工作面回采过程沿空留巷非对称支护技术.pdf

工作面回采过程沿空留巷非对称支护技术张 毅1，曹 蓓2（1.内蒙古汇能煤电集团有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.鄂尔多斯职业学院，内蒙古 鄂尔多斯 017000）摘要：为解决沿空留巷巷道支护困难问题，以新安煤矿 8 号煤层第 3 工作面运输巷沿空留巷为工程背景，利用 FLAC3D数值模拟对工作面回采过程中沿空留巷巷道围岩应力演化规律进行了研究，工作面回采过程中作用在充填体侧应力较大，作用在实体煤侧应力较小。根据数值模拟结果，提出了“充填体+双排液压支柱+工字梁+高强度预应力锚索+高强度锚杆”的非对称支护技术，并成功应用于现场，有效地控制巷道围岩变形。关键词：数值模拟；沿空留巷；非对称支护中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）05-0021-04Asymmetric support technology for gob-side entry retaining during mining processZHANG Yi1，CAO Bei2（1.017000,2.017000,）Abstract:In order to solve the support difficulty of gob-side entry retaining,taking goaf retaining roadway of the 3rd working face of No.8 coalseam of Xin an Coal Mine as the engineering background,FLAC3Dnumerical simulation was used to study the stress evolution law ofsurrounding rock of goaf retaining roadway during mining.The stress acting on the filling body side is relatively large,while the stress acting onthe solid coal side is relatively small.Based on the numerical simulation results,an asymmetric support technology of filling body+double rowhydraulic prop+I-beam+high prestressed anchor cable+high strength anchor rod was proposed and successfully applied on site,which caneffectively control the deformation of the surrounding rock.Key words:numerical simulation；gob-side entry retaining；asymmetric support沿空留巷是沿本工作面采空区边缘将回采巷道部分或完全保留下来，实现下工作面复用的回采巷道布置方式 1,2。沿空留巷技术具有降低巷道掘进率，缓解采掘接替紧张，提高煤炭采出率，消除多煤层开采煤柱区域的应力集中效应，实现工作面 型通风，解决隅角瓦斯积聚等优点 3-5。因此，本文以新安煤矿 8 号煤层第 3 工作面沿空留巷为工程背景，利用 FLAC3D模拟软件对工作面回采过程中巷道围岩应力分布特征进行研究，提出了非对称支护技术，并对支护效果进行分析。1工程概况新安煤矿 8 号煤层 3 号工作面埋深 520 m，煤层平均厚度 3 m。直接顶板为粉砂岩，厚度 4 m；基顶为粗砂岩，厚度 8 m；直接底部为细砂岩，厚度 2 m。工作面回采过程采用沿空留巷技术，沿空留巷的巷道为工作面运输巷，工作面向前推进 10 m，工作面后部充填一次。充填体宽 3 m，长 10 m。在成功保留巷道后，运输巷道将成为下一个工作面回风巷道。2数值模拟利用 FLAC3D数值模拟软件建立 8 号煤层 3 号工作面数值模型，模型的尺寸为:长宽高=200 m150 m85 m，工作面长度为 135 m，回风巷道和运输巷道尺寸均为 5 m5 m。在模型上部施加与上覆岩层重量相对应的荷载，充填体和煤层均采用莫尔-库仑模型，模型周围的水平位移和底部的垂直位移受到约束。数值模型如图 1 所示。沿空留巷充填体力学参数见表 1。各岩层力学参数见表 2。图 1数值模型表 1充填体力学参数工作面推进过程中的数值模拟应力分布三维曲面如图 2 所示。