煤矿工作面回风顺槽沿空掘巷...巷煤矿30112工作面为例_李石昌.pdf

-67-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期两星推荐柳巷煤矿位于陕西榆林市，主采煤层平均厚度达 11m，面临着特厚煤层开采带来的采矿矿压、巷道支护和煤柱资源损失等难题。目前，综放沿空掘巷技术常应用于特厚煤层开采和巷道布置当中，但是沿空掘巷沿采空区边缘煤体布置，需要确定合理的沿空掘巷护巷煤柱宽度及相应的围岩控制技术，确保安全高效回采。柳巷煤矿 30112综放工作面生产地质条件30 112 工作面主采煤层厚 10m，机采 5m，放顶煤5m，采放比为 1：1，煤机割煤步距为 0.8m、放煤步距为1.6m。工作面走向长度 1 400m，倾斜长度 200m，平均埋深 200m。该面采用走向长壁综合机械化放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板。根据邻近 30 110 掘进工作面掘进期间瓦斯涌出量数据，预计 30 112 工作面掘进期间瓦斯绝对涌出量为 0.046m3/min，瓦斯相对涌出量为 0.24m3/t，属于低瓦斯矿井。工作面内无断层，地质构造较简单。试验巷道为 30 112 工作面回风顺槽，回风顺槽一侧为 30 110 综放工作面采空区，另一侧为实煤体帮。顶底板岩性如表 1 所示。表 1 煤层顶底板岩性名称岩性厚度/m特征老顶砂岩13.631.627.6浅灰色块状中粒长石砂岩，分选性中等，孔隙式泥质胶结，磨圆度为次圆状，底部含黄铁矿结核，与下层明显接触，强度较大，为中等冒落难冒落顶板。直接顶 粉砂岩011.085.54浅灰色中厚层状泥质粉砂岩，具波状层理，夹泥岩条带，与下层明显接触，强度较大。直接底泥岩2.110.56.3深灰色、浅灰色中厚层状泥岩，水平层理发育，夹粉砂岩薄层，强度较小，属不稳定性底板。30 112综放工作面回风顺槽沿空掘巷护巷煤柱宽度确定30 112 工作面回风顺槽沿空掘巷护巷煤柱宽度数值计算分析利用有限差分数值计算软件 FLAC3D 对不同护巷煤柱宽度条件下30 112工作面回风顺槽围岩应力环境进行分析，根据 30 112 工作面生产地质条件，建立如图 1 所示数值计算模型：模型长 宽 高为 215.4m2m118m。模型行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度煤矿工作面回风顺槽沿空掘巷围岩控制以柳巷煤矿 30 112 工作面为例李石昌李石昌（1988），湖南楚湘建设工程集团有限公司,助理工程师，湘潭大学能源工程学院采矿专业，主要从事煤炭生产、管理方面的工作。中国科技信息 2023 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023-68-两星推荐上部边界施加等同于上覆岩层重量的垂直压应力，底部边界垂直方向固定，前后、左右边界施加水平方向应力并加以固定。具体见图 1。通过分析比较确定护巷煤柱的合理宽度。具体的比较方案见表 2 所示。表 2 护巷煤柱宽度比较方案方案方案一方案二方案三方案四方案五方案六宽度6810121416数值计算所得的不同方案条件下的 30 112 工作面回风顺槽围岩应力环境见图 2。由图 2 可看出，在护巷煤柱宽度由 6m 增加到 8m 的过程中，掘巷引起的应力集中同 30 112 工作面采空区侧向应力增高区始终相互叠加，虽然随着煤柱宽度的增加，叠加的范围及应力水平均逐渐减小，在留 8m 煤柱护巷条件下，巷道两侧的应力是 822MPa，仍处于一个较高水平，不利于巷道的稳定以及维护；随着护巷煤柱宽度的继续增加，当宽度达到 10m 时，可清晰地看出掘巷引起的应力集中已开始同 30112 工作面采空区侧向应力集中区分离，巷道两侧的应力水平急剧下降到 810MPa；继续增加护巷煤柱宽度，掘巷引起的应力集中与上一工作的采空区侧向应力集中区逐渐远离，巷道两侧的应力的水平也逐渐减小至 68MPa，但减小的幅度已经大大降低。综上可知，随着护巷保护煤柱宽度的增加，巷道周边应力水平逐渐降低，特别是宽度由 8m 增加到 10m 的过程中，巷道围岩应力急剧减小至一个较低的应力水平，在继续增大护巷煤柱宽度，应力继续减小，但幅度很不明显。因此，30 112 工作面回风顺槽沿空掘巷护巷煤柱宽度可以取 810m。30 112 工作面回风顺槽沿空掘巷护巷煤柱宽度理论计算通过分析沿空掘巷护巷煤柱宽度与煤柱支撑强度之间的影响关系，校核煤柱的强度能否满足 30 112 工作面回风顺槽支护的需要。