专题-综放沿空留巷技术及其应用.doc

1、综放沿空留巷技术及其应用摘要本文以综放工作面沿空留巷试验研究为基础，采用理论分析、数值模拟计算、相似材料模拟实验和现场工程实践与观测的综合研究方法，根据综放沿空留巷断面大小及支护方式的不同，对综放大断面沿空留巷及综放小断面沿空留巷的矿压显现规律进行研究，成功实现了综放工作面大断面沿空留巷，为综放工作面实现集约高效生产开拓了新思路。关键词综放开采 沿空留巷 矿压显现规律Abstract: This paper based on the test of fully-mechanized sub-level caving gob-side entry retaining, the theoretic

2、al analysis and numerical simulation calculation, similar material simulation experiment and the engineering practice and observation of the integrated research methods, according to the left lane caving empty section size and the support of the different ways, researched on the strata behaviors of

3、large and small sections of fully mechanized caving gob-side entry retaining, achieved fully mechanized sub-level caving face large section gob-side entry tetaining successfully, for the realization of sub-level caving intensive and effective production opens up a new train of thought.Keyword: sub-l

4、evel caving mining; gob-side entry tetaining; strata-pressure behavior1绪论能源是社会发展的基础，能源安全一直是世界各国关注和高度重视的问题。煤炭在世界范围内的能源结构中一直占据着重要的地位。中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。并且，在今后相当长时期内，煤炭在国民经济和社会发展中仍将占重要地位，具有不可替代性。随着我国市场经济的快速发展，为提高市场竞争力与可持续发展，煤炭工业已由过去的“增产增面，粗放管理，不计效益”的粗放式生产向安全高效集约化方向发展，通过绿色开采，实现资源效益最大化、社会效益最优化，最终实现人与自然的和

5、谐发展，其中安全高效集约化生产直接关系到煤炭企业的生存与发展，因此备受煤炭生产企业的重视。综放开采经过20多年的发展，我国在综放开采工艺、综放工作面设备配套、顶煤运动规律及矿山压力显现，放顶煤支架、综放工作面防火、防尘、防治瓦斯，提高综放工作面采出率等方面取得了大量科研成果，推动了综放开采装备、采煤工艺的变革，解决了综放开采中的许多技术性难题，使综放工作面最高单产和年产不断被刷新。沿空留巷技术是煤矿开采及回采巷道支护技术的一项重大改革，它对提高煤炭资源回收率、降低巷道掘进率、缓解采掘紧张关系和实现矿井集约化生产有显著效果。我国沿空留巷技术的研究与发展可分为3个阶段:(1)20世纪50-70年代

6、，以实测为基础的宏观规律描述阶段。这一阶段较正确地描述了沿空留巷的若干矿压规律，总结出在顶板中等稳定、底鼓不严重的薄及中厚水平煤层及缓斜煤层条件下的应用技术，但未解决巷道断面尺寸、形状及巷内和巷旁支护材料、参数选择等问题。(2)20世纪70-80年代，沿空留巷矿压机理研究的初期阶段，即二维问题处理阶段。主要特点:形成了在某些特定条件下沿空留巷支护阻力和强度计算公式。认为支护体要有较大阻力及足够可缩量。在护巷技术和工艺方面也做了开拓性工作。如金属可缩支架、机械化巷旁充填和工艺、硬石膏、速凝水泥等。(3)20世纪80年代始，对沿空留巷的研究进入动态研究阶段，主要采用平面理论，将沿空留巷矿压机理研究

7、与岩层活动规律结合。根据综放开采一次性采高大、工作面顺槽为煤层巷道的特点，综放工作面沿空留巷关键技术主要涉及3个方面:一是厚及特厚煤层沿空留巷岩层控制理论;二是沿空留巷矿压显现规律;三是沿空留巷巷道支护枯术。2综放开采沿空留巷岩层控制理论研究我国沿空留巷技术经过多年的引进、消化、吸收、试验和推广，已基本掌握了薄煤层及中厚煤层工作面沿空留巷的矿压显现规律及巷旁支护体的作用机理，其主要认识有:(1)沿空留巷围岩剧烈变形是由回采面推进引起老顶破断、失稳、剧烈沉降所致，即巷道剧烈变形与采面来压同步。(2)沿空留巷顶板是以巷道煤体上部某一轴线向采空区侧旋转而造成其剧烈沉降。(3)巷旁支护体不可能完全阻止

