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浅析沿空留巷巷旁支护技术的应用优势

2020-06-10 191 上传者：管理员

摘要：在煤炭开采巷道维护工作中，沿空留巷技术降低了巷道的掘进工作量，改变了采掘交替的现状、提高了煤矿企业的经济效益。这项技术应用的关键是巷旁支护方案的合理选择，必须引起高度重视。

关键词：
巷旁支护方案
沿空留巷技术
煤炭开采
采掘交替
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1、沿空留巷巷旁支护主要方式

1.1 木垛巷旁支护

木垛巷旁支护曾在我国得到了广泛应用，其形式多为单排木垛，具有支撑面积大、可靠性高、架设灵活便捷、劳动力投入少等优点，同时也具有木材消耗多的不足。木垛巷旁支护属于晚支撑支架，不适用于巷道的早期支撑，并且其可压缩量极大，可达50%～60%，不具备切断采空区顶板的作用。近年来随着人们环境保护意识的增强，为了降低林木的消耗，该支护方式的应用越来越少。

1.2 密集支柱巷旁支护

密集支柱巷旁支护属于刚性支护范畴，与木垛巷旁支护技术相比，其具有可收缩量少、早起支撑效果好，支护过程劳动强度低等优点，但是密集支柱巷旁支护将会消耗大量的材料且不能回收复用。当遇到顶底板较软或者沿空巷道两帮下沉不均匀时，密集支柱容易出现倾斜，失去支护作用，同时随着采高的增大，会增加密集支柱的架设难度及不稳定性，因此该方式仅适用于顶板岩石中等稳定以上，采高范围2.2 m之下的薄煤层及中厚煤层中使用。

1.3 研石带巷旁支护

巷旁支护应用最广的方式当属研石带巷旁支护，其具有支护材料用量低、隔离采空区、承载的面积大、支护稳定性高等优势，但是研石带的堆砌会增加工人的劳动强度。研石带支护属于宽幅、大可收缩量和晚支撑范畴，压缩量可达40%左右，因此早期支护能力差，其适用于大韧性缓慢下沉的顶板，煤层厚度小于1.5 m的矿井。

2、沿空留巷巷旁支护技术方案设计

2.1 单排密集支柱巷旁支护

单排密集支柱巷旁支护技术采用的支柱直径为15 cm，支柱材质为松木。直径为15 cm的松木处于含水率为10%～15%的干燥空气中时，其抗压强度指标约为37 MPa,作为支柱使用时的最大承载能力为400 kN，具体的沿空留巷巷旁支护技术方案布置如图1所示。该方案中的巷旁宽度为0，巷旁的支护阻力为2 017 kN/m，支护可缩量数值为23 cm，计算得出单个木柱承受的压力强度为13.45 MPa，可见该方案能够满足工作面沿空留巷巷旁支护强度和可压缩量的要求。

图1 单排密集支柱支护技术方案

2.2 人工堆砌研石带巷旁支护

人工堆砌研石带巷旁支护技术方案中采用的石带宽度值为3 m，研石材质为矸石。人工堆砌研石带时矸石直接从现场的采空区获取，降低了支护材料的运输成本和工作人员的劳动强度。堆砌过程中靠近巷道位置需要运用尺寸较大的研石为材料，垒砌成为光滑垂直的墙体，具体的沿空留巷巷旁支护技术方案布置如图2所示。该方案中的巷旁宽度为3m，巷旁的支护阻力为4 652 kN/m，支护可缩量数值为47 cm，计算得出矸石承受的压力强度为1.55 MPa，可见该方案能够满足工作面沿空留巷巷旁支护强度和可压缩量的要求。