工作面在回采过程中，作用在充填体上的应力大于作用在实煤上的应力。当工作面向前2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷岩性体积模量/GPa剪切模量/GPa密度/（kg/m3）摩擦角/（）黏聚力/MPa抗拉强度/MPa充填体6.17.92.73.5142131522.23.21.42.621推进 10 m 时，工作面附近应力较低，主要是采空区上覆岩层开始分离，没有形成较大的应力集中；工作面由 20 m 推进到 40 m 的过程中，工作面长度与采空区长度相当，工作面前方和两侧的应力集中；工作面由 50 m 推进至 80 m 过程中，工作面附近应力逐渐趋于稳定。表 2各地层力学参数（a）前进 10m（b）前进 20m（c）前进 30m（d）前进 40m（e）前进 50m（f）前进 60m（g）前进 70m（h）前进 80m图 2工作面周围应力分布工作面推进过程的围岩应力变化如图 3 所示。可以看出，工作面推进 10 m 时，实体煤和顶板的应力较大，充填体侧应力较小。主要因为工作面开采初期上覆岩层发生弯曲，基本顶板未发生断裂，巷道上覆岩层形成悬臂梁，应力主要作用于固体煤和固体煤侧顶板，在实体煤上产生应力集中。随着工作面继续向前推进，沿空留巷巷道两侧应力逐渐发生变化。实体煤侧应力逐渐降低，充填体侧应力逐渐增加。主要是因为随着工作面逐渐向前推进，采空区面积逐渐增加，基本顶发生断裂，断裂后的基本顶主要作用在充填体上，使得充填体侧顶板应力升高。其中，工作面推进至 50 m 时，作用在实体煤和充填体上应力最大。说明此时工作面是初次来压，对巷道围岩产生较大应力作用。图 3巷道围岩应力分布图 4巷道围岩变形特征图 4 是工作面推进过程中其后方巷道围岩变形特征云图。从图中能够看出，工作面后方实体煤、充填体及巷道顶板的变形量随着工作面向前推进逐渐2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷岩性体积模量/GPa剪切模量/GPa密度/（kg/m3）摩擦角/（）黏聚力/MPa抗拉强度/MPa粉砂岩5.22.72 300363.71.9中砂岩4.14.22 000352.82.6煤1.61.51 400241.21.3砂岩5.25.32 400342.32.7泥岩8.13.23 000242.71.622发生变化。工作面推进距离 10 m 时，实体煤的变形量大于充填体的变形量，说明此时上覆岩层的作用力主要集中在实体煤侧。随着工作面向前推进，实体煤的变形量逐渐小于充填体的变形量，说明基本顶发生断裂，上覆岩层的作用力由实体煤转向充填体，使得充填体的变形量增加。当工作面推进距离在5080 m 时，工作面后方实体煤和充填体的最大变形量不发生变化，说明此时工作面后方实体煤和充填体上覆岩层不发生断裂、旋转等活动，处于基本稳定状态，最大变形量不发生变化。3沿空留巷围岩控制技术3.1围岩支护机制根据数值模拟得出：充填体和充填体侧边顶板的应力和位移较大，而实体煤和实体煤侧顶板的应力和位移较小。顶板、实体煤和充填体存在明显的不对称性，有必要加强充填体和采空区侧顶板的支护，维护巷道稳定性。因此，本文提出了“充填体+双排液压支柱+工字梁+高强度预应力锚索+高强度锚杆”的非对称耦合支护技术。非对称支护示意图如图 5 所示。图 5非对称支护示意图3 号工作面沿空留巷支护截面为矩形，宽高=4.0 m3.6 m。根据以上对沿空留巷支护的分析，确定支护形式为：双排液压支柱结合工字钢+高强预应力锚索+高强锚杆+金属网。顶板采用高强度锚杆，锚 杆参数 为20 mm2 400 mm，排 距 为780 mm850 mm；锚索采用 17 钢绞线17.8mm7 200 mm，间距 2 340 mm850 mm。巷道支护形式及参数如图 6 所示。在沿空留巷充填体一侧，沿充填体设置工字钢组合的双排单体液压支柱，采用液压支柱作为充填体的临时加固支撑，可在充填体成形和凝固前提供较大的支撑阻力，有效控制直接顶板与基本顶板的分离。在充填体侧的顶板采用“高强度预应力锚索+高强度锚杆+金属网支护”的支护形式，将锚杆支护形成的浅层承载结构与锚索支护形成的深部承载结构有机连接起来，形成锚索与锚杆的复合承载结构，改变围岩的受力状态，有效控制巷道围岩变形和拉剪破坏的发生，提高顶板抗剪抗弯性能。在沿空留巷实体煤侧布置单排液压支柱，进一步加强实煤侧的承载能力。在实体煤侧的顶板采用“高强度锚杆+金属网”的支护形式，有效连接巷道上覆岩层，并与充填体侧顶板支护结构形成组合，共同维护顶板稳定性。图 6巷道支护示意图3.2支护效果分析对 3 号综采工作面沿空留巷采取非对称支护技术，并对巷道围岩变形进行现场实测，实测结果如图7 所示。