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野川煤矿厚煤层大采高综放工作面沿空留巷围岩控制技术研究

2024-12-02 82 上传者：管理员

摘要：为解决传统厚煤层大采高综放工作面煤柱损失大、煤炭资源回采率低、采掘接续困难的问题，以山西煤炭运销集团野川煤矿3205工作面为研究对象，采用理论分析、数值模拟和现场试验的研究方法，对沿空留巷围岩控制技术进行研究，提出了“切顶卸压+柔模混凝土墙”沿空留巷施工工艺，确定了切顶炮孔参数和柔模混凝土墙合理宽度，并设计了沿空留巷不同阶段支护方式。现场应用结果表明：采用该沿空留巷工艺后，巷道围岩表面变形控制效果显著，确保了工作面安全高效生产，工作面巷道掘进量减少了754 m，多回收煤柱资源约14.16万t，经济效益显著。

关键词：
切顶卸压
围岩控制
大采高
柔模混凝土墙
沿空留巷
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沿空留巷技术作为无煤柱开采技术的一种，凭借煤炭资源回收率高、巷道掘进量和维护成本低、可有效缓解矿井采掘接替紧张、实现工作面“Y”型通风等优点，近年来在我国各大矿区得以广泛应用[1-3]。因沿空留巷是采用一定技术手段将上一区段工作面顶板沿采空区边缘垮落形成下一区段工作面回采巷道新的巷帮，受地应力和多重采动应力影响，沿空留巷易发生较大的围岩变形和底鼓[4-5]。如何有效控制沿空留巷围岩变形是确保沿空留巷效果和工作面安全高效生产的关键。申军采用“巷旁支护+待浇筑空间围护+临时加强支护”的沿空留巷施工工艺，有效控制郭庄煤矿3308皮带顺槽围岩变形[6]。姬凤祥等针对余吾煤矿N1105胶带顺槽变形量大、围岩控制困难的问题，提出“补强支护+柔模混凝土墙+临时支护”的沿空留巷方案[7]。

上述研究极大促进了沿空留巷技术的应用和发展，确保了具体矿井沿空巷道围岩稳定及工作面生产安全。但煤层赋存条件的复杂性导致各矿区甚至同一煤矿不同采区工作面赋存条件存在较大差异，在制定沿空留巷围岩控制方案时不能一概而论，否则极易因支护方式和支护参数的不合理导致沿空留巷在下一区段工作面回采时发生严重变形，增大了巷道维护难度和维护成本，严重制约工作面安全高效生产。因此，有必要对山西煤炭运销集团野川煤矿（简称“野川煤矿”）3205胶带顺槽沿空留巷围岩控制技术进行研究。

1、工程概况

野川煤矿3#煤层平均厚度5.57 m，局部含夹矸，夹矸厚度约0～0.02 m；煤层倾角3°～12°，平均倾角7°；结构简单，赋存稳定，为全区可采厚煤层。3205工作面为3#煤层二采区首采工作面，设计采用大采高综采放顶煤采煤工艺，割煤高度2.6 m，放煤高度2.97 m，采放比为0.87∶1。工作面东部为二采区采区巷道，西侧和南侧均为井田边界，北部为3203工作面（未采）。3205胶带顺槽采用矩形断面，净宽5 800 mm，净高3 000 mm，设计长度915 m。3025工作面原设计采用一进一回的U型布置方式，工作面间留设25 m宽的区段煤柱，降低了煤炭资源回收率，且由于野川煤矿为高瓦斯矿井，工作面U型布置方式导致工作面回采期间上隅角瓦斯超限问题，严重威胁工作面生产安全。为提高工作面煤炭回采率和解决上隅角瓦斯超限问题，设计采用沿空留巷施工工艺。3205工作面布置情况如图1所示，3205工作面顶底板条件见表1。

图1 3205工作面平面布置图

表1 3205工作面顶底板条件

2、切顶卸压柔模混凝土墙沿空留巷技术研究

2.1切顶卸压方案及参数

为避免工作面采空区侧顶板大面积突然垮落导致沿空留巷因剧烈动压现象而发生围岩破坏失稳，超前工作面50 m布置顶板预裂爆破钻孔进行切顶卸压，预裂爆破切顶高度根据式（1)[6]进行计算：

式中：Hf为切顶高度，m;Hm为工作面采高，取5.57 m；∆H1为巷道顶板下沉量，m；∆H2为巷道底鼓量，m;k为岩石碎涨系数，取值范围为1.3～1.5，本次计算取1.35。在不考虑巷道顶板下沉量和底鼓量的前提下，计算得到切顶垂高Hf=15.9 m，取16 m，斜长（孔深）取17 m。

