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.pdf

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0213上201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1.0 m，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 05Research and Application of Gob-side Entry Retaining Technology inClose Distance Coal Seam Mining in Thin Coal Seam and High GasMineNIU Changsong(National Wuhai Energy Huangbaici Mining Co.,Ltd.,Wuhai 016000,China)Abstract：In view of the problems of tense mining connection and low coal recovery rate inHuangbaici coal mine,the soft model concrete gob-side entry retaining mining technology was appliedin 0213up201 working face of Huangbaici coal mine.Considering the influence of 12 coal seam goaf on0213up201 working face,through field investigation,theoretical calculation,numerical simulation andfield practice,focuses on the design and research of the influence of the width of the supporting bodynear the gob-side entry retaining roadway on the gob-side entry retaining roadway under the influenceof the goaf of the close distance coal seam.Numerical simulation and practical application show that:with the increase of the width of the roadside support,the vertical stress of the roadside supportsubjected to the overlying strata at 0213up201 working face in Huangbaici coal mine decreases first andthen stabilizes,while the stress of the roadway roof and the horizontal stress of the auxiliary walldecrease first and then stabilizes;through theoretical calculation,the width of roadway support body is1.0 m and the strength C30 is determined.In practical application,it meets the requirements ofroadway retaining and the effect of roadway retaining is good.Key words:high gas;gob-side entry retaining;numerical simulation;roadside support第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0130引言我国经济发展迅速，煤炭资源消耗量与日俱增。以往的采煤方法会产生大量煤柱，从而浪费煤炭资源，为了提高煤炭采出率，提高矿井安全生产和矿井经济效益，沿空留巷技术逐渐推广应用到我国煤矿生产中。现阶段大量学者已在沿空留巷技术方面取得了丰富的研究成果，李晓白等人进行了6 m大采高沿空留巷巷旁支护研究，重点设计研究了巷旁支护参数、底板加固参数、临时加强支护参数。研究表明，参数合理，效果良好，具有很好的经济效益和应用前景。谢小平等人进行了断层附近软岩巷道围岩破坏机理及控制研究，通过优化支护技术方案最终使围岩变形量降低50%以上，巷道围岩变形得到有效控制。孙晓冬等人研究了复采工作面无煤柱开采技术，采用该技术对山西某矿复采工作面进行了方案设计，与传统方案相比，具有更高的安全性和可靠性，并可创造可观的经济效益。李明等研究了超长工作面深孔预裂卸压沿空留巷技术，最终应用在陈四楼煤矿2803工作面沿空留巷，取得较好效果。吕坤进行了采动影响下特厚煤层巷道围岩支护技术研究，提出了采动影响下特厚煤层巷道围岩分次支护技术，并进行了工程实践。根据现有沿空留巷研究成果，结合黄白茨煤矿地质条件特点，本文采用数值模拟和理论计算相结合的方法，针对薄煤层沿空留巷合理性研究进行分69析，提出薄煤层高瓦斯矿井近距离煤层采空区下工作面沿空留巷支护方案，结合现场实际应用验证其合理性，从而为类似工程提供有益借鉴。1工程概况黄白茨煤矿0213上201工作面位于二水平1312采区，距地表垂深约214.3239 m，工作面长度236 m，推进长度1 270 m。