中厚煤层综采面切顶沿空留巷围岩控制技术研究.pdf

2023 年第 8 期2023 年 8 月沿空留巷技术是通过采用一定技术手段，将本阶段的回采巷道保留下来，作为下一区段回采巷道使用。从应用情况来看，该技术属于无煤柱开采护巷技术，在提升煤炭资源采出率、降低煤矿开采成本、提升煤矿开采安全性等方面有着积极作用。从沿空留巷的具体实践来看，需要精准把控好采空区上方顶板预裂切缝、保证留巷安全可靠等方面的技术要点。1工程概况九里山矿东二工作面主采煤层二1煤层，平均厚度为 2.2 m。该煤层属于单斜构造，倾角平均为 12毅。从现场瓦斯勘察情况来看，绝对瓦斯涌出量为 24.8 m3/min。煤层自燃倾向性分类为类，属于不易自燃煤层。图 1为九里山矿东二工作面综合柱状图。从九里山矿开采情况来看，不仅有采掘接替紧张问题，还出现了工作面上隅角瓦斯积聚、工作面瓦斯涌出量较大的问题。本次在东二工作面进行了沿空留巷试验，将东二工作面运输巷道保留下来，作为下阶段开采的回风巷道1。2巷道原支护分析东二工作面设计沿着二1煤层顶板布置，矩形断面，采用锚网索联合支护方式，各个支护参数如图 2 所示。收稿日期：2022-12-20作者简介：张磊袁 1987 年生袁 男袁 河南焦作人袁 工程师袁 主要从事煤矿生产尧 煤炭洗选工作遥中厚煤层综采面切顶沿空留巷围岩控制技术研究张磊（河南焦煤能源有限公司九里山矿，河南 焦作 454350）摘要：采掘接替紧张是制约煤矿高质高效开采的重要问题之一袁 同时袁 巷道围岩变形控制难度随着煤矿开采深度的增加而不断提升遥 将九里山矿东二工作面作为研究对象袁 通过采用理论分析尧 现场试验等方式袁 重点分析了沿空留巷情况下上覆岩层运动变形情况袁 并结合工作面地质条件袁 提出了围岩控制技术要点遥 通过研究得到袁 在对东二工作面巷道进行沿空留巷时袁 可采用顶板补强支护尧 挡矸防护尧 滞后支护尧 采空区侧强制切顶卸压等方式袁 对巷道围岩进行强化控制遥 从现场实践来看袁 采取复合型稳定控制措施后袁 顶板最大下沉量和底板最大鼓起量均在 100 mm 左右袁 实体煤帮的最大移近量在 130 mm 左右袁 采空区侧煤帮的最大移近量在 100 mm 左右遥 巷道变形量均处于合理范围内袁 取得了较好的留巷效果袁 对类似情况下选择应用沿空留巷技术有一定的借鉴意义遥关键词：中厚煤层曰 综采面曰 切顶曰 沿空留巷曰 围岩控制技术中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)08-0074-04Surrounding Rock Control Technology of Roof-cutting Gob Side Entry Retainingof Fully-mechanized Mining Face in Medium-thick Coal SeamsZHANG Lei(Jiulishan Coal Mine,Henan Coking Coal Energy Co.,Ltd.,Jiaozuo 454350,Henan,China)Abstract:The tension of mining and excavation replacement is one of the important problems restricting the high-quality andefficient mining of coal mines.Meanwhile,the difficulty of deformation control of roadway surrounding rock is increasing with theincrease of mining depth.Taking the East No.2 working face of Jiulishan Coal Mine as the research object,through theoreticalanalysis and field test,the motion deformation of overlying strata