按照威尔逊公式计算 30 112 工作面回风顺槽沿空掘巷护巷煤柱所能承受的极限载荷：3max4(4.9210)PH aHL=（1）30 112 工作面沿空掘巷护巷煤柱实际承受的载荷为：220.6bbPH aLH=+（2）式中：H 为平均采深；a 为煤柱宽度；b 为开采宽度；图 1 数值计算图图 2 30112 工作面回风顺槽围岩应力分布图6m 煤柱8m 煤柱10m 煤柱12m 煤柱14m 煤柱16m 煤柱-69-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期两星推荐为煤层上覆岩层的平均密度 N/m3；L 为煤柱留设长度。要保证特厚煤层综放沿空掘巷护巷煤柱不失稳：PmaxP （3）联合方程（1）、（2），综放沿空掘巷护巷煤柱宽度应满足：20.009841.28.75m3bbHHa+=（4）由（4）得出综放沿空掘巷护巷煤柱宽度至少为 8.75m，现场实际取 10m。即护巷煤柱所承受的实际载荷不会超过极限载荷，不会发生失稳变形。30 112工作面回风顺槽联合支护技术参数根据 30 112 工作面生产地质条件，确定“采煤帮玻璃钢锚杆+煤柱帮螺纹钢锚杆+顶板锚杆锚索+护表金属网”的联合支护技术，30 112回风顺槽锚杆锚索支护具体参数如下：（1）顶 板：采 用 直 径 20mm、长 度 2 400mm 的HRB500 左旋螺纹钢锚杆，间排距 1 1001 100mm，采用树脂药卷锚固，树脂药卷规格：CK2335 一支、Z2360一支；顶板布置长度 7,200mm，直径 17.8mm 的小孔径预应力锚索，排距 3 600mm，每排布置一根锚索于巷道中央，每排布置锚索时一根距煤柱侧 1m、一根距回采帮侧 1.7m，每根锚索采用一支 CK2335、两支 Z2360 树脂药卷锚固。每根锚索采用一块规格为 30030016mm 的碟形 Q235钢板托盘，配套锁具、调心球垫。顶网采用 6.5mm 防冲钢筋编织网片，网孔规格为 200200mm，网片规格 6 0002 000mm，网片搭接长度 200mm，使用 16#铁丝双股绑扎，绑扎间距不大于 300mm。（2）采煤帮：锚杆采用直径 20mm、长度 2 400mm的 HRB500 左 旋 无 纵 筋 螺 纹 钢 锚 杆，间 排 距 9501 100mm，采用树脂药卷锚固，树脂药卷规格为 CK2335和 Z2360 各一支；每根玻璃钢锚杆杆体、螺母及托盘均为玻璃钢材质，杆体为全螺纹结构，螺母及托盘为承插式结构。回采帮采用塑钢网支护，塑钢网规格：网孔规格图 4 30112 工作面回风顺槽沿空掘巷时围岩位移量图 3 30112 工作面回风顺槽锚杆锚索布置图40mm40mm，网片规格 6 0002 000mm，网片搭接宽度 200mm。（3）煤柱帮：锚杆采用直径 20mm、长度 2 400mm的 HRB500 左 旋 无 纵 筋 螺 纹 钢 锚 杆，间 排 距 9501 100mm，采用树脂药卷锚固，树脂药卷规为 CK2335 和Z2360 各一支。每根螺纹钢锚杆配套使用半球形垫圈、树脂减摩垫圈、金属垫圈、高强螺帽、规格为 15015010mm碟型 Q235 钢板托盘。煤柱帮部网片采用 8#菱形铅丝网，网孔规格 200200mm，网片规格 6 0002 000mm，网片搭接长度 200mm，使用 16#铁丝双股绑扎，绑扎间距不大于 300mm。30 112 工作面回风顺槽锚杆锚索布置见图 3。30 112工作面回风顺槽掘进期间矿压监测结果柳巷煤矿 30112 工作面回风顺槽进行锚杆-锚索联合支护后，对巷道的变形量进行实时监测。30112 工作面回风顺槽沿空掘巷时围岩位移量见图 4。由图 4 分析可知，巷道围岩变形主要集中在开掘后的 030d，顶板最大下沉量为 36mm，底板底鼓量为42mm，采空区侧移近量 21mm，煤柱侧移近量 29mm；在开掘后的 3060d 里，巷道围岩变形缓慢，趋向于稳定，顶板下沉量为 7mm，底板底鼓量为 8mm，采空区侧移近量5mm，煤柱侧移近量 8mm；在巷道开掘 60d 后，巷道围岩基本不产生变形，已经实现围岩的稳定控制。结语以柳巷煤矿 30 112 综放工作面回风顺槽沿空掘巷为背景，确定了特厚煤层综放沿空掘巷护巷煤柱宽度为 9m，提出了“采煤帮玻璃钢锚杆+煤柱帮螺纹钢锚杆+顶板锚杆锚索+护表金属网”的联合支护技术及其参数。工程实践表明30 112 综放工作面回风顺槽沿空掘巷围岩变形小，顶底板和两帮移近量均小于 100mm，有效保障了特厚煤层综放工作面的安全高效开采。