8、采煤工作面来压引起的巷道顶板剧烈沉降，但是高阻力的巷旁支护体切顶高度大，使冒落岩石巷旁支护高度大，从而能充分利用冒落研石承载，促使巷旁支护体与围岩尽快达到新的平衡状态，以减少顶板下沉量。(4)一般情况下，沿空巷道的顶板下沉速度在工作面后方一个来压步距左右位置处最为强烈，顶板剧烈下沉主要发生在工作面后方0-40m的范围内，60-70m以后，顶板下沉趋于稳定。(5)采动期间沿空留巷的顶板下沉量与煤层采厚呈正比关系，一般少则为采厚的10%，多则为15%-20%，基本上属“给定变形”，煤层采厚愈小，愈有利于沿空留巷的维护。(6)为适应老顶的强烈变形，巷旁支护体应具有早期强度大、增阻速度快、较大的支护阻

9、力和一定的可缩量，使其与巷内支护共同维护好巷道内直接顶，使之不破碎，不与上部老顶离层，并将采空区侧直接顶甚至老顶切断。但是，对于综放工作面而言，工作面采高大，综放工作面一次开采的煤层厚度一般都是普通综采工作面的2-3倍以上，因开采厚度大而引起上覆顶板岩层大范围更为剧烈的活动。另外综放工作面巷道上方为顶煤，受工作面采动影响，沿空留巷时巷旁支护体上方是破碎松软的顶煤而不是较为坚硬的直接顶，使得综放沿空留巷围岩稳定性控制的难度更大。2.1综放沿空留巷围岩结构特征对于采用锚网索联合支护的综放工作面巷道，由于巷道支护强度高且工作面推过后锚杆、锚索等不拆除回收，当巷道工作面侧煤帮随工作面推进而割除后，支护

10、范围内的顶板(含顶煤)呈悬臂梁状态(图2.1)，由于放顶煤工作面在两端放煤效果较差，工作面端头处冒落的顶煤与直接顶充填高度大，垮落的大块老顶(关键块)一端由采空区冒落的研石支承，另一端由实体煤帮上方直接顶支承，成斜跨梁结构。图2.1综放冶空巷通围岩矿压显现特征顶煤、直接顶组成的这种悬臂梁因是否采用巷旁支护及支护强度的不同，表现为3种变形破坏特征。一种是无巷旁支护情况下，工作面原有巷道上方悬臂梁结构将由于老顶斜跨梁结构的回转下沉而在实体煤帮侧折断，受关键块斜跨支承掩护和锚网支护作用，使综放沿空垮落巷道处存在一个三角形“免压区”或“低压区”，如图2.2所示。第二种是有巷旁支护，即采用沿空留巷，但巷

11、旁支护强度较低，不能限制顶煤、直接顶所组成的悬臂梁结构产生离层与下沉且下沉量超过悬臂梁结构的允许值，悬臂梁折断后呈斜跨梁结构，其上方老顶关键块也形成大的斜跨梁结构。第三种与第二种不同在于巷旁支护强度高，巷内顶煤、顶板完整性较好，顶煤、直接顶所组成的悬臂梁结构在“限定变形”条件下保持完好，其上方老顶斜跨梁结构关键块向采空区侧偏移。图2.2综放工作面锚网支护巷道垮落特征放顶煤工作面锚网支护巷道的这种垮落特征，不仅为放顶煤工作面小断面留巷提供了条件，而且为工作面大断面留巷顶煤的支护奠定了基础。对于综放工作面大断面沿空留巷，由于顶煤和直接顶通过锚网索支护可形成相对稳定的结构，从而呈现以煤帮为支承点的悬

12、臂梁状态。随着工作面推进，受老顶回转下沉的影响，该悬臂梁急剧转动，悬臂梁的沉降量与厚煤层一次开采厚度呈线性关系。综放沿空巷道实体煤帮作为悬臂梁的一个支承点承受较为集中的支承压力，所以沿空巷道煤帮会产生严重破裂。这不仅导致煤帮强烈位移，而且随悬臂梁的回转角增加，会引起巷旁支护侧巷道顶煤急剧沉降。因此，巷旁支护及巷内加强支护是综放工作面大断面留巷能否成功的关键。巷旁支护体上方顶煤在工作面前方超前支承压力的作用下，已比较破碎，刚度和强度都比较低。采高的增加及顶煤的存在，使得综放工作面沿空留巷顶板活动(尤其是老顶的破断)、巷内加强支护、巷旁支护(巷旁支护工艺及巷旁支护参数)等都需进行系统研究。控制巷旁

13、支护体上方顶煤完整性是综放工作面大断面沿空留巷成功的基础。如果顶煤塌漏严重(见图2.3)，巷旁支护体不能将支撑阻力传递给直接顶，导致老顶回转下沉量加大，因而造成巷道顶板和巷道煤帮严重破坏，则综放工作面沿空留巷难以成功。图2.3巷旁支护体上方顶煤塌漏2.2综放沿空留巷围岩结构活动基本规律根据以上综放工作面巷道垮落特征和老顶破断的基本规律，提出综放沿空留巷围岩大小结构的概念，以利于说明综放沿空留巷受工作面两次采动影响的稳定性。1.2.1综放沿空留巷上覆岩体大结构综放沿空留巷上覆岩体是通过巷道顶煤与巷道发生作用，当综放工作面推过后，岩体的垮落特征、垮落后的赋存状态在很大程度上取决于老顶岩层的断裂特征

14、及其垮落后的赋存状态。由上可知，综放沿空留巷巷道上方老顶均存在斜跨梁结构，对于图2.2所示条件该结构的稳定性将直接影响留巷顶板及两帮的稳定性。为研究方便，将老顶及其上部载荷岩层垮落后形成的平衡结构(斜跨梁结构)，称之为综放沿空留巷上覆岩体大结构。该结构的稳定性与其下位支承体的稳定性密切相关，综放沿空留巷围岩变形受“大结构”稳定性的影响很大。1.2.2综放沿空留巷围岩小结构相对于综放沿空留巷上覆岩体的大结构而言，由直接顶、顶煤所构成的悬臂梁结构或斜跨梁结构为综放沿空留巷围岩小结构。悬臂梁或斜跨梁结构一端的支承体为煤帮，另一端为巷旁支护，因此煤帮的稳定性、承载能力及巷旁支护体的支护强度、抗变形能力

15、将直接影响结构的稳定性及承受大结构作用的能力;同时由顶煤、直接顶所组成的悬臂梁或斜跨梁结构自身的承载能力与巷内支护密切相关，当顶煤、直接顶在巷内支护作用下保持较好的完整性时，结构本身承载能力强，沿空留巷围岩变形较小，反之，沿空留巷困难。因此加强巷内顶板支护，维护顶煤、直接顶的完整性，采用有效的巷旁支护与煤帮加固措施，保持综放沿空留巷小结构本身的稳定是综放沿空留巷稳定的根本。1.2.3综放沿空留巷大结构稳定性分析模型综放沿空留巷大结构是在第一次本区段工作面推进过程中形成的。根据老顶破断形态，建立沿空留巷上覆岩体大结构的稳定性分析模型。(1)模型1:关键块触研位置在未放顶煤段上方(如图2.4所示)

16、图2.4沿空留巷大结构稳定性分析模型1a- 老顶的断裂位置 -关键块超前断裂距离 -沿空留巷宽度a-巷旁支护体宽度 d-老顶(关键块)在采空区中的触矸位置e-块B与C的铰接点 -关健块的回转角 l-老顶岩层的断裂跨度-巷旁支护体的支承反力 -未放煤段支反力-煤帮侧支承力P-块体B上的载荷当本区段工作面推进后，上覆岩层形成大结构时，关键块B的下沉量计算如下:(a)关键块B在采空区触研处的给定下沉量:式中:M-煤层采高，m;T-顶煤厚度，m;-煤层厚度，=M+T，m;-直接顶厚度，m;-煤的碎胀系数，取1.3;-直接顶的碎胀系数，取1.2;C-工作面采出率(b)关键块B回转对巷旁支护体位置处直接顶和顶煤的压缩量:假设块B在其断裂位置a处无下沉，则(2)模型2:关键块触研位置在采空区研石上方(如图2.5)当本区段工作面推进过程中，上覆岩层