under the condition of gob side entry retaining was analyzed,andcombining with the geological conditions of working face,the key technical points of surrounding rock control were put forward.According to the study,when conducting gob side entry retaining in the roadway of the East No.2 working face,roof strengtheningsupport,gangue retaining protection,hysteretic support,goaf side forced roof cutting pressure relief and other methods can beadopted to strengthen the control of roadway surrounding rock.From the field practice,after taking compound stability controlmeasures,the maximum subsidence of the roof and the maximum bulking of the floor were about 100 mm,the maximumapproaching amount of the solid coal wall was about 130 mm,and the maximum approaching amount of the coal wall at the goafside was about 100 mm.The deformation of roadway was within a reasonable range,and a good roadway retention effect wasobtained,which has certain reference significance for selecting gob side entry retaining technology under similar circumstances.Key words:medium-thick coal seam;fully-mechanized mining face;roof cutting;gob side entry retaining;surrounding rockcontrol technology（总第 215 期）技术研究742023 年 8 月2023 年第 8 期图 1九里山矿东二工作面综合柱状图3切顶沿空留巷技术在本次切顶沿空留巷时，主要以“砌体梁”理论为基础，在工作面前一定距离使用预裂爆破的方式，对巷道顶板实施定向预裂爆破，将巷道上方基本顶与采空区上方基本顶的联系有效切断，并充分利用岩石碎胀性和围岩压力，推动采空区顶板达到自然冒落、垮塌的效果，最终在挡矸结构的位置形成矸石帮，作为回采巷道保留2。图 3 为切顶沿空留巷工艺流程图。单位：mm图 2巷道原支护设计示意图图 3切顶沿空留巷工艺流程图具体操作流程为：1)在工作面前一定距离对巷道采取补强支护措施，提升巷道顶板、两帮的稳定性。2)在回采开始后，在工作面前方一定距离的巷帮位置设置爆破切顶钻孔，实现对顶板的超前预裂爆破，形岩层名称柱状层厚/m岩性描述泥岩中粒砂岩泥岩细粒砂岩砂质泥岩泥岩2 号煤泥岩粉砂岩3.53.82.51.86.40 0.52.23.54.5含粉砂质，深灰色灰色，局部含灰色泥质斑块及泥质条带灰黑色，中厚层状深灰色，含黑色泥质斑块灰黑色，厚层状灰黑色，厚层状黑色，光亮型亮煤为主，玻璃光泽，条带状结构黑色，厚层状，含植物化石灰色，厚层状，含黑色的泥质条带锚索规格：椎18.9 伊 7 300，1 根锚杆间排距：900 伊 1 000高强锚杆规格：椎22-M24-2 400锚杆间排距：900 伊 1 000玻璃钢锚杆规格：椎18-M20-1 800锚杆间排距：900 伊 1 000900900900900400400煤柱帮回采帮沿空留巷芋域玉基本顶直接顶基本顶直接顶补强锚索工作面采空区切顶线直接顶基本顶 补强锚索切顶线芋域玉(a)工艺流程平面(b)玉玉剖面(c)域域剖面(d)芋芋剖面张磊：中厚煤层综采面切顶沿空留巷围岩控制技术研究752023 年第 8 期2023 年 8 月成切顶线。