薄煤层高瓦斯矿井近距离煤层开采沿空留巷技术研究应用_钮长松

《薄煤层高瓦斯矿井近距离煤层开采沿空留巷技术研究应用_钮长松》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

第42卷第03期煤炭技术Vol.42No.032023年03月CoalTechnologyMar.2023doi:10.13301/j.cnki.ct.2023.03.013薄煤层高瓦斯矿井近距离煤层开采沿空留巷技术研究应用钮长松（国家乌海能源黄白茨矿业有限责任公司，内蒙古乌海016000）摘要：针对黄白茨煤矿采掘接续紧张、煤炭采出率低等问题，在黄白茨煤矿0213上201工作面应用柔模混凝土沿空留巷开采技术。考虑0213上201工作面上覆12煤采空区的影响，通过现场调研、理论计算、数值模拟和现场实际相结合的方法，重点设计研究了在上覆近距离煤层采空区影响下，沿空留巷巷旁支护体宽度对留巷巷道的影响。通过数值模拟及实际应用表明：黄白茨煤矿上2021301工作面随着巷旁支护体宽度增大，巷旁支护体受上覆岩层垂直应力处于先减小后稳定趋势，同时巷道顶板应力、副帮水平应力都处于先减小后稳定趋势；通过理论计算所确定的巷旁支护体宽度为1.0m，强度C30，在实际应用中，满足留巷要求，留巷效果良好。关键词：高瓦斯；沿空留巷；数值模拟；巷旁支护中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：1008－8725（2023）03－069－05ResearchandApplicationofGob-sideEntryRetainingTechnologyinCloseDistanceCoalSeamMininginThinCoalSeamandHighGasMineNIUChangsong(NationalWuhaiEnergyHuangbaiciMiningCo.,Ltd.,Wuhai016000,China)Abstract：InviewoftheproblemsoftenseminingconnectionandlowcoalrecoveryrateinHuangbaicicoalmine,thesoftmodelconcretegob-sideentryretainingminingtechnologywasappliedup2in021301workingfaceofHuangbaicicoalmine.Consideringtheinfluenceof12coalseamgoafonup2021301workingface,throughfieldinvestigation,theoreticalcalculation,numericalsimulationandfieldpractice,focusesonthedesignandresearchoftheinfluenceofthewidthofthesupportingbodynearthegob-sideentryretainingroadwayonthegob-sideentryretainingroadwayundertheinfluenceofthegoafoftheclosedistancecoalseam.Numericalsimulationandpracticalapplicationshowthat:withtheincreaseofthewidthoftheroadsidesupport,theverticalstressoftheroadsidesupportup2subjectedtotheoverlyingstrataat021301workingfaceinHuangbaicicoalminedecreasesfirstandthenstabilizes,whilethestressoftheroadwayroofandthehorizontalstressoftheauxiliarywalldecreasefirstandthenstabilizes;throughtheoreticalcalculation,thewidthofroadwaysupportbodyis1.0mandthestrengthC30isdetermined.Inpracticalapplication,itmeetstherequirementsofroadwayretainingandtheeffectofroadwayretainingisgood.Keywords:highgas;gob-sideentryretaining;numericalsimulation;roadsidesupport0引言使围岩变形量降低50%以上，巷道围岩变形得到有我国经济发展迅速，煤炭资源消耗量与日俱效控制。