图2 人工堆砌研石带支护技术方案

2.3 混凝土砌块巷旁支护

混凝土砌块巷旁支护技术方案中砌块堆砌墙体的宽度尺寸为500 mm，混凝土砌块的尺寸为50 cm×20cm×20 cm，墙体中每隔5m堆砌一段1 m×1 m的墙体。堆砌用混凝土的骨料采用粒度小于40 mm的研石，胶凝材料采用425#硅酸盐水泥，配置比例要求水灰比为0.5:1,不需要添加改性剂和加速凝固材料。具体的沿空留巷巷旁支护技术方案布置如图3所示。该方案中的巷旁宽度为0.5 m，巷旁的支护阻力为2 125 kN/m，支护可缩量数值为27 cm，计算得出混凝土砌块的压力强度为23.52 MPa，可见该方案能够满足工作面沿空留巷巷旁支护强度和可压缩量的要求。

图3 混凝土砌块支护技术方案

3、数值模拟

3.1 数值模型建立

依据综采工作面的现场地质条件，确定使用UDEC软件进行数值模型计算，其适用于分析岩层断裂和垮落的离散元数值模拟计算，能够满足分析巷道支护方式对于沿空留巷支护稳定性影响的要求。边界条件根据岩层的移动角度及连续弯曲带高度的变化趋势确定，综合相关的影响因素确定数值模拟所用的模型尺寸为110m×81 m，模型的直接顶下边界、巷道上下帮和底板上边界各设置一条观测线。边界条件设置如下：第一是模型的左右两侧的边界设置成水平约束，限制其在水平方向的位移；第二是模型的下边界设置固定约束，限制其在水平和竖直方向上的位移；第三是模型顶部设置垂直均布载荷，应力值为12.5 MPa，模拟厚度500 m、容重为2.5 t/m3的覆岩层的自重。

3.2 巷道留巷后模拟结果分析

沿空巷道留巷后，顶板的稳定性是由巷内的支护系统与巷旁的填充系统共同决定的，二者即构成了沿空留巷的围岩系统，通过数值模拟的方法对3种巷道支护技术方案与巷道顶底板变形的关系进行计算，以确定适用于当前综采工作面的巷旁支护技术方案。

建立数值模拟模型时在直接顶下边界、巷道上下帮和底板上边界各设置一条观测线，完成数值模拟计算之后调出巷道顶底板位置的变形曲线结果。由数值模拟结果可以得出，留巷之后采用方案一进行支护时的顶板变形量最大，在巷道的中部出现了折断，巷道中部顶底板之间的移近量高达350 mm左右。留巷之后采用方案二进行支护时顶板下沉极为严重，巷道中部顶底板之间的移近量高达485 mm。留巷之后采用方案三进行支护时巷道顶底板之间的移近量约为200 mm。基于上述仿真模拟结果可得，方案三对于巷道顶板的变形控制较好，顶底板之间的移近量最小，满足沿空留巷的要求。由巷道底板变形曲线可以看出三种方案底板变形量接近，巷道内部的底板变形量均处于10 mm范围内。综合以上分析结果确定以方案三对综采工作面进行沿空留巷巷旁支护时，支护效果显著。

4、应用效果评价

将混凝土砌块巷旁支护方案应用于综采工作面巷道观察其围岩控制的效果，评价该方案的合理性和可靠性。相较于原巷旁支护技术，该方案的应用使巷道墙体质量得到了好转，未出现墙体爆裂问题。通过实测巷道留巷稳定之后断面的围岩变形量和断面收缩率得出，巷道顶底板收缩率平均值仅为8.5%，巷道两帮的平均收缩率仅为5.4%，围岩效果显著。连续应用该方案支护的3个月时间内，巷道未出现巷道塌顶事故，工作稳定可靠。

5、结语

以某煤矿企业综采工作面为研究对象，完成了单排密集支柱支护、人工堆砌研石带支护、混凝土砌块支护三种支护方案的设计，采用UDEC软件完成了各巷道支护技术方案与巷道顶底板变形关系的数值模拟分析工作，结果表明，混凝土砌块巷旁支护技术方案较好，应用过程中沿空留巷巷道的顶底板收缩率平均值仅为8.5%，巷道两帮的平均收缩率仅为5.4%，工作稳定可靠。

程晓宁.沿空留巷巷旁支护技术应用分析[J].矿业装备,2020(03):212-213.