3)在工作面完成回采后，在支架后端头的位置布置 U 型钢或者工字钢，达到挡矸支护的效果。对于留巷段，在支护时，设计采用工字钢与单体支柱配合支护的方式，随着回采工作面的不断推进，巷道顶板岩石垮落形成巷帮。4)在顶板充分垮落后，巷道围岩结构逐渐稳定，技术人员将留巷中的单体支柱有序撤回，并对采空区侧的巷道进行喷浆，或者在挡矸防护的过程中，选择使用篷布隔离或者编织袋隔离的方式，与采空区有效隔绝，从而完成留巷。选择使用这种方式，在工作面回采时，巷道产生的变形量相对较小，安全系数较高，煤炭采出率也相对较高3。4沿空留巷围岩控制技术原理4.1围岩变形特征在沿空留巷的条件下，随着工作面的不断推进，直接顶会率先垮落，基本顶随之开始弯曲下沉，随着弯曲程度的不断提升，基本顶在出现破断后会与采空区矸石接触。随着工作面的不断推进，基本顶回转下沉量增加，采空区中的矸石也会不断被压实，顶板岩层受到的支护阻力增加，逐渐进入平衡状态。最终形成沿空留巷上覆岩层稳定结构，如图 4 所示。图 4沿空留巷上覆岩层结构示意图4.2沿空留巷围岩稳定性控制措施结合本次沿空留巷特点，在对围岩进行稳定性控制时，主要从以下三方面入手。1)在采空区侧进行强制切顶。在工作面前方一定范围的巷道回采侧选择使用预裂爆破的方式，将基本顶切断，有效阻断岩层之间的联系，降低工作面回采时采空区顶板给巷道带来的扰动影响，在工作面完成回采后，巷道上方顶板可以形成短壁梁结构。2)在沿空留巷中对顶板进行加固。本次在开始回采之前，在留下的巷道中采用了补打锚杆的方式，全面加强支护，更好地保证巷道顶板的完整性。对于巷道中的基本支护，本次选择使用强度相对较高的锚杆与单体支柱配合，或者选择使用垛式支架联合支护系统，实现对围岩扩容变形的有效控制，严防出现顶板离层，对于煤帮鼓出的问题也可以实现有效抑制，提升围岩整体的完整性4。3)采取挡矸防护措施。在工作面不断推进的过程中，会在工作面后方产生采空区，顶板在采空区上方会出现周期破断，因此，工作面会出现周期来压。矸石在采空区中，存在进入巷道的可能性，对巷道正常使用产生负面影响。所以，在本次支护时，在采空区侧采取了挡矸防护措施，主要是在过渡支架沿切缝的位置，将挡矸设备布置到其中，顶板矸石在垮落后会沿着切缝的方向形成巷帮5。5现场应用分析5.1沿空留巷支护方案为了保证东二工作面在选择实施沿空留巷后巷道围岩可以取得较好的控制效果，在本次对巷道顶板进行切缝后，紧接着进行顶板补强支护，两者之间的最大距离应当控制在 30 m 范围之内。从九里山矿巷道支护实践来看，本次在对巷道进行支护时，设计使用“主动支护+被动支护”相结合的支护方案，其中，锚索补强支护属于主动支护，在巷道走向方向开展架棚支护属于被动支护。1)对顶板进行补强支护。以巷道原支护为基础，选择使用高预应力锚索进行补强支护，支护参数为椎21.6 mm13 300 mm，每排设置 1 根，垂直打设，排距设计为 1 000 mm。在被动支护时，选择使用型梁棚进行强化支护，长度设计为 1 200 mm，方式设计为“一梁两柱”，间距设计为 600 mm。为了提升单体液压支柱支护效果，所有支柱均穿铁鞋。顶板补强支护示意图如图 5 所示。2)挡矸防护措施。通过在过渡支架的后方将挡矸设备设置到位的方式，严防矸石进入巷道，最大限度地预防采空区侧巷道帮部出现变形。在对本次挡矸进行防护时，主要选择使用的是铺设挡矸金属网配合使用 U 型钢或者工字钢。在具体施工时，挡矸防护施工应当在过渡支架支护后紧接着进行。从东二巷道实际特点出发，本次挡矸防护设计的方案为“木板背帮+U 型钢支架+挡矸金属网”6。