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斜沟矿厚煤层错层位外错式沿空掘巷与支护技术研究

宋平  
【摘要】:论文以斜沟矿13#厚煤层错层位外错式沿空掘巷为研究背景,从回采率、巷道围岩应力分布与稳定性、沿空巷道位置以及沿空掘巷支护技术等方面对错层位外错式沿空掘巷技术展开研究,论文研究中综合采用了包括理论分析、室内相似模拟、计算机数值模拟以及现场实测等研究方法。论文首先从大形势即煤炭对我国能源的重要性入手,分析了我国煤炭工业存在的问题。在此基础上,结合论文研究的重点内容,对沿空掘巷技术与厚煤层一次全高开采的国内外研究现状进行资料整理与分析。错层位巷道布置采煤方法能够实现真正意义的完全无煤柱开采,但长期以来的研究主要集中在内错式巷道布置,由于其具有分层开采下分层内错式巷道布置的特点,支护方式只能以被动支护形式为主,影响其巷道的掘进速度以及工作面之间的采掘接续。因此,为了解决错层位内错式巷道布置存在的问题,论文基于错层位外错式巷道布置结合沿空掘巷技术展开研究,在此基础上,确定了论文研究内容、方法与技术路线。1、通过对斜沟矿13#厚煤层错层位外错式采煤法在留设13m煤柱时,巷道围岩变形及煤柱应力进行现场实测,得到如下几个结论:(1)通过对回采工作面50m和60m处的巷道顶板和60m处的煤帮进行了钻孔窥视,发现斜沟矿错层位外错式留设13m煤柱时,巷道围岩结构复杂,巷道支护困难,在钻孔窥视的基础上,对巷道围岩进行了加强支护。(2)通过对斜沟矿外错式巷道在加强支护后巷道围岩表面位移现场实测,发现斜沟矿错层位外错式留设13m煤柱时,巷道围岩变形依然严重,且巷道围岩变形受采动的影响较大。(3)通过对斜沟矿外错式巷道煤柱支承压力分布规律现场实测,发现煤柱受采动影响较大,采动影响范围为40m左右,在留设13m煤柱时,煤柱整个范围内都处于塑性区。通过对现场实测研究分析发现,斜沟矿13#厚煤层错层位外错式采煤法,采用留设13m煤柱开采方案存在一定的不合理性,为此,需要对其进行重新优化设计。2、为了确定错层位外错式沿空巷道位置,首先须对错层位起坡段下方三角煤体的稳定性展开研究,本部分得到的具体研究成果包括:(1)分析了起坡段对回采率的影响,确定了不同起坡段存在的必要性。在此基础上,建立了错层位起坡段下方三角煤体力学模型,采用极限平衡理论对三角煤体宽与高的关系进行了研究,得到了处于极限平衡状态起坡段内煤体的承载表达式:e1-同时得到极限平衡区宽度与三角煤体高度之间的关系:分析公式发现,随着三角煤体高度的增加,满足极限平衡的煤柱宽度也同样随之增加,仅仅从三角煤体自身力学特性来看,三角起坡段的横向尺寸满足极限平衡的要求,也即三角煤体内存在破碎区、塑性区以及弹性区,从而可为区段煤柱提供侧向应力。但实际开采中,受支承应力的影响,会对底板一定深度产生破坏,因此进一步将三角煤体作为底板进行破坏性研究。(2)为了研究确定三角煤体的破坏深度,首先对底板破坏机理进行研究分析,建立其力学模型,通过采用断裂力学、Griffith准则推导出处于极限状态下底板破坏深度h1:由于底板是否发生破坏的主要影响因素包括应力大小,因此需要进一步确定工作面推进过程中的应力值。(3)将采场上覆关键层视为薄板模型,采用弹性薄板力学理论、平面胡克定律以及功的互等定理,对工作面在推进过程中基本顶断裂前、后基本顶对煤体的影响进行研究,确定其弯矩分布及施加的载荷。在综合考虑基本顶、直接顶与煤体三者关系的同时,对底板破坏深度进行了研究,得到其表达式为:在此基础上,确定三角底煤稳定性的原则,即通过h1与起坡段高度进行对比,在[3.5m,h1]范围内的三角煤体均处于破坏状态,认为不会对工作面间区段煤柱提供侧向应力,[h1,10.5m]则处于弹性状态,可对区段煤柱提供侧向应力。3、在前述研究的基础上,重点对错层位外错式沿空掘巷实施的关键技术展开研究,包括区段煤柱稳定性的力学研究、巷道位置的选择与支护技术三个方面,得到的具体研究结论如下:(1)首先对错层位外错式沿空掘巷实体煤一侧稳定性进行研究分析,发现:(1)方案1,由于三角煤体处于完全破坏状态,因此其对实体煤一侧完全没有侧向应力,实体煤一侧仅受到巷道支护提供的侧向支护阻力Px;方案2与方案3,由于起坡段高度增加,三角煤体可对实体煤一侧提供一定的侧向应力,理论上认为方案3完全沿煤层顶板布置回采巷道,实体煤承受的侧向应力范围最大,利于接续工作面开采时区段煤柱的稳定。(2)结合不同三角煤体对实体煤一侧支承应力的影响,利用极限平衡理论解得巷帮距煤柱极限强度处的距离为:结合不同起坡方案进行计算分析,得到沿煤层顶板布置回采巷道实体煤一侧的稳定性最好的结论。(2)在对实体煤稳定性研究的基础上,结合巷道布置围岩状态与应力分布情况发现,错层位外错式巷道位置可沿采空区布置实现完全无煤柱开采,其特点包括:(1)巷道虽然沿着煤层底板布置,但围岩处于完整与稳定的状态,利于巷道的掘进与维护;(2)受高位煤层的影响,高位煤层处于破坏范围,且距离接续工作面相邻巷道4~5m,接续工作面相邻巷道处于低应力范围内,同样利于巷道的掘进与维护。(3)接续工作面上覆煤层存在弹性区,虽然高位煤层属于破坏区,可在上一工作面相邻巷道对其巷帮进行加强支护,从而为接续工作面相邻巷道采用锚杆-索进行主动支护的实施提供条件。(3)在对沿空巷道位置选择的基础上,结合“极限自稳平衡拱”理论对支护技术展开研究,得到如下结论:(1)推导出极限自稳平衡拱的最大高度:并提出了巷帮的稳定性对顶板极限自稳平衡拱的高度具有较大影响,不同三角煤体对巷道顶部的支护存在差异。(2)提出了错层位外错式“相邻巷道的联合支护技术”方案。发现错层位首采工作面运输巷沿煤层顶板布置,与底板巷道相比,极限自稳平衡拱的高度小于沿煤层底板布置的全煤巷道,从理论上认为有利于支护。考虑接续工作面相邻巷道沿运输巷实体煤帮侧布置,两巷之间在横向上不存在煤柱,纵向上存在较厚的煤层,因此可对沿煤层顶板布置的运输巷的实体煤帮进行加强支护,从而为接续工作面相邻巷道顶板支护采用锚索的悬吊等理论提供悬吊点,确定运输巷实体煤帮的支护以锚杆-索为主,采用全段锚固,同时在巷道实体煤帮打两排4m深孔,进行注浆(固安特),将浅部煤层形成一个整体。(4)最后,结合斜沟矿工程背景进行巷道支护技术分析,得到如下结论:(1)采用错层位外错式巷道布置沿空掘巷技术,巷道支护的难点仍在于原岩应力区全煤巷道,由于煤层较软且承受原岩应力,其极限自稳平衡拱高度较大;(2)错层位沿煤层顶板布置的巷道由于直接支护的对象是顶板岩层,其力学强度大,因此其稳定性好,自稳平衡拱的高度较低;(3)错层位外错式完全无煤柱沿空掘巷虽然仍是全煤巷道,但其在极限平衡区下方的弹性实体煤内布置,因此承载较低,其自稳平衡拱高度为1.48m,对于采用主动支护方案有利。为了对比,补充了传统沿煤层底板巷道布置的沿空掘巷方案进行对比,如采用传统沿煤层底板沿空巷道布置,自稳平衡拱的高度为5m。对比分析发现,采用沿煤层底板巷道布置沿空掘巷技术时,采用常规的锚杆支护无法满足自稳平衡拱的高度,因此只能依赖被动支护或者采用增加锚索的支护密度来保证巷道的稳定。4、斜沟矿错层位外错式沿空巷道布置室内相似模拟实验研究(1)首采工作面开采时,随着倾斜长度的增加,覆岩运动高度、侧向支承应力峰值和影响范围也随之增加,但实验中发现,沿空掘巷位置处应变片的应力集中系数虽然有所增高,但增加幅度较小,且低于原岩应力值,认为受首采工作面的影响较小;(2)随着接续工作面倾斜长度增加,其覆岩运动特征与首采工作面相似;煤柱随着工作面长度增加,逐渐由稳定状态变为失稳,当煤柱尺寸从15m-10m时裂隙大量生成,当煤柱尺寸为8m时,煤柱发生整体破坏失稳;(3)接续工作面开采期间,通过对首采工作面完全沿空掘巷位置处应变片的数据收集与整理,发现其应力有进一步增加的趋势,但应力值增加较小,其最大应力集中系数仅为0.45。5、斜沟矿错层位外错式沿空掘巷数值模拟研究(1)综合分析了不同起坡高度三角煤体的稳定性,发现随着起坡高度增加,下方三角煤体的稳定性增强,且整体处于应力降低区。(2)综合分析了不同起坡高度三角煤体对实体煤侧的稳定性,发现随着起坡段高度增加,实体煤一侧极限平衡区范围减小,弹性区范围进一步增加。(3)在确定起坡段高度为10.5m对实体煤的稳定性最优前提下,对不同尺寸煤柱的稳定性展开进一步研究,发现完全沿空掘巷三角煤体一侧破坏范围最小,可实现有效控制巷帮,围岩应力集中系数也最小,即对巷道围岩的支护强度要求最低,同时完全沿空掘巷可通过对上一工作面运输巷实体煤帮一侧加强支护改善围岩状态,从而实现锚杆+锚索的主动支护方案。6、斜沟矿错层位外错式巷道沿空掘巷支护技术研究结合前述理论分析、相似模拟和数值模拟研究分析结论,对斜沟矿错层位外错式巷道及相应的支护技术方案进行优化,提出了将错层位起坡段高度增加至10.5m、采用错层位外错式完全沿空掘巷以及“相邻巷道的联合支护技术”方案,并采用数值模拟方法进行验证,优化方案提高了煤炭采出率,同时围岩应力和巷道变形量都有很大程度的下降,达到了优化的目的。论文取得以下创新点:(1)采用极限平衡理论对三角煤体宽与高的关系进行了研究,得到了处于极限平衡状态起坡段内煤体的承载表达式:同时得到极限平衡区宽度与三角煤体高度之间的关系:(2)综合考虑基本顶、直接顶与煤体三者的关系的同时,对底板破坏深度进行了研究,得到其表达式为:(3)发现采用错层位外错式沿空巷道布置,当回采巷道沿煤层顶板布置,下方实体煤受到起坡段三角煤体的侧向支承作用,接续工作面相邻巷道完全无煤柱沿空掘巷时,巷道一侧三角煤体属于弹性区,巷道围岩完整性好,且承载较小。(4)提出了错层位外错式“相邻巷道的联合支护技术”方案,即采用锚杆+7.5m锚索+注浆,采用全段锚固,在巷道实体煤帮打两排4m深孔,进行注浆(固安特),将浅部煤层形成一个整体,对实体煤一侧巷道进行主动加强支护,为接续工作面沿空巷道顶板采用锚杆-索的悬吊提供悬吊点。


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