0213上201工作面为南翼采区首采工作面，留巷巷道为0213上201工作面运输巷，留巷段为13上201工作面运输巷切眼处至运输巷停采线位置，留巷全长约1 250 m。综采工作面平面布置图如图1所示。图1综采工作面平面布置图结合黄白茨13上2煤采掘工程平面图、12煤采掘工程平面图，0213上201工作面上覆为021201、021203工作面采空区，通过93-4、206钻孔柱状分析，0213上201工作面距上覆12煤间距约14m，0213上201工作面上覆岩层采空区对照图如图2所示。图20213上201工作面上覆采空区对照图黄白茨煤矿沿空留巷是为了将0213上201工作面运输巷保留下来，作为0213上203工作面的回风巷使用。同时，回收两工作面间20 m区段煤柱，少掘1条巷道，可以缓解矿井采掘接替紧张的局面。在0213上201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。2留巷工作面顶底板及巷道支护情况2.1工作面顶底板情况0213上201工作面回采煤层为13煤，煤层厚度0.61.9 m，平均厚度1.4 m，实际采高1.7 m，工作面倾角7。0213上201工作面基本顶为砂质页岩，平均厚度8.08.72 m，直接顶为粉砂岩，平均厚度24.49 m，直接底为砂质泥岩，平均厚度2.585 m。对0213上201工作面运输巷进行顶板取芯，并对取芯岩样进行实验室力学检测，初步分析得出黄白茨煤矿0213上201工作面顶板砂质页岩的平均抗压强度为15.52 MPa，平均内摩擦角为33.1，凝聚力1.24 MPa；粉砂岩的平均抗压强度为37.98 MPa，平均内摩擦角为35.56，凝聚力1.04 MPa。结果表明：工作面顶板岩层较坚硬，岩石工程地质性质较好。2.2巷道支护参数沿空留巷与通常工作面巷道相比，服务周期长（一巷两用）、受矿压影响大（本工作面未开采时的静压、本工作面开采时的动压、下区段工作面开采时的动压）。因此，0213上201工作面运输巷掘进之前对运输巷进行加强支护，顶板利用锚索进行补强支护，帮部锚杆支护补强，确保巷道能够满足无煤柱开采时的二次复用。0213上201工作面运输巷为矩形断面，其巷道宽5 100 mm，高2 600 mm，如图3所示。通过巷道支护参数校核，0213上201工作面运输巷主要支护参数如下：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20 mm2 200 mm螺纹钢锚杆，每排6根，间排距900 mm1 000 mm，采用21.8 mm6 300 mm钢绞线锚索，三花布置，间排距1 550 mm2 000 mm；帮部采用塑料网支护，采用18 mm1 800 mm玻璃钢锚杆，五花布置，间排距800 mm1 500 mm。图30213上201工作面运输巷支护图3沿空留巷数值模拟分析3.1工况分析本次数值模拟主要研究黄白茨煤矿0213上201工作面运输巷柔模混凝土沿空留巷，分析本工作面实际工程情况，按对应地质条件，进行建模分析。本次数值模拟特殊工况如下：（1）现0213上201工作面地表堆放有高度约120m的矸石渣堆；（2）上覆12煤与13煤层间距相近，最近距离约13 m，13煤开采会受上覆12煤采空区的影响；（3）021201、021203工作面为0213上201工作面上覆采空区。3.2建立模型针对以上特殊工况，提出数值模拟方案：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Vol.42 No.030213上01工作面切眼0213上201工作面0213上01回风巷回风绕巷0213上203回风巷0213上01切眼021201工作面021203工作面补回风巷021301工作面运输巷锚索21.86 300钢绞线间排距2 0002 500玻璃钢锚杆181 800间排距1 500900202 200左旋无纵肋螺纹钢锚杆间排距1 000900玻璃钢锚杆181 800间排距1 500900带式输送机中心线巷道中心线轨道中心线1 1001 4501 3501 2001004 9005 1001001 20090050030030015900900900900900152 6001 3002 5001 30022270（1）以0213上201工作面上覆岩层及渣堆自重作为应力加载；（2）分析受上覆煤层采空区影响，0213上201工作面运输巷柔模混凝土沿空留巷受本工作面回采动压影响应力分布，留巷不同宽度墙体（0.8、1.0、1.2、1.5 m）应力分布。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250 m100 m80 m，采用零位移边界条件设置模型的左、右、前、后以及下边界，上边界为自由边界，根据实际工程情况，13煤层厚1.7 m，12煤与13煤层间距14 m，12煤煤层厚度4 m。根据实验室岩样力学参数，模型各煤岩层物理力学参数如表1所示，建立模型如图4所示。表1煤层顶板物理力学参数图4黄白茨煤矿工作面沿空留巷数值模拟模型根据类似研究成果以及实际工程情况，对工作面推进（模拟100 m）过程中受回采工作面动压影响下沿空留巷巷道进行计算机数值模拟，分别分析沿空留巷巷旁支护体宽度在0.8、1.0、1.2、1.5 m时巷道应力分布情况，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。3.3模拟结果分析模拟1301工作面回采，分析不同宽度巷旁支护体沿空留巷下巷道所受回采动压情况。如图5图7所示。图5工作面及巷道开挖结构图(a)0.8 m(b)1.0 m(c)1.2 m(d)1.5 m图6不同巷旁支护体宽度下留巷巷道应力云图（单位：Pa）通过对上覆采空区下0213上01工作面沿空留巷的数值模拟，分析结果如图8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1.2 m时达到最大，0.8、1.0 m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1.0 m，强度C30。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1.0 m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“分离岩块法”进行验证分析。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Vol.42 No.03切变模量/GPa1.225.60.35.6体积模量/GPa2.664.80.344.8岩层老顶直接顶煤直接底内聚力/MPa323.42内摩擦角/()25.6293629密度/kgm-32 2602 4001 3202 400抗拉强度/MPa1.5410.5113煤12煤2501008012煤采空区1301工作面1301运输巷Calculated by:Volumetric AveragingContour of ZZ-Stress7.271 4E+050.000 0E+00-1.000 0E+06-2.000 0E+06-3.000 0E+06-4.000 0E+06-5.000 0E+06-6.000 0E+06-7.000 0E+06-8.000 0E+06-9.000 0E+06-9.234 2E+060.8 m0.8 m墙体Calculated by:Volumetric AveragingContour of ZZ-Stress7.271 4E+050.000 0E+00-1.000 0E+06-2.000 0E+06-3.000 0E+06-4.000 0E+06-5.000 0E+06-6.000 0E+06-7.000 0E+06-8.000 0E+06-9.000 0E+06-9.234 2E+061.0 m1.0 m墙体Calculated by:Volumetric AveragingContour of ZZ-Stress7.271 4E+050.000 0E+00-1.000 0E+06-2.000 0E+06-3.000 0E+06-4.000 0E+06-5.000 0E+06-6.000 0E+06-7.000 0E+06-8.000 0E+06-9.000 0E+06-9.234 2E+06Calculated by:Volumetric AveragingContour of ZZ-Stress7.271 4E+050.000 0E+00-1.000 0E+06-2.000 0E+06-3.000 0E+06-4.000 0E+06-5.000 0E+06-6.000 0E+06-7.000 0E+06-8.000 0E+06-9.000 0E+06-9.234 2E+061.2 m1.2 m墙体1.5 m1.5 m墙体271(a)0.8 m(b)1.0 m(c)1.2 m(d)1.5 m图7不同巷旁支护体宽度下留巷巷道塑性区分布图图8上覆采空区影响下巷道应力分布图（1）经验算法巷旁支护的受力来源于直接顶岩柱的重量和老顶转动对直接顶造成的挤压变形压力。将直接顶视为不可自身平衡的岩体，它的重量W将全部由巷旁支护承担，直接顶岩柱重量W=lbh=408 816 kN（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=5.0 m；b直接顶岩块的宽度，b=1 m；直接顶岩块的容重，=24 kN/m3；h1采高，0213上201工作面的有效采高h1=1.7 m；k0岩层的碎胀系数，k0=1.251.5。式（1）中直接顶岩块宽度为1 m，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=408 816 kN/m老顶转动对直接顶造成的挤压变形压力一直难以确定，传统办法是采用实测的动压系数来估算，一般动压系数2，本着偏于安全的角度，设计时沿空留巷巷旁支护阻力延米压力和动压系数均取其最大值，则沿空留巷的最大延米载荷Qm=W=1 632 kN/m（2）（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。图9沿空留巷计算模型巷旁支护载荷q=8h tan+2(Bb+Bp+Bc)Bph(Bb+Bp+Bc)cos Bb+0.5Bp（3）式中Bb巷旁支护内侧到煤帮的距离，Bb=5.1 m；Bp巷旁支护宽度，Bp=1.0 m；Bc巷旁支护外侧悬顶距，悬臂梁长度最小取1.0 m，最大取1个周期来压步距（按20 m计算），20-5.1-1.5=13.4 m；顶板分离岩块容重，取=24 kN/m3；h有效采高，取h=1.7 m；剪切角，根据经验选取=26；煤层倾角，取=7。当巷旁支护体外悬臂长度为1 m时，取动压系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Vol.42 No.03tension-n shear-p tension-pZoneColorby:State-AverageNoneshear-n shear-pshear-n shear-p tension-pshear-pshear-p tension-ptension-n tension-ptension-p0.8 mtension-n shear-p tension-pZoneColorby:State-AverageNoneshear-nshear-n shear-p tension-pshear-pshear-p tension-ptension-n tension-ptension-pshear-n shear-p1.0 mtension-n shear-p tension-pZoneColorby:State-AverageNoneshear-nshear-n shear-p