挡矸支护示意图如图 6 所示。3)滞后临时支护。本次滞后临时支护设计采用型梁与单体液压支柱联合支护的方式，形成抬棚，实现对顶板的有效支撑，最大限度地降低顶板产生的下沉量。在具体施工时，挡矸支护和滞后临时支护同步施工。在工作面滞后 200 m 左右的位置属于临时支护范围，选择使用型梁与单体液压支柱联合支护的方式。具体支护参数为：顶梁使用型梁，长度为 1 200 mm，沿巷道走向的方向进行布置，一个型梁配合使用两个液压支柱，间距设计为 1 000 mm，排距设计为 600 mm，在布置时，采用与 U 型钢间隔布置的方式。留巷块体 A块体 C块体B切顶线顶板补强支护煤帮采空区762023 年 8 月2023 年第 8 期900900900900400滞后临时支护示意图如图 7 所示。5.2沿空留巷支护效果分析在对东二巷道采取支护措施后，在巷道中使用位移监测等方式，对巷道稳定性进行了全面监测，得到了巷道变形曲线，如图 8 所示。通过对图 8 进行分析可知，在沿空留巷 60 m 的范围内，巷道受到周期来压、回采动压影响较大，出现了相对较大的变形；在沿空留巷 60120 m 的范围内，巷道整体的变形相对较平缓；在超过 120 m 后，周期来压、回采动压对巷道稳定性产生的影响较小，巷道稳定性提升明显。通过测量数据可知，顶板最大下沉量和底板最大鼓起量均在100 mm 左右，实体煤帮的最大移近量在 130 mm 左右，采空区侧煤帮的最大移近量在 100 mm 左右。巷道实际支护效果如图 9 所示。随着工作面的不断推进，直接顶悬露的长度在不断增大，在达到巷道顶板断裂的步距时，直接顶逐步断裂。通过现场勘察得到，在直接顶断裂时，巷道整体较为稳定，取得了较好的支护效果，特别是对巷道内的压力实现了有效缓解的目标，确保了沿空留巷的稳定性。图 5顶板补强支护示意图单位：mm单位：mm图 8巷道变形曲线图图 6挡矸支护示意图图 7滞后临时支护示意图单位：mm单位：mm锚索规格：椎21.6 伊 13 300 钢绞线锚索排距：1 000，每排 1 根锚索规格：椎18.9 伊 7 300，1 根锚杆间排距：1 800 伊 2 000高强锚杆规格：椎22-M24-2 400锚杆间排距：900 伊 1 000玻璃钢锚杆规格：椎18-M20-1 800锚杆间排距：900 伊 1 000挡矸金属网3 000 伊 1 100密集挡矸柱 36U型钢，间距 500煤柱帮采空区侧切顶线锚索规格：椎21.6 伊 13 300 钢绞线锚索排距：1 000，每排 1 根锚索规格：椎18.9 伊 7 300，1 根锚杆间排距：1 800 伊 2 000高强锚杆规格：椎22-M24-2 400锚杆间排距：900 伊 1 000挡矸金属网3 000 伊 1 100密集挡矸柱 36U型钢，间距 500煤柱帮采空区侧900900900900400走向仪型梁棚：仪型梁长 1 200，一梁两柱，单体柱间距 600切顶线锚索规格：椎21.6 伊 13 300 钢绞线锚索排距：1 000，每排 1 根锚索规格：椎18.9 伊 7 300，1 根锚杆间排距：1 800 伊 2 000高强锚杆规格：椎22-M24-2 400锚杆间排距：900 伊 1 000玻璃钢锚杆规格：椎18-M20-1 800锚杆间排距：900 伊 1 000900 900 900 900400400走向仪型梁棚：仪型梁长 1 200一梁两柱，单体柱间距 600煤柱帮回采帮(a)补强支护断面切顶线切顶线锚索规格：椎18.9 伊 7 300，1 根锚索间排距：1 800 伊 2 000高强锚杆规格：椎22-M24-2 400锚杆间排距：900 伊 1 000锚索规格：椎21.6 伊 13 300 钢绞线锚索排距：1 000，每排 1 根走向仪型梁棚：仪型梁长 1 200一梁两柱，单体柱间距 600(b)补强支护平面90090090090040040014012010080604020实体煤帮移近量；采空区帮移近量；顶板下沉量；底鼓量。