为避免“管道效应”产生炸药残爆影响切顶效果，采用不耦合装药[4]，炸药被筒直径为50 mm，炮孔直径为65 mm，不耦合系数为1.30。预裂炮孔与竖直方向夹角15°，单排布置，孔间距为2 m，孔深17 m，装药长度11 m，封泥长度6 m，开孔口位置距离巷帮300 mm。炸药采用煤矿许用三级乳化炸药，药卷长200 mm，直径35 mm。

2.2柔模混凝土墙合理宽度研究

2.2.1数值计算模型建立与方案

柔模混凝土墙宽度是影响沿空留巷效果和稳定性的关键技术参数，较大的柔模混凝土墙宽度有利于提高其自身承载能力和稳定性，但会显著增加工程量和工程投资，不利于矿井生产效率和经济效益[7]。在进行柔模混凝土沿空留巷前，有必要综合考虑柔模混凝土墙的承载能力、稳定性、工程量和投资确定柔模混凝土墙的合理宽度。

基于野川煤矿3205胶带顺槽实际工程地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件建立了尺寸为300 m×200 m×50 m（长×宽×高）数值计算模型，计算模型选用摩尔-库伦本构模型，模型四周边界固定水平方向位移，底部边界固定竖直方向位移，上部施加6 MPa的均布载荷等效上覆岩层重力。分别对柔模混凝土墙宽度为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m和3.0 m时沿空留巷围岩应力分布和变形特征进行分析。

2.2.2数值计算结果与分析

1）不同柔模混凝土墙宽度下沿空留巷垂直应力分析

不同柔模混凝土墙宽度下沿空留巷垂直应力分布特征如图2所示。由图2可知，柔模混凝土墙宽度对巷道顶板围岩应力的影响较小，对柔模混凝土墙所受垂直应力影响较大。对比图2(a)～(f）可知，巷道顶板垂直应力随柔模混凝土墙宽度变化不大。当柔模混凝土墙宽度小于1.5 m时，柔模混凝土墙强度不足以承担巷道顶板岩层载荷而完全丧失承载能力。

2）不同柔模混凝土墙宽度下沿空留巷围岩变形特征分析

不同柔模混凝土墙宽度下沿空留巷围岩变形特征如图3所示。由图3(a）可知，柔模混凝土墙宽度对巷道顶板下沉量影响较大，柔模混凝土墙宽度由0.5 m增大至1.5 m时，巷道顶板下沉量减小幅度达31.05%；柔模混凝土墙宽度由1.5 m增大至3.0 m时，巷道顶板下沉量减小幅度为14.41%；柔模混凝土墙宽度对巷道底鼓量影响较小。由图3(b）可知，留巷帮位移量随柔模混凝土墙宽度增大总体上呈减小趋势，而实体煤帮位移量无显著变化。

图2 不同宽度柔模混凝土墙沿空留巷垂直应力云图

综合考虑柔模混凝土墙承载能力、稳定性、工程量和投资，确定野川煤矿3205胶带顺槽沿空留巷时柔模混凝土墙合理宽度为1.5 m。

图3 不同宽度柔模混凝土墙沿空留巷围岩变化曲线

2.3沿空留巷充填体材料选择

3205胶带顺槽沿空留巷充填材料选用C30混凝土，具体配比如表2所示。

表2 C30泵注混凝土配比

井下实测混凝土浇筑1 d后强度达到16 MPa，浇筑5 d后强度达到27 MPa，浇筑15 d后强度大于35 MPa。根据井下回弹仪实测混凝土终凝强度为35～41 MPa，平均强度37.9 MPa，满足使用要求。

3、沿空留巷施工工艺

“切顶卸压+柔模混凝土墙”沿空留巷施工工艺流程如图4所示。

图4 沿空留巷工艺流程

3.1挂设护顶挡矸网

工作面机头段液压支架（共5架）顶板铺设矿用聚酯纤维柔性网，聚酯纤维柔性网与巷道顶板网搭接长度为500 mm，采用双丝三扣、隔孔相联的方式联接两道。聚酯纤维柔性网规格为7 m×1 m，网孔规格为40 mm×40 mm。

3.2打设切顶迈棚木支柱

支架移架后，沿预留柔模混凝土墙采空区侧布置切顶迈棚木支柱，每排布置两根，排距300 mm～600 mm，第一排贴近柔模混凝土墙垂直布置，第二排柱脚紧靠第一排木支柱向采空区方向倾斜10°布置，木支柱选用规格ϕ200 mm×3 000 mm的圆木。