tension-pshear-pshear-p tension-ptension-n tension-ptension-pshear-n shear-p1.2 mtension-n shear-p tension-pZoneColorby:State-AverageNoneshear-nshear-n shear-p tension-pshear-pshear-p tension-ptension-n tension-ptension-pshear-n shear-p1.5 m应力/MPa9876543210巷旁支护体竖直应力巷旁支护体水平应力巷道顶板应力巷帮水平应力1.61.41.21.00.8巷旁支护体宽度/mqLBmBbPBcH锚索锚杆塑性区煤层Bp72数=1.5，此时巷旁支护最小静载荷qj=1 604.20 kN/m；当巷旁支护体外悬臂长度13.4 m时，取动压系数=1.5，此时巷旁支护最大动载荷qd=9 651.58 kN/m。综合传统经验法和分离岩块法计算结果，本着偏于安全的理念，墙体浇筑于采空区，最终确定沿空留巷的最大荷载为9 651.58 kN/m。4.2巷旁充填体承载力计算根据GB 500102010混凝土结构设计规范，纺织结构混凝土墙体的承载能力N=fccAc=13 871 kN/m（4）式中素混凝土构件的稳定系数，取=0.97；fcc素混凝土抗压强度设计值，C30混凝土时，fcc=14.3 MPa；Ac正截面面积，取Ac=1 m2。由式（4）可知，留巷宽度5.1 m时，纺织结构混凝土墙体的承载能力为13 871 kN/m，大于作用在墙体上的最大载荷9 651.58 kN/m，安全系数1.4，因此可视沿空留巷墙体支护强度满足安全要求4.3沿空留巷支护方案经过计算机数值模拟及理论分析，本沿空留巷支护方案如下：巷道支护断面如图10所示。柔模墙体设计墙厚1.0 m，混凝土设计强度C30，留巷墙体浇筑于采空区，配合柔模混凝土沿空留巷端头支架及挡矸支架。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Vol.42 No.035工程应用根据0213上201工作面运输巷沿空留巷方案进行现场实施，在黄白茨煤矿现场已成功实施留巷200 m，巷道变形量小，底板完好，留巷墙体支护效果好，采空区随采随垮，留巷墙体采空区侧无悬顶，留巷效果良好，6结语（1）根据黄白茨煤矿0213上201工作面实际条件进行数值模拟分析，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1.2 m时达到最大，0.8、1.0 m时较小。（2）采用“经验算法”和“分离岩块法”对数值模拟确定的合理巷旁充填体宽度下充填体的承载力进行验算，最终确定留巷墙体宽度为1.0 m，强度C30。（3）通过现场实际应用200 m情况来看，柔模墙体支护强度满足留巷要求，采空区随采随垮，柔模墙体采空区侧无悬臂梁，留巷效果良好，满足巷道使用要求。参考文献：1武强,涂坤,曾一凡,等.打造我国主体能源(煤炭)升级版面临的主要问题与对策探讨J.煤炭学报,2019,44(6):1625-1636.2方基详,张佳飞.厚煤层无煤柱沿空留巷围岩“卸压-支护”机理及控制技术研究应用J.中国矿业,2021,30(S1):321-324.3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控制技术J.煤炭工程,2018,50(9):35-38.4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(S1):158-162.5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):60-65.6方基详,张佳飞.厚煤层无煤柱沿空留巷围岩“卸压-支护”机理及控制技术研究应用J.中国矿业,2021,30(S1):321-324.7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的应用J.煤炭工程,2016,48(1):52-55.8李晓白,潘海兵,石景帅,等.6 m大采高沿空留巷巷旁支护研究J.煤炭工程,2019,51(5):78-81.9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究J.煤炭科学技术,2020,48(9):195-202.10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):1-6.11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.矿业研究与开发,2021,41(2):7-13.12吕坤.采动影响下特厚煤层巷道围岩支护技术J.煤矿安全,2021,52(2):105-112.13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):40-44.14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体合理宽度研究J.煤炭工程,2016,48(10):41-44.作者简介：钮长松（1970-），江苏扬州人，高级工程师，主要从事煤矿经营管理和智能矿山建设研究及实践工作，电子信箱：.责任编辑：王泽兰收稿日期：20220321图10沿空留巷支护断面图202 200螺纹钢锚杆21.86 300锚索21.86 300锚索202 200螺纹钢锚杆20800挂模锚杆菱形金属网采空区挡矸支架墙体底板补强锚杆202 200煤层底板1 9008001 0005005 100800400451 7002 800151 4009009001 550300 500900900900151 550300500800800181 800玻璃钢锚杆73