孙晓冬等人研究了复采工作面无煤柱开采增。以往的采煤方法会产生大量煤柱，从而浪费煤技术，采用该技术对山西某矿复采工作面进行了方炭资源，为了提高煤炭采出率，提高矿井安全生产案设计，与传统方案相比，具有更高的安全性和可靠和矿井经济效益，沿空留巷技术逐渐推广应用到我性，并可创造可观的经济效益。李明等研究了超长工国煤矿生产中。作面深孔预裂卸压沿空留巷技术，最终应用在陈四现阶段大量学者已在沿空留巷技术方面取得楼煤矿2803工作面沿空留巷，取得较好效果。吕坤了丰富的研究成果，李晓白等人进行了6m大采高进行了采动影响下特厚煤层巷道围岩支护技术研沿空留巷巷旁支护研究，重点设计研究了巷旁支护究，提出了采动影响下特厚煤层巷道围岩分次支护参数、底板加固参数、临时加强支护参数。研究表技术，并进行了工程实践。明，参数合理，效果良好，具有很好的经济效益和应根据现有沿空留巷研究成果，结合黄白茨煤矿用前景。谢小平等人进行了断层附近软岩巷道围岩地质条件特点，本文采用数值模拟和理论计算相结破坏机理及控制研究，通过优化支护技术方案最终合的方法，针对薄煤层沿空留巷合理性研究进行分69

1Vol.42No.03薄煤层高瓦斯矿井近距离煤层开采沿空留巷技术研究应用———钮长松第42卷第03期析，提出薄煤层高瓦斯矿井近距离煤层采空区下工白茨煤矿0213上201工作面顶板砂质页岩的平均抗作面沿空留巷支护方案，结合现场实际应用验证其压强度为15.52MPa，平均内摩擦角为33.1°，凝聚力合理性，从而为类似工程提供有益借鉴。1.24MPa；粉砂岩的平均抗压强度为37.98MPa，平1工程概况均内摩擦角为35.56°，凝聚力1.04MPa。结果表明：黄白茨煤矿0213上201工作面位于二水平1312工作面顶板岩层较坚硬，岩石工程地质性质较好。采区，距地表垂深约214.3~239m，工作面长度236m，2.2巷道支护参数推进长度1270m。0213上201工作面为南翼采区首沿空留巷与通常工作面巷道相比，服务周期长采工作面，留巷巷道为0213上201工作面运输巷，留（一巷两用）、受矿压影响大（本工作面未开采时的静巷段为13上201工作面运输巷切眼处至运输巷停采压、本工作面开采时的动压、下区段工作面开采时的线位置，留巷全长约1250m。综采工作面平面布置动压）。因此，0213上201工作面运输巷掘进之前对运图如图1所示。输巷进行加强支护，顶板利用锚索进行补强支护，帮回风绕巷部锚杆支护补强，确保巷道能够满足无煤柱开采时上201回风巷的二次复用。0213上2021301工作面运输巷为矩形断面，其巷道宽0213上201工作面5100mm，高2600mm，如图3所示。通过巷道支护0213上201工上2作面切眼参数校核，021301工作面运输巷主要支护参数如0213上203回风巷下：顶板采用金属锚杆、锚索、钢带、金属网联合支护。顶板采用金属网支护，采用φ20mm×2200mm图1综采工作面平面布置图螺纹钢锚杆，每排6根，间排距900mm×1000mm，结合黄白茨13上2煤采掘工程平面图、12煤采采用φ21.8mm×6300mm钢绞线锚索，三花布置，掘工程平面图，0213上201工作面上覆为021201、间排距1550mm×2000mm；帮部采用塑料网支护，021203工作面采空区，通过93-4、206钻孔柱状分析，采用φ18mm×1800mm玻璃钢锚杆，五花布置，间上2上2021301工作面距上覆12煤间距约14m，021301排距800mm×1500mm。工作面上覆岩层采空区对照图如图2所示。130025001300锚索φ21.8×6300钢绞线φ20×2200左旋无纵肋螺纹钢锚杆间排距2000×2500间排距1000×900工作面0213上20102120115°15°切眼玻璃钢锚杆φ18×1800玻璃钢锚杆φ18×1800间排距1500×900300900900900900900300间排距1500×900005轨带式巷021203工作面道输送道补回风巷00中中机中021301工作面9心心线心运输巷线线00620011001450135012002110049001005100图20213上201工作面上覆采空区对照图图30213上2黄白茨煤矿沿空留巷是为了将0213上201工作面运输巷支护图01工作面运输巷保留下来，作为0213上23沿空留巷数值模拟分析03工作面的回风巷使用。同时，回收两工作面间20m区段煤柱，少3.1工况分析本次数值模拟主要研究黄白茨煤矿0213上2掘1条巷道，可以缓解矿井采掘接替紧张的局面。在01上2工作面运输巷柔模混凝土沿空留巷，分析本工作面021301工作面成功留巷后，推广至其余开采工作面，最大限度回收区段煤柱，实现效益最大化。实际工程情况，按对应地质条件，进行建模分析。本2留巷工作面顶底板及巷道支护情况次数值模拟特殊工况如下：上22.1工作面顶底板情况（1）现021301工作面地表堆放有高度约120m0213上201工作面回采煤层为13煤，煤层厚度的矸石渣堆；0.6~1.9m，平均厚度1.4m，实际采高1.7m，工作面（2）上覆12煤与13煤层间距相近，最近距离约倾角7°。0213上213m，13煤开采会受上覆12煤采空区的影响；01工作面基本顶为砂质页岩，平均上2厚度8.0~8.72m，直接顶为粉砂岩，平均厚度2~4.49m，（3）021201、021203工作面为021301工作面直接底为砂质泥岩，平均厚度2.58~5m。上覆采空区。对0213上23.201工作面运输巷进行顶板取芯，并建立模型对取芯岩样进行实验室力学检测，初步分析得出黄针对以上特殊工况，提出数值模拟方案：70

2第42卷第03期薄煤层高瓦斯矿井近距离煤层开采沿空留巷技术研究应用———钮长松Vol.42No.03上2ContourofZZ-Stress（1）以021301工作面上覆岩层及渣堆自重Calculatedby:VolumetricAveraging0.8m7.2714E+05作为应力加载；0.0000E+00-1.0000E+06上2-2.0000E+06（2）分析受上覆煤层采空区影响，021301工-3.0000E+06-4.0000E+06作面运输巷柔模混凝土沿空留巷受本工作面回采动-5.0000E+06-6.0000E+06-7.0000E+06压影响应力分布，留巷不同宽度墙体（0.8、1.0、1.2、1.5m）-8.0000E+06-9.0000E+06-9.2342E+06应力分布。0.8m墙体数值模型建立是根据实际工程情况按比例而设定，模型尺寸250m×100m×80m，采用零位移边界(a)0.8m条件设置模型的左、右、前、后以及下边界，上边界为ContourofZZ-Stress自由边界，根据实际工程情况，13煤层厚1.7m，12煤Calculatedby:VolumetricAveraging1.0m7.2714E+050.0000E+00与13煤层间距14m，12煤煤层厚度4m。根据实验-1.0000E+06-2.0000E+06-3.0000E+06室岩样力学参数，模型各煤岩层物理力学参数如表1-4.0000E+06-5.0000E+06-6.0000E+06所示，建立模型如图4所示。-7.0000E+06-8.0000E+06表1煤层顶板物理力学参数-9.0000E+061.0m墙体-9.2342E+06体积模切变模内聚力内摩擦密度抗拉强岩层量/GPa量/GPa/MPa角/(°)/kg-3度/MPa·m老顶2.661.22325.622601.54直接顶4.85.622924001(b)1.0m煤0.340.33.43613200.5ContourofZZ-Stress直接底4.85.622924001Calculatedby:VolumetricAveraging1.2m7.2714E+050.0000E+00-1.0000E+06-2.0000E+06-3.0000E+06-4.0000E+06-5.0000E+0612煤-6.0000E+06-7.0000E+0613煤-8.0000E+0608-9.0000E+061.2m墙体-9.2342E+06250010(c)1.2mContourofZZ-Stress图4黄白茨煤矿工作面沿空留巷数值模拟模型Calculatedby:VolumetricAveraging1.5m7.2714E+05根据类似研究成果以及实际工程情况，对工作0.0000E+00-1.0000E+06-2.0000E+06面推进（模拟100m）过程中受回采工作面动压影响-3.0000E+06-4.0000E+06-5.0000E+06下沿空留巷巷道进行计算机数值模拟，分别分析沿-6.0000E+06-7.0000E+06空留巷巷旁支护体宽度在0.8、1.0、1.2、1.5m时巷-8.0000E+06-9.0000E+061.5m墙体-9.2342E+06道应力分布情况，通过工作面开挖后应力重新分布，对墙体自身应力、巷道周边应力及顶底板位移情况进行分析，为巷旁支护体参数设计提供参考依据。(d)1.5m3.3模拟结果分析图6不同巷旁支护体宽度下留巷巷道应力云图（单位：Pa）模拟1301工作面回采，分析不同宽度巷旁支护上2通过对上覆采空区下021301工作面沿空留体沿空留巷下巷道所受回采动压情况。如图5~图7巷的数值模拟，分析结果如图8所示。所示。由应力分布折线图分析，随着巷旁支护体宽度增大，巷旁支护体受上覆岩层垂直应力处于先减小后稳定趋势，同时巷道顶板应力、副帮水平应力都处于先减小后稳定趋势，巷旁支护体上水平应力在1.2m12煤采空区时达到最大，0.8、1.0m时较小；综合以上分析，在上覆12煤采空区影响下，0213上201工作面沿空留巷，巷旁支护体宽度较为合理的宽度为1.0m，强度C30。1301工作面1301运输巷4沿空留巷支护设计4.1沿空留巷压力计算为了有效分析1.0m宽度下、C30柔模混凝土充填墙体承载力能否满足要求，采用“经验算法”和图5工作面及巷道开挖结构图“分离岩块法”进行验证分析。71

3Vol.42No.03薄煤层高瓦斯矿井近距离煤层开采沿空留巷技术研究应用———钮长松第42卷第03期Zone0.8m（1）经验算法Colorby:State-AverageNoneshear-nshear-p巷旁支护的受力来源于直接顶岩柱的重量和老shear-nshear-ptension-pshear-p顶转动对直接顶造成的挤压变形压力。将直接顶视shear-ptension-ptension-nshear-ptension-ptension-ntension-p为不可自身平衡的岩体，它的重量W将全部由巷旁tension-p支护承担，直接顶岩柱重量W=lb∑hρ=408～816kN（1）其中，直接顶高度∑h的大小以填满采空区为准∑h=h1/(k0-1)式中l———沿空留巷控顶长度，l=5.0m；(a)0.8mb———直接顶岩块的宽度，b=1m；Zone1.0mColorby:State-Average3ρ———直接顶岩块的容重，ρ=24kN/m；Noneshear-n上2shear-nshear-ph1———采高，021301工作面的有效采高h1=shear-nshear-ptension-pshear-pshear-ptension-p1.7m；tension-nshear-ptension-ptension-ntension-ptension-pk0———岩层的碎胀系数，k0=1.25～1.5。式（1）中直接顶岩块宽度为1m，则利用经验算法计算出的即为沿空留巷巷旁支护阻力延米压力W′=408～816kN/m老顶转动对直接顶造成的挤压变形压力一直难(b)1.0m以确定，传统办法是采用实测的动压系数η来估算，ZoneColorby:State-Average一般动压系数η≤2，本着偏于安全的角度，设计时1.2mNoneshear-n沿空留巷巷旁支护阻力延米压力和动压系数均取其shear-nshear-pshear-nshear-ptension-pshear-p最大值，则沿空留巷的最大延米载荷shear-ptension-ptension-nshear-ptension-ptension-ntension-pQm=ηW′=1632kN/m（2）tension-p（2）分离岩块法根据给定工程条件，建立沿空留巷计算模型，如图9所示。q(c)1.2mZoneColorby:State-Average1.5m锚None索shear-nshear-nshear-pshear-nshear-ptension-pθHshear-pshear-ptension-ptension-nshear-ptension-ptension-ntension-p锚tension-p杆P塑性区煤层BmBbBpBcL(d)1.5m图9沿空留巷计算模型图7不同巷旁支护体宽度下留巷巷道塑性区分布图巷旁支护载荷9巷旁支护体竖直应力8htanθ+2(Bb+Bp+Bc)h(Bb+Bp+Bc)γcosα巷旁支护体水平应力q=×（3）8巷道顶板应力BpBb+0.5Bp巷帮水平应力7式中Bb———巷旁支护内侧到煤帮的距离，Bb=5.1m；6Bp———巷旁支护宽度，Bp=1.0m；aP5B———巷旁支护外侧悬顶距，悬臂梁长度最小/Mc力应4取1.0m，最大取1个周期来压步距（按320m计算），20-5.1-1.5=13.4m；32γ———顶板分离岩块容重，取γ=24kN/m；1h———有效采高，取h=1.7m；0θ———剪切角，根据经验选取θ=26°；0.81.01.21.41.6巷旁支护体宽度/mα———煤层倾角，取α=7°。图8上覆采空区影响下巷道应力分布图①当巷旁支护体外悬臂长度为1m时，取动压系72

4第42卷第03期薄煤层高瓦斯矿井近距离煤层开采沿空留巷技术研究应用———钮长松Vol.42No.03数η=1.5，此时巷旁支护最小静载荷qj=1604.20kN/m；时，fcc=14.3MPa；2②当巷旁支护体外悬臂长度13.4m时，取动压系Ac′———正截面面积，取Ac′=1m。数η=1.5，此时巷旁支护最大动载荷qd=9651.58kN/m。由式（4）可知，留巷宽度5.1m时，纺织结构混综合传统经验法和分离岩块法计算结果，本着凝土墙体的承载能力为13871kN/m，大于作用在墙偏于安全的理念，墙体浇筑于采空区，最终确定沿空体上的最大载荷9651.58kN/m，安全系数1.4，因此留巷的最大荷载为9651.58kN/m。可视沿空留巷墙体支护强度满足安全要求4.2巷旁充填体承载力计算4.3沿空留巷支护方案根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》，经过计算机数值模拟及理论分析，本沿空留巷纺织结构混凝土墙体的承载能力支护方案如下：N=φfccAc′=13871kN/m（4）巷道支护断面如图10所示。柔模墙体设计墙厚式中φ———素混凝土构件的稳定系数，取φ=0.97；1.0m，混凝土设计强度C30，留巷墙体浇筑于采空fcc———素混凝土抗压强度设计值，C30混凝土区，配合柔模混凝土沿空留巷端头支架及挡矸支架。φ21.8×6300锚索φ21.8×6300锚索φ20×2200挂模锚杆螺纹钢锚杆φ20×2200φ20×80015°1550155015°螺纹钢锚杆菱形金属网0030090090090090090030050014008005挡00矸φ18×180007采空区玻璃钢锚杆08001支82架墙体底板补强锚杆0008φ20×22000445°煤层底板510050010008001900图10沿空留巷支护断面图5工程应用控制技术研究应用［J］.中国矿业,2021,30(S1):321-324.根据0213上201［3］何东升,殷术明.中厚煤层柔模混凝土沿空留巷矿压规律与围岩工作面运输巷沿空留巷方案进行控制技术［J］.煤炭工程,2018,50(9):35-38.现场实施，在黄白茨煤矿现场已成功实施留巷200m，［4］丁剑.厚煤层沿顶掘进巷道沿空留巷技术研究［J］.中国矿业,2019,28巷道变形量小，底板完好，留巷墙体支护效果好，采(S1):158-162.空区随采随垮，留巷墙体采空区侧无悬顶，留巷效果［5］郝晓飞,郝兵元,谢益盛,等.中厚煤层沿空留巷巷旁柔模混凝土充填体合理宽度研究及应用［J］.矿业安全与环保,2019,46(5):60-65.良好，［6］方基详,张佳飞.厚煤层无煤柱沿空留巷围岩“卸压-支护”机理及6结语控制技术研究应用［J］.中国矿业,2021,30(S1):321-324.上2（1）根据黄白茨煤矿021301工作面实际条［7］崔石磊,佘永明,边春林,等.厚煤层柔模沿空留巷工艺在神东矿区件进行数值模拟分析，随着巷旁支护体宽度增大，巷的应用［J］.煤炭工程,2016,48(1):52-55.旁支护体受上覆岩层垂直应力处于先减小后稳定趋［8］李晓白,潘海兵,石景帅,等.6m大采高沿空留巷巷旁支护研究［J］.煤炭工程,2019,51(5):78-81.势，同时巷道顶板应力、副帮水平应力都处于先减小［9］谢小平,吴刚,尉瑞,等.断层附近软岩巷道围岩破坏机理及控制研后稳定趋势，巷旁支护体上水平应力在1.2m时达到究［J］.煤炭科学技术,2020,48(9):195-202.最大，0.8、1.0m时较小。［10］孙晓冬，黄志增，郑建伟，等.复采工作面无煤柱开采技术［J］.湖南科技大学学报(自然科学版)，2020，35(3):1-6.（2）采用“经验算法”和“分离岩块法”对数值模［11］李明,李巍,张鹏.超长工作面深孔预裂卸压沿空留巷技术研究［J］.拟确定的合理巷旁充填体宽度下充填体的承载力进矿业研究与开发,2021,41(2):7-13.行验算，最终确定留巷墙体宽度为1.0m，强度C30。［12］吕坤.采动影响下特厚煤层巷道围岩支护技术［J］.煤矿安全,2021,（3）通过现场实际应用200m情况来看，柔模52(2):105-112.墙体支护强度满足留巷要求，采空区随采随垮，柔模［13］刘迅.沿空巷道侧采空区上方基本顶断裂位置研究［J］.矿业安全与环保,2017,44(5):40-44.墙体采空区侧无悬臂梁，留巷效果良好，满足巷道使［14］王晓虎,李迎富,华心祝,等.深部复合顶板下沿空留巷巷旁充填用要求。体合理宽度研究［J］.煤炭工程,2016,48(10):41-44.参考文献：作者简介：钮长松（1970-），江苏扬州人，高级工程师，主要从事煤矿经［1］武强,涂坤,曾一凡,等.打造我国主体能源(煤炭)升级版面临的主营管理和智能矿山建设研究及实践工作，电子信箱：10771388@chnenergy.要问题与对策探讨［J］.煤炭学报,2019,44(6):1625-1636.com.cn.［2］方基详,张佳飞.厚煤层无煤柱沿空留巷围岩“卸压-支护”机理及责任编辑：王泽兰收稿日期：2022－03－2173