12016020024028040800距工作面煤壁距离/m（下转第 97 页）张磊：中厚煤层综采面切顶沿空留巷围岩控制技术研究772023 年 8 月2023 年第 8 期图 9巷道实际支护效果图6结束语对切顶卸压方式下沿空留巷的具体原理进行了分析，研究了沿空留巷情况下巷道变形特点。从沿空留巷情况来看，巷道围岩稳定性与巷道上覆岩层运动特征、围岩所处应力场等因素有直接关系。从覆岩活动特点出发，为了更好地保证沿空留巷的稳定性，在对巷道进行支护时，本次重点从顶板补强支护、挡矸防护、滞后支护、强制切顶等方面采取了针对性强化措施。在采取沿空留巷支护措施后，对巷道变形情况进行了现场监测。从监测结果来看，顶板最大下沉量和底板最大鼓起量均在 100 mm 左右，实体煤帮的移近量在 130 mm 左右，采空区侧的煤帮移近量在 100 mm 左右，巷道变形量均处于合理范围内。这表明在采取上述支护措施之后，巷道稳定性得到了较好的保障，对类似巷道支护有一定的借鉴作用。参考文献：1郑立军，王文，张广杰.高应力综放工作面切顶卸压沿空留巷开采技术研究 J.河南理工大学学报（自然科学版），2021，40(6)：43-53.2李春意，高永格，陈洁，等.大采高沿空留巷围岩稳定性及形变规律分析 J.地下空间与工程学报，2021，17(3)：897-908.3王方田，尚俊剑，赵宾，等.切顶卸压沿空留巷围岩结构特征及锚索强化支护技术 J.岩石力学与工程学报，2021，40(11)：2296-2305.4王炯，刘鹏，姜健，等.切顶卸压沿空留巷回采工作面 Y 型通风漏风规律研究 J.采矿与安全工程学报，2021，38(3)：625-633.5冯国瑞，任玉琦，王朋飞，等.厚煤层综放沿空留巷巷旁充填体应力分布及变形特征研究 J.采矿与安全工程学报，2019，36(6)：1109-1119.6张自政，柏建彪，陈勇，等.浅孔爆破机制及其在厚层坚硬顶板沿空留巷中的应用 J.岩石力学与工程学报，2016，35（增刊1）：3008-3017.（编辑：刘晓芳）(a)巷道支护效果（一）(b)巷道支护效果（二）工作面端头支架后 2 m 起，不得出现完整顶板。工作面推采过程中严格落实两巷超前退锚措施，上下隅角采空区顶板可跟进冒落，23215 综采工作面的周期来压步距设成 912 m，工作面周期来压期间可保证隅角顶板完整冒落。工作面端头支架后方隅角悬顶，不得超过3 m10 m（巷道宽巷道长），其中巷道长自切顶线开始计算（切顶线为支架顶梁与后部掩护梁的交线）。若超过此距离，根据现场条件在端头支架后方、切顶线之前垒砌矸石袋墙或悬挂挡风帘或实施强制放顶。5结束语主要论述了煤矿矿井 23215 综采工作面在正常生产时期与特殊时期的顶板管理技术，同时对 23215 综采工作面的顺槽及端头顶板管理技术进行了深入探讨。结合工作面的矿压观测结果，总结出一套相应的顶板支护管理方式，为 23215 综采工作面的安全开采作业奠定了一定的理论基础，且具有相当理想的安全效益及经济效益。参考文献：1王海兵，杨俊彩.8.8 m 特大采高综采工作面顶板管理技术 J.工矿自动化，2021，47（增刊 1）：55-57.2陈建国，卓军.综采工作面初采期间顶板控制技术及瓦斯防治措施 J.煤炭技术，2021，40(9)：113-116.3马文伟.大采高坚硬顶板工作面巷道围岩控制技术 J.煤矿安全，2022，53(8)：94-103.4田春阳，常云博，朱涛，等.6 m 大采高工作面沿空掘巷窄煤柱宽度及围岩控制技术研究 J.煤炭工程，2021，53(12)：39-44.5肖殿才，蒋祥卿，罗勇，等.深井软岩巷道穿厚煤层碎裂顶板区围岩控制技术 J.煤炭工程，2022，54(2)：37-42.6贾栋，姜德义，陈结，等.综放工作面覆岩破坏特征及裂隙演化相似模拟试验研究 J.中国安全生产科学技术，2022，18(3)：19-25.7邓敢博.特厚煤层回采巷道顶板变形特征及控制技术 J.科学技术与工程，2021，21(17)：7040-7045.8杨俊彩，王文，张广杰.柔模砼墙沿空留巷围岩变形规律及控制技术研究 J.煤炭科学技术，2022，50（增刊 1）：89-99.（编辑：刘晓芳）（上接第 77 页）张玉起，等：煤矿矿井 23215 综采工作面顶板管理技术设计97