3.3单体柱临时支护

本工作面回采期间，在超前工作面30 m和滞后工作面200 m范围布置单体柱进行临时加强支护，超前段采用“一梁二柱式”布置方式，滞后段采用“一梁三柱+π型梁”布置方式（见图5），单体柱π型梁棚棚距为600 mm。为防止柔模墙体鼓包变形，增强其接顶效果，在新浇筑的柔模混凝土墙边缘布置一排加强单体柱，排距为300 mm，日留巷进度按3 m计算，混凝土浇筑5 d后（约推进15 m），此排单体可依次回收。

图5 沿空巷道支护方案

3.4柔性模具设计

根据野川煤矿3205胶带顺槽净高3000 mm，考虑300 mm的接顶富余量，选用材料为高强度长丝机织型纤维布的柔性模具，规格为3.0 m×3.3 m×1.5 m（长×高×厚），柔性模具设有锚栓孔、泵注口。在混凝土支护墙体内预置锚杆，两端分别配置托盘及螺母，并加工锚杆专用塑料帽对墙体外侧锚杆裸露段进行绝缘处理。锚杆规格为ϕ22 mm×1 700 mm，间排距为900 mm×700 mm，两端螺纹长度为100 mm。泵注口直径为250 mm，泵注口上边缘距柔性模板顶部500 mm，泵注口内外层长度不小于300 mm。

4、工业性试验

为掌握采用“切顶卸压+柔模混凝土墙”沿空留巷工艺的留巷效果，在3205胶带顺槽留巷段布置巷道表面位移测站，测站间距为200 m，共布设3个测站，采用十字测点法对巷道表面位移进行观测，由于3个测站所观测到的巷道表面位移变化趋势基本一致，本次以2#测站观测结果为例，对距工作面不同距离下巷道表面位移量变化规律进行分析。2#测站观测结果见图6。

图6 沿空留巷表面位移曲线

由图6可知，在留巷初期（距工作面距离0～30 m范围），巷道表面位移量增长速度较快，其中以巷道顶板下沉量最为显著，分析认为该阶段巷道在工作面采动应力影响下，巷道顶板岩层发生弯曲下沉，导致巷道顶板下沉量急剧增加。在距工作面30～80 m范围，巷道表面位移量增长速率逐渐减小，分析认为随着巷道围岩应力平衡状态逐步形成，巷道表面变形量缓慢增长，逐渐趋于稳定。距工作面80 m以后，巷道围岩变形基本稳定，巷道顶板下沉量、底鼓量、墙帮位移量和煤帮位移量最大值分别为111.05 mm、13.73 mm、25.67 mm、34.63 mm，巷道表面变形量在允许范围内，为工作面安全生产提供了保障。

此外，野川煤矿3205胶带顺槽设计长度915 m，留巷长度754 m，相较于原留设25 m宽区段煤柱的布置方式，不仅减少了754 m巷道掘进工程量，还可多回收煤柱资源约14.16万t。

5、结论

为提高厚煤层大采高综放工作面煤炭资源回收率，缓解采掘接替紧张的问题，以野川煤矿3205工作面为研究对象，提出了“切顶卸压+柔模混凝土墙”的沿空留巷施工工艺，对沿空留巷围岩控制方案进行研究，主要得到以下结论：

1）基于3205工作面工程地质条件，通过理论计算确定了切顶卸压炮孔垂高为16 m，并对预裂爆破钻孔参数进行了设计。

2）采用数值模拟的方法，对不同柔模混凝土墙宽度下沿空巷道围岩应力和变形特征进行分析，确定了3205胶带顺槽沿空留巷时柔模混凝土墙合理宽度为1.5 m。

3）设计了沿空留巷不同阶段支护方式及参数，现场应用结果表明：巷道表面变形控制效果显著，确保了工作面安全生产，同时减少了754 m的巷道掘进工程，多回收约14.16万t煤柱资源，提高了矿井经济效益。

参考文献:

[1]冯超,刘少伟,张小东,等.切顶条件下综放沿空留巷充填体承载特征及合理宽度研究[J].采矿与安全工程学报,2023,40(02):232-242.

[2]司晓鹏,周昌台.定向爆破预裂和柔模混凝土墙技术在成庄煤矿的协同应用[J].煤矿安全,2022,53(12):92-100.

[3]刘学,李雷波,池津维.平山煤矿切顶卸压沿空留巷技术应用研究[J].能源与环保,2023,45(06):263-266,272.

[4]任超.大采高综采工作面沿空留巷工艺顶板管控技术分析[J].煤炭科学技术,2022,50(S2):97-104.

[5]张利军,景永嘉.候村煤矿沿空留巷巷旁及巷内支护技术研究[J].煤炭科技,2023,44(01):34-40,45.