垮落以及顶板超过顶板承受的极限荷载时,基本顶(岩块B、岩块C和岩块D)和直接顶大面积垮落,远远超过了巷旁充填体及浅部实体煤的承载能力,导致巷道发生极大的变形破坏,此时处于上覆岩层垮落的最终活动阶段。上述分析说明在大埋深煤层情况下只仅限于沿空留巷巷旁支护体来控制围岩的稳定性是远远不够的,实体煤和巷旁充填体始终处在高应力区。所以,衍生出切顶卸压技术切断
15、上覆顶板一定高度内的岩层,使围岩应力得到释放来缓解实体煤和巷旁充填体承载压力,从而达到巷道稳定安全目的。切顶后围岩结构图如图2。从图2 可以看出:在切顶后,顶板岩块B和岩块C断裂,减少工作面顶板侧向支撑压力的影响范围,降低了因“悬臂梁”过长导致侧向顶板失稳的产生,从而缓解高地压现象。2综采工作面沿空留巷围岩变形联合控制技术通过对沿空留巷切顶与未切顶前后的围岩结构:9 2SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤矿发全第54卷第8 期切顶角度基本顶岩块A岩块B直接顶岩块C实体煤巷道充填体图2切顶后围岩结构Fig.2Surrounding rock
16、structure after roof cutting特征分析可以看出,未采用切顶卸压技术进行沿空留巷时,极易导致巷道收缩、实体煤的煤帮向巷内鼓胀和巷道上方直接顶出现回转下沉变形等现象,同时也增加了巷道在二次使用时的修复难度。从矿井长期生产安全的角度考虑,为了使大埋深煤层沿空留巷后围岩长期稳定,提出了“巷道超前加固支护(锚索槽钢补强支护和单体支柱)+切顶卸压爆破技术+高水材料沿空留巷巷旁支护”的联合控制支护技术。2.1巷道超前加固支护随着煤层开采的进行,上覆岩层受扰动应力重新分布,巷道围岩的支撑压力也会随之增大 4。首先受到影响是靠近沿空留巷一侧的实体煤发生碎胀变形及破坏,并向煤体内部扩展。
17、对于大埋深煤层,实体煤帮作为承受上部覆岩荷载的重要组成部分,其对巷道的稳定性起到关键作用,若对其支护力度不够,很容易造成围岩的挤压失稳破坏,极大缩短了巷道的使用寿命,甚至无法再次使用。为了防止实体煤帮和直接顶发生变形,在原巷道支护的基础上增加锚索补强支护,并沿巷道另一侧加设单体支柱,以增强实体煤和直接顶的抗挤压能力和承载力。根据超前支撑压力分布规律和煤体物理分布形态,可划分为极限平衡区、弹性区和稳压区 1 5-1 6 。煤壁前方应力分布如图3。Hedy基本顶直接项极限实体煤稳压区弹性区二巷道平衡区图3煤壁前方应力分布Fig.3Stress distribution in front of co
18、al wall根据极限平衡理论1 7 ,巷道两侧的煤帮最大平衡宽度xo如下:CoKpgH+M入tan2tan。(1)nCoPXtan入式中:M为留巷高度;入为侧向压力系数;co与分别为煤体与岩体交界处的黏聚力和内摩擦角;Px煤帮支护强度;K为最大采动应力集中系数;p为上覆岩层平均密度;H为采深由式(1)可知,缩小最大平衡区宽度有效的方式是加强煤体与岩体交界处的黏聚力和煤帮支护强度。为了保证煤帮对顶板有足够的支撑压力,应采用锚索锚固于稳定的煤帮中。同时,使得最大平衡区宽度要小于锚索长度,可用下式进行计算:L,=Lp+Lm+xo(2)式中:L。为锚索长度,m;L为锚索外露长度,取0.20.3m;L
19、m为锚固端长度,取1.6 5m。根据悬吊理论 1 8 可知,巷道顶板加强锚索的直径、长度和间距等可用下式计算:93Safetyin Coal Mines2023年8 月Aug.2023煤砺发全No.8Vol.54第8 期第54卷按杆体破断力与锚固力等强度原则计算的锚索直径d为:d=1.131Q(3)式中:d为锚索直径,mm;Q为锚索破断力,kN;.为杆体材料的设计抗拉强度,MPa。锚索长度L,确定为:L,=Lg+L,+Lb+Lh(4)式中Lg为锚索锚固长度,m;L为岩层厚度,取11m;Lp为锚索外露长度,m;L为托盘和锚具的厚度,m。锚索间距确定:nF(5)as2F,sin WrHrpg-式中