当工作面推进超过 030 m 时，巷道顶板两侧位移量迅速增大；当工作面推 30 m 以上，沿空留巷巷道围岩应变速度逐渐减慢，但变形仍呈增大趋势；当工作面推进超过 50 m 时，位移逐渐趋于稳定，顶板下沉量 0.084 m，充填体变形 0.098 m，实体煤变形 0.054 m，巷道围岩变形量均在允许范围内。因此，“充填体+双排液压支柱+工字梁+高强度预应力锚索+高强度锚杆”的非对称支护技术能够有效控制沿空留巷巷道围岩的变形，证明了非对称支护技术能够应用于沿空留巷巷道围岩支护工程中。图 7巷道围岩监测结果2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷23（上接第 20 页）会造成顶板 K5 砂岩含水层破坏，在无构造、隐伏通道情况下不会造成 K6 砂岩含水层破坏。3）数值计算结果表明，4301 试点工作面顶板塑性破坏最大高度为 75 m，开采会对顶板 K5 砂岩含水层产生破坏，与经验公式计算结果基本一致。4）水质监测结果表明，4301 试点工作面老空水水质偏碱性，pH=79，矿化度为 580.021 365.63mg/L，硬度为 18.8299.52 mg/L，矿化度和硬度均较高，水质类型为 HCO3 SO4-Ca Na，水质监测结果为矿井水资源化利用工艺选择提供了基础依据。5）确定了龙泉煤矿矿井水资源化利用处理技术，提出了矿井水资源化利用系统工艺流程，主要包括矿井水资源化利用、煤泥资源化利用及饮用水资源化利用三大部分，矿井水经过水处理站资源化处理后，可用于矿井生产用水，选煤厂洗煤用水及尖山铁矿生产补水，实现了顶板水资源化利用。参考文献：1 马艳.综采面过富水区开采全周期水资源利用技术 J能源科技，2020（4）：12-16.2 李晓伟.大柳塔煤矿 5-2 煤五盘区水害防治及地下水资源利用的研究与实践 J.陕西煤炭.2018（S1）：49-53.3 王奋力.矿井水综合利用技术应用研究 J.能源与节能，2017（5）：134-135.4 李光华.高效旋流净化技术在矿井水处理中的应用与研究 J.冶金与材料.2020（3）：111-113，116.5 刘爽.煤矿矿井水处理技术及资源化综合利用 J.资源节约与环保，2022（8）：104-107.作者简介：刘健（1992-），男，山西省高平市人，2018 年毕业于山西大同大学采矿工程专业，本科，助理工程师，现就职于太原煤气化龙泉能源发展有限公司地测防治水部，从事防治水技术管理工作。（收稿日期：2023-1-10）4结论1）利用 FLAC3D数值模拟软件建立了沿空留巷数值模型，分析了工作面回采过程中应力演化特征，作用在充填体上的应力大于作用在实煤上的应力。工作面推进到 50 m 的过程中工作面附近的应力集中较大。当工作面推进距离超过 50 m 时，工作面后方实体煤和充填体的最大变形量不发生变化，但充填体变形量大于实体煤的变形量。2）针对沿空留巷巷道围岩应力和变形分布不均的情况，本文提出了“充填体+双排液压支柱+工字梁+高强度预应力锚索+高强度锚杆”的非对称支护技术，在充填体侧采用“高强度预应力锚索+高强度锚杆+金属网支护”的支护形式，在实体煤侧的采用“高强度锚杆+金属网”的支护形式，共同维护巷道围岩稳定性，有效地控制巷道围岩变形。参考文献：1 康红普，张晓，王东攀，等.无煤柱开采围岩控制技术及应用J.煤炭学报，2022，47（1）：16-44.DOI：10.13225/ki.jccs.yg21.1940.2 张农，韩昌良，阚甲广，等.沿空留巷围岩控制理论与实践J.煤 炭学 报，2014，39（8）：1635-1641.DOI：10.13225/ki.jccs.2014.9026.3 韩昌良，张农，阚甲广，等.沿空留巷“卸压-锚固”双重主动控制机理与应用 J 煤炭学报，2017，42（S2）：323-330.DOI：10.13225/ki.jccs.2017.0132.4 孟祥军.基于基本顶断裂位置的综放沿空掘巷煤帮支护技 术J.煤 炭 科 学 技 术，2020，48（1）：61-68.DOI：10.13199/ki.cst.2020.01.008.5 陈勇，柏建彪，朱涛垒，等.沿空留巷巷旁支护体作用机制及工程应用 J 岩土力学，2012，33（5）：1427-1432.DOI：10.16285/j.rsm.2012.05.024.作者简介：张毅（1986-），内蒙古自治区准格尔旗人，2011 年毕业于华北科技学院安全工程专业，现担任内蒙古汇能煤电集团安全管理人员，工程师，从事煤矿安全监管、生产技术等工作。（收稿日期：2023-6-1）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷24