急傾斜中厚煤層柔掩工作面沿空留巷技術(shù)實(shí)踐

張江云 武梅蘋

(1.攀枝花煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川省攀枝花，617066； 2.攀枝花煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司花山煤礦，四川省攀枝花市，617066)

★ 煤炭科技·開拓與開采★

急傾斜中厚煤層柔掩工作面沿空留巷技術(shù)實(shí)踐

張江云1武梅蘋2

(1.攀枝花煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川省攀枝花，617066； 2.攀枝花煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司花山煤礦，四川省攀枝花市，617066)

為解決復(fù)雜地質(zhì)條件下急傾斜中厚煤層沿空留巷難題，以寶鼎礦區(qū)太平煤礦25134柔性掩護(hù)支架采煤工作面為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模型計(jì)算，分析了急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖變形動(dòng)態(tài)演化特征。基于此確定了基于錨桿及錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、單體加強(qiáng)維護(hù)、煤柱內(nèi)部注漿加固、巷道表面噴漿封堵等方法的急傾斜中厚煤層沿空留巷技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，該技術(shù)顯著提高了留巷圍巖整體力學(xué)性能及自穩(wěn)能力，保障了沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性，大幅降低了沿空留巷成本、材料運(yùn)輸量和職工勞動(dòng)強(qiáng)度，成功實(shí)現(xiàn)留巷580 m，該技術(shù)的成功研究和應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)安全效益。

急傾斜煤層 巷道加固 封堵注漿 沿空護(hù)巷

沿空留巷技術(shù)自20世紀(jì)50年代在我國(guó)開始使用以來，一直是我國(guó)煤炭開采的重要技術(shù)發(fā)展方向。我國(guó)學(xué)者在沿空留巷理論與技術(shù)研究方面進(jìn)行了大量的研究和探索，從薄煤層到中厚煤層、從緩傾斜到急傾斜煤層，均取得了較為顯著的成果，在條件較好的薄及中厚煤層采煤工作面沿空留巷技術(shù)應(yīng)用已日趨完善，巷旁支護(hù)、巷內(nèi)支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)及煤幫加固技術(shù)已趨成熟。然而對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件，尤其是急傾斜煤層的沿空留巷技術(shù)仍存在著不足之處。隨著煤礦開采深度增加，煤層瓦斯、地壓不斷升高，加之寶鼎礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造多，煤層條件極其復(fù)雜，礦井存在單面可采儲(chǔ)量少，搬家倒面頻繁，掘進(jìn)進(jìn)度慢等問題，導(dǎo)致采掘接替緊張甚至出現(xiàn)脫節(jié)。為解決以上難題，礦井可采取沿空留巷技術(shù)解決采掘接續(xù)矛盾現(xiàn)狀。針對(duì)沿空留巷技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作：周保精利用傾斜煤層采空區(qū)冒落矸石自溜現(xiàn)象，形成以冒落矸石為主要充填材料的穩(wěn)固沿空留巷充填體；孫恒虎認(rèn)為沿空留巷支護(hù)載荷只與短支承邊界的載荷有關(guān)；漆泰岳等通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析，提出了使沿空留巷巷道保持穩(wěn)定的整體澆注護(hù)巷帶支護(hù)強(qiáng)度與變形的理論計(jì)算方法；謝文兵通過分析研究，在保證頂煤及頂板穩(wěn)定前提下，確定合理充填方式和充填體強(qiáng)度；郭育光提出沿空留巷巷幫充填主要參數(shù)留巷成本和施工勞動(dòng)強(qiáng)度是需要考慮的兩大主要因素；蘇清政認(rèn)為破碎矸石充填體具有足夠支撐阻力和適應(yīng)基本頂結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)下沉可縮量特性；黃慶享研究分析了急傾斜臨界角沿空回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

基于寶鼎礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下急傾斜煤層地質(zhì)條件，通過理論分析、數(shù)值模型計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，分析了急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖變形動(dòng)態(tài)演化特征，確定了基于錨桿及錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、單體加強(qiáng)維護(hù)、煤柱內(nèi)部注漿加固、巷道表面噴漿封堵等方法的急傾斜中厚煤層沿空留巷技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，該技術(shù)顯著提高了留巷圍巖整體力學(xué)性能及自穩(wěn)能力，保障了沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1 工程概況

攀枝花煤業(yè)公司太平煤礦南翼煤層傾角為40°～75°，平均為50°～65°，煤層地質(zhì)條件復(fù)雜多變，煤層賦存條件以薄煤層為主，中厚煤層次之，主要采用俯偽斜四邊形柔性掩護(hù)支架長(zhǎng)壁后退式采煤法；沿空護(hù)巷工作面煤層平均厚度為2.78 m，傾角為51°～72°，平均為60°，直接頂為9 m厚的粉砂巖，基本頂為7.6 m 厚的粗砂巖，直接底為5.3 m厚的泥質(zhì)粉砂巖；留巷巷道下寬4 m，中高2.8 m，斷面為不規(guī)則的直墻拱形斷面，錨桿間排距為0.8 mm×0.8 mm。

2 急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖變形動(dòng)態(tài)演化特征

2.1 模型建立

模型大小取100 m×100 m×100 m范圍，采用結(jié)構(gòu)化單元網(wǎng)格劃分技術(shù)，對(duì)較為關(guān)心的小煤柱以及巷道部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。模型的前后左右及下部固定法線方向位移，頂部加載2 MPa的均布載荷來模擬上覆巖層的壓力。錨桿和錨索采用嵌入單元進(jìn)行模擬。為模擬煤層開采后頂?shù)装褰佑|的情況，在頂?shù)装灞砻嬖O(shè)置一對(duì)接觸(模擬頂?shù)装灞砻娼佑|，為模型實(shí)際運(yùn)行過程中的定義)來模擬力的傳遞作用。模型采用巖土工程中常用的Drucker-Prager本構(gòu)模型，數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

基于過小煤柱中心線的截面內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析了工作面推進(jìn)過程中煤柱變形和應(yīng)力演化特征，小煤柱應(yīng)力及變形觀測(cè)切面和截面煤柱內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置分別如圖2、圖3所示。

圖2 小煤柱應(yīng)力及變形觀測(cè)切面

圖3 截面煤柱內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.2.1 隨工作面推進(jìn)煤柱應(yīng)力演化特征

工作面推進(jìn)過程中煤柱內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布情況如圖4所示。模擬分析表明，隨著工作面的推進(jìn)，高應(yīng)力區(qū)不斷前移，工作面后方小煤柱應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，應(yīng)力集中，工作面前沿附近區(qū)域?yàn)閼?yīng)力突變區(qū)域。位于工作面后方巷道和煤柱的應(yīng)力遠(yuǎn)高于前方的巷道和煤柱。

圖4 小煤柱Mises應(yīng)力分布隨工作面推進(jìn)的變化

統(tǒng)計(jì)煤柱內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大 Mises應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 各煤柱最大Mises應(yīng)力隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線

2.2.2 小煤柱隨工作面推進(jìn)變形分布變化規(guī)律

工作面推進(jìn)過程中煤柱內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖變形值如表1和圖6所示。分析表明：工作面后方煤柱變形量較大，在工作面推進(jìn)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)處時(shí)，煤柱變形呈現(xiàn)突變特點(diǎn)，工作面前端煤柱，除較接近工作面的煤柱外，雖然受到采動(dòng)影響，但變形并不明顯。煤柱的最大變形量為200 mm左右，煤柱出現(xiàn)整體下滑趨勢(shì)；巷道頂?shù)装遄畲笙鄬?duì)移近量達(dá)1060 mm 左右，巷道兩幫最大相對(duì)移近量達(dá)500 mm左右，并且巷道呈現(xiàn)不對(duì)稱變形，巷道頂板變形量較底板大，底板出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，巷道左幫變形量較右?guī)痛螅規(guī)妥畲笞冃瘟看蠹s為左幫最大變形量的65%左右，工作面后方巷道收縮量達(dá)35%左右。

表1 各煤柱最大變形情況隨工作面推進(jìn)的變化

圖6 各煤柱最大變形情況隨工作面推進(jìn)的變化曲線

3 急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖控制技術(shù)

基于沿空留巷圍巖應(yīng)力及位移演化特征，為保障沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性，在工作面超前支承壓力影響范圍前方(即在工作面煤壁前方40 m以外)，提出了基于錨桿及錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、單體加強(qiáng)維護(hù)、煤柱內(nèi)部注漿加固、巷道表面噴漿封堵為原則的急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖控制技術(shù)。

(1)錨桿及錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。巷道內(nèi)煤層頂板側(cè)巷道中部補(bǔ)打兩排錨索，錨索間距1.5 m，錨索規(guī)格直徑15.24 mm，長(zhǎng)度5.3 m；巷道上幫側(cè)補(bǔ)打一排錨桿，錨桿為規(guī)格直徑18 mm、長(zhǎng)度2.4 m的螺紋鋼錨桿，運(yùn)輸留巷加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)如圖7所示。

圖7 運(yùn)輸留巷加強(qiáng)支護(hù)示意圖

(2)單體加強(qiáng)維護(hù)。工作面超前加強(qiáng)支護(hù)段增設(shè)兩排單體液壓支柱和一排木支柱，柱距1 m，支柱架設(shè)在巷道頂板中部。工作面后方40 m拆除一排單體支柱，注漿完成凝結(jié)穩(wěn)定后拆除全部單體支柱，打設(shè)位置如圖8所示。

(3)煤柱內(nèi)部注漿加固。滯后工作面40～50 m 范圍，采用水泥水玻璃漿液進(jìn)行煤柱注漿加固，孔深5.0 m，注漿孔排距1.6 m，注漿壓力1.0～2.0 MPa，單孔注漿時(shí)間2～5 min，注漿量為0.16 m3/m，采用間隔交替的注漿方式，注漿加固方案如圖9所示。

圖8 單體支護(hù)示意圖

圖9 注漿鉆孔布置截面示意圖

(4)巷道表面噴漿封堵。在工作面推進(jìn)后進(jìn)行留巷施工，在工作面后20 m范圍內(nèi)先對(duì)原巷道按照原設(shè)計(jì)斷面重新噴漿支護(hù)，噴砼強(qiáng)度C20，噴漿厚度100 mm，噴漿時(shí)在噴漿段先將單體支柱撤除，噴漿完畢凝結(jié)后再打設(shè)單體支柱。

4 急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)方案

為檢驗(yàn)留巷效果，對(duì)巷道內(nèi)頂板離層量、巷道圍巖變形量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

(1)巷道斷面變形觀測(cè)區(qū)。設(shè)置5個(gè)巷道斷面變形測(cè)點(diǎn)，超前工作面20 m設(shè)置第1個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)間隔5 m。

(2)頂板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)。設(shè)置5個(gè)頂板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)，超前工作面20 m設(shè)置第1個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)間隔5 m設(shè)置。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析

4.2.1 巷道斷面表面位移變化規(guī)律

運(yùn)輸平巷斷面表面位移變化曲線如圖10和圖11所示。由圖中可以看出，除1#斷面的兩幫變形量較大外，采動(dòng)對(duì)巷道兩幫移近量的影響和對(duì)頂?shù)装逡平康挠绊懟疽恢拢贿\(yùn)輸平巷不同地點(diǎn)因地質(zhì)條件、巷道跨度和支護(hù)強(qiáng)度等影響因素不同，表面位移顯著不同，其中2#斷面頂?shù)装逡平孔畲鬄?25 mm，4#斷面和5#斷面頂?shù)装逡平孔畲鬄?5 mm；1#斷面兩幫移近量最大為820 mm，5#斷面兩幫移近量最大45 mm；巷道變形量主要是在采動(dòng)影響范圍中產(chǎn)生，即在距工作面20 m以內(nèi)巷道圍巖開始產(chǎn)生較明顯變形，在10 m以內(nèi)變形速度明顯加快。

圖10 運(yùn)輸平巷斷面兩幫表面位移變化曲線

圖11 運(yùn)輸平巷斷面頂?shù)装灞砻嫖灰谱兓€

4.2.2 頂板離層變化規(guī)律

頂板離層監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示。分析表明，在工作面推進(jìn)過程中，不同地點(diǎn)因地質(zhì)條件、巷道跨度和支護(hù)強(qiáng)度等影響因素不同，各斷面的頂板離層最大值顯著不同，最大離層74 mm，最小離層5 mm；回采期間錨桿錨固范圍以內(nèi)最大離層小于10 mm，錨桿錨固范圍以外最大離層超過20 mm。可見，采動(dòng)對(duì)錨桿錨固范圍內(nèi)外的影響較小，不影響工作面正常生產(chǎn)；發(fā)現(xiàn)離層距離工作面最遠(yuǎn)距離在34.8 m左右，可見采動(dòng)影響要大于35 m。

圖12 頂板各測(cè)點(diǎn)離層趨勢(shì)圖

5 結(jié)論

(1)以寶鼎礦區(qū)太平煤礦25134柔性掩護(hù)支架采煤工作面為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模型計(jì)算，分析了急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖變形動(dòng)態(tài)演化特征。

(2)提出了基于錨桿及錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、單體加強(qiáng)維護(hù)、煤柱內(nèi)部注漿加固、巷道表面噴漿封堵為原則的急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖控制技術(shù)。

(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，該技術(shù)顯著提高了留巷圍巖整體力學(xué)性能及自穩(wěn)能力，保障了沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性，大幅降低了沿空留巷成本、材料運(yùn)輸量和職工勞動(dòng)強(qiáng)度，緩解采掘接替緊張的矛盾，成功實(shí)現(xiàn)留巷580 m，該技術(shù)的成功研究和應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)安全效益。

[1] 周保精,徐金海，梁國(guó)棟等.傾斜煤層冒落矸石自然充填沿空留巷技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010(11)

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Technologypracticeofgob-sideentryretainingatworkingfacewithflexibleshieldsupportininclinedmedium-thicknesscoalseam

Zhang Jiangyun1, Wu Meiping2

(1.Panzhihua Coal Industry (Group) Co., Ltd., Panzhihua, Sichuan 617066, China; 2. Huashan Coal Mine of Panzhihua Coal Industry (Group) Co., Ltd., Panzhihua, Sichuan 617066, China)

In order to solve the problem of gob-side entry retaining in inclined medium-thickness coal seam under complicated geological conditions, taking the 25134 coal face with flexible shield support of Taiping Coal Mine of Baoding mining area as engineering background, the dynamic evolutionary characters of surrounding rock deformation of the gob-side entry retaining were analyzed by using methods of theoretical analysis and numerical model calculation. Based on the analysis results, a series of methods were applied to the gob-side entry retaining, such as rock bolt and anchor cable reinforce supporting, reinforce maintaining with single support, grouting reinforcement into coal pillar and shotcrete blocking on the surface of roadway. The field practices showed that this technology could improve the overall mechanical performance and self-stabilizing ability of the surrounding rock of the entry retaining, and ensure the stability of the gob-side entry, and greatly reduce the engineering cost, material transportation volume and the labor intensity, and successfully achieve 580 m entry retaining, the successful research and application of the technology had significant economic and social security benefits.

steeply inclined coal seam, roadway reinforcement, grouting blocking, gob-side entry supporting

張江云，武梅蘋. 急傾斜中厚煤層柔掩工作面沿空留巷技術(shù)實(shí)踐[J]. 中國(guó)煤炭，2017，43(10)：60-65.

Zhang Jiangyun，Wu Meiping. Technology practice of gob-side entry retaining at working face with flexible shield support in inclined medium-thickness coal seam[J]. China Coal, 2017, 43(10):60-65.

TD322

A

張江云(1982-)，男，青海湟中縣人，采礦工程師、注冊(cè)安全工程師，長(zhǎng)期從事采礦技術(shù)、井巷支護(hù)管理工作。

(責(zé)任編輯 郭東芝)

中國(guó)國(guó)際卓越煤礦瓦斯治理中心正式掛牌

在天津召開的2017年(第十九屆)中國(guó)國(guó)際礦業(yè)大會(huì)煤層氣(煤礦瓦斯)國(guó)際論壇上，聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)依托山西焦煤集團(tuán)設(shè)立的中國(guó)國(guó)際卓越煤礦瓦斯治理中心正式掛牌。

聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)可持續(xù)能源委員會(huì)瓦斯專家委員會(huì)主席雷·皮爾徹、中國(guó)工程院院士袁亮、山西焦煤集團(tuán)工會(huì)主席鄧保平、山西焦煤集團(tuán)總工程師侯水云等出席掛牌儀式。中國(guó)工程院院士、中國(guó)國(guó)際卓越煤礦瓦斯治理中心主席、山西焦煤集團(tuán)副董事長(zhǎng)、黨委副書記、總經(jīng)理金智新為中國(guó)國(guó)際卓越煤礦瓦斯治理中心特聘專家頒發(fā)證書并致歡迎辭。中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)、中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)秘書長(zhǎng)劉峰主持掛牌儀式。

中國(guó)國(guó)際卓越煤礦瓦斯治理中心是目前全球唯一在聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)授權(quán)下，由企業(yè)主導(dǎo)的甲烷管理樞紐機(jī)構(gòu)，是以山西焦煤集團(tuán)為依托、在中國(guó)建立的非營(yíng)利性國(guó)際組織，是由致力于煤層氣(煤礦瓦斯)管理的山西焦煤集團(tuán)、北京辛迪克清潔能源技術(shù)服務(wù)公司15家理事單位自愿結(jié)成。中國(guó)國(guó)際卓越煤礦瓦斯治理中心的設(shè)立，建立了聯(lián)合國(guó)與中國(guó)企業(yè)在清潔能源利用、溫室氣體減排方面的直接聯(lián)絡(luò)通道，傾力支持中國(guó)政府碳減排對(duì)世界的承諾，將會(huì)讓中國(guó)政府滿意；在未來的運(yùn)營(yíng)中，中國(guó)國(guó)際卓越煤礦瓦斯治理中心將幫助聯(lián)合國(guó)各成員國(guó)在能源領(lǐng)域的碳減排，推廣聯(lián)合國(guó)倡導(dǎo)的“有效抽采利用煤礦瓦斯最佳實(shí)踐指南”，致力于煤層氣(煤礦瓦斯)先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)與合作、業(yè)務(wù)培訓(xùn)、咨詢服務(wù)、國(guó)際管理標(biāo)準(zhǔn)制定、全球信息共享等工作，讓聯(lián)合國(guó)滿意；中國(guó)國(guó)際卓越煤礦瓦斯治理中心未來將成為瓦斯治理利用新技術(shù)推廣平臺(tái)，瓦斯治理利用資金、技術(shù)、人才資源共享平臺(tái)，瓦斯利用與碳金融及新型商業(yè)模式聯(lián)動(dòng)開發(fā)平臺(tái)，加快推動(dòng)企業(yè)與“一帶一路”沿線國(guó)家在煤炭開采、洗選加工、焦炭化工、煤機(jī)裝備、瓦斯治理利用等領(lǐng)域的深度合作，讓參與的利益方滿意。該中心擬定于2018年啟動(dòng)運(yùn)營(yíng)。