20、:n、a s 分别为锚索排数和排距,m;F2为单根锚索的最大承载能力,kNWR、H R分别为顶板垮落宽度和高度,m;ag为锚杆排距,m;Fi为锚杆锚固力,kN;0 为角锚杆的夹角。2.2切顶卸压爆破技术聚能爆破预裂技术 1 9 主要是利用聚能装药装置,该装置可以一定范围内聚合形成聚能效应,从而使给定方向上的张拉应力集中,促使在选定的上覆岩层中产生预裂面。同时,在聚能装置的作用下孔壁的受损得以减小,最大限度阻止了非特定方向的裂缝发展趋势,减少了非特定方向上岩体的破坏。聚合物装置主要由专用PVC管研制形成,对于不同强度和理化性质的岩石,设计强度差异很大。采用该技术可在采前一定距离内提前预制裂隙顶板
21、,使得采空区顶板沿预制裂隙塌,以缩短悬臂长度,从而调整顶板应力分布结构,在一定程度上减小了实体煤对顶板的支撑压力,保证留巷的完整性。2.3高水材料沿空留巷巷旁支护对于大埋深煤层的沿空留巷,采用充填体作为巷旁支护体较为合适 2 0 。选用高水材料作为巷旁支护体,具有增阻效果好、早期强度高和易施工等优点。沿空留巷高水材料巷旁支护形式如图4。基本顶直按项煤层巷道高水材料巷旁支护图4沿空留巷高水材料巷旁支护示意图Fig.4 High water material roadside support diagram ofgob-side entry retaining在充填体变形方面,高水材料具有足够的抗
22、横向变形能力,能够有效控制留巷后顶板旋转下沉的作用。与其他的巷旁充填技术相比,技术经济优势显著且注浆充填工艺简单便捷。2.4大埋深综采煤层沿空留巷联合支护体系基于上述分析各个支护技术的特点,决定在梧桐庄煤矿1 8 2 6 0 5工作面采用“巷道超前加固支护(锚索槽钢补强支护和单体支柱)+切顶卸压爆破技术+高水材料沿空留巷巷旁支护”联合控制技术对巷道进行支护。沿空留巷联合支护工艺流程如图5。铺素铺素锚索基本顶基本顶基本项超前切缝钻孔超前切缝钻孔韧落后形成煤层煤层煤层采空区煤层底板底板铺杆单体支柱底板锚杆单体支柱巷旁充填体(a)工作面形成后初期支护(b)工作面超前支护与切顶(c)切顶完成后留巷加固
23、图5沿空留巷联合支护工艺流程Fig.5Combined support process of gob-side entry retaining具体实施步骤如下。1)在工作面系统形成之后,在巷道直接顶和基本顶上采用锚索钢槽进行超前加固支护,确保切顶及采动时巷道顶板及两帮不受其影响,如图5(a)。2)支护完成后,在超前工作面一定距离内钻人爆破孔,采用双向聚能爆破预裂技术在采空区顶板侧向方向上预制裂隙面。煤层工作面采后,紧接着在爆破面下端布设单体支柱以承载上部压力,便于94Safety in Coal Mines2023年8 月Aug.2023第54卷No.8Vol.54煤防发全第8 期巷旁充填体的
24、成型。随着开采不断进行,采空区空间逐渐增大,为了减弱顶板“悬臂梁”结构对另一侧的煤帮的影响,利用锚杆对煤帮进行加固,如图5(b)。3)超前支护与切顶完成后,紧随工作面回采进度,在单体支柱的外侧布设巷旁充填袋,并进行高水材料注浆充填加固,待巷旁充填墙体具有一定强度时,配合巷道原有支护体系共同控制其围岩稳定性,最大限度维持巷道的二次使用,如图5(c)。3现场工程应用3.1工程地质概况梧桐庄煤矿1 8 2 6 0 5工作面位于井下六采区2#煤层,北为南翼运输巷和1 8 2 1 0 1 里下采空区,南为182603和1 8 2 6 0 2 外采空区及1 8 2 6 0 3外工作面,西为1 8 2 7
25、0 5工作面和设计的1 8 2 7 0 6 工作面,东为六采运输巷。煤层厚度为3.45m,且煤厚整体变化不大,煤层埋深为58 0 7 51.5m。基本顶厚度为3.30m,直接顶厚度为5.7 1 m,基本底厚度为8.9 0 m,直接底2.40 m。顶底板岩层特征见表1。表1顶底板岩层岩性特征Table 1JLithologic characteristics ofroof and floor strata顶底板岩石厚度/岩性特征岩层名称m中粒灰色,由石英长石褐色矿物组成,夹薄层粉砂基本顶3.30砂岩岩,显炭质缓波状层理,具植物根部化石粉砂直接顶5.71深灰色,具植物化石及片状黄铁矿岩煤层2#煤3
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