張江云 武梅蘋

(1.攀枝花煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，四川省攀枝花，617066； 2.攀枝花煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司花山煤礦，四川省攀枝花市，617066)

★ 煤炭科技·開拓與開采★

急傾斜中厚煤層柔掩工作面沿空留巷技術(shù)實踐

張江云1武梅蘋2

(1.攀枝花煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，四川省攀枝花，617066； 2.攀枝花煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司花山煤礦，四川省攀枝花市，617066)

為解決復(fù)雜地質(zhì)條件下急傾斜中厚煤層沿空留巷難題，以寶鼎礦區(qū)太平煤礦25134柔性掩護支架采煤工作面為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模型計算，分析了急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖變形動態(tài)演化特征?；诖舜_定了基于錨桿及錨索補強支護、單體加強維護、煤柱內(nèi)部注漿加固、巷道表面噴漿封堵等方法的急傾斜中厚煤層沿空留巷技術(shù)?，F(xiàn)場實踐表明，該技術(shù)顯著提高了留巷圍巖整體力學(xué)性能及自穩(wěn)能力，保障了沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性，大幅降低了沿空留巷成本、材料運輸量和職工勞動強度，成功實現(xiàn)留巷580 m，該技術(shù)的成功研究和應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟效益和社會安全效益。

急傾斜煤層 巷道加固 封堵注漿 沿空護巷

沿空留巷技術(shù)自20世紀(jì)50年代在我國開始使用以來，一直是我國煤炭開采的重要技術(shù)發(fā)展方向。我國學(xué)者在沿空留巷理論與技術(shù)研究方面進行了大量的研究和探索，從薄煤層到中厚煤層、從緩傾斜到急傾斜煤層，均取得了較為顯著的成果，在條件較好的薄及中厚煤層采煤工作面沿空留巷技術(shù)應(yīng)用已日趨完善，巷旁支護、巷內(nèi)支護、加強支護及煤幫加固技術(shù)已趨成熟。然而對于復(fù)雜地質(zhì)條件，尤其是急傾斜煤層的沿空留巷技術(shù)仍存在著不足之處。隨著煤礦開采深度增加，煤層瓦斯、地壓不斷升高，加之寶鼎礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造多，煤層條件極其復(fù)雜，礦井存在單面可采儲量少，搬家倒面頻繁，掘進進度慢等問題，導(dǎo)致采掘接替緊張甚至出現(xiàn)脫節(jié)。為解決以上難題，礦井可采取沿空留巷技術(shù)解決采掘接續(xù)矛盾現(xiàn)狀。針對沿空留巷技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作：周保精利用傾斜煤層采空區(qū)冒落矸石自溜現(xiàn)象，形成以冒落矸石為主要充填材料的穩(wěn)固沿空留巷充填體；孫恒虎認為沿空留巷支護載荷只與短支承邊界的載荷有關(guān)；漆泰岳等通過現(xiàn)場實測和理論分析，提出了使沿空留巷巷道保持穩(wěn)定的整體澆注護巷帶支護強度與變形的理論計算方法；謝文兵通過分析研究，在保證頂煤及頂板穩(wěn)定前提下，確定合理充填方式和充填體強度；郭育光提出沿空留巷巷幫充填主要參數(shù)留巷成本和施工勞動強度是需要考慮的兩大主要因素；蘇清政認為破碎矸石充填體具有足夠支撐阻力和適應(yīng)基本頂結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)下沉可縮量特性；黃慶享研究分析了急傾斜臨界角沿空回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

基于寶鼎礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下急傾斜煤層地質(zhì)條件，通過理論分析、數(shù)值模型計算及現(xiàn)場實踐，分析了急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖變形動態(tài)演化特征，確定了基于錨桿及錨索補強支護、單體加強維護、煤柱內(nèi)部注漿加固、巷道表面噴漿封堵等方法的急傾斜中厚煤層沿空留巷技術(shù)，現(xiàn)場實踐表明，該技術(shù)顯著提高了留巷圍巖整體力學(xué)性能及自穩(wěn)能力，保障了沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1 工程概況

攀枝花煤業(yè)公司太平煤礦南翼煤層傾角為40°～75°，平均為50°～65°，煤層地質(zhì)條件復(fù)雜多變，煤層賦存條件以薄煤層為主，中厚煤層次之，主要采用俯偽斜四邊形柔性掩護支架長壁后退式采煤法；沿空護巷工作面煤層平均厚度為2.78 m，傾角為51°～72°，平均為60°，直接頂為9 m厚的粉砂巖，基本頂為7.6 m 厚的粗砂巖，直接底為5.3 m厚的泥質(zhì)粉砂巖；留巷巷道下寬4 m，中高2.8 m，斷面為不規(guī)則的直墻拱形斷面，錨桿間排距為0.8 mm×0.8 mm。

2 急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖變形動態(tài)演化特征

2.1 模型建立

模型大小取100 m×100 m×100 m范圍，采用結(jié)構(gòu)化單元網(wǎng)格劃分技術(shù)，對較為關(guān)心的小煤柱以及巷道部位進行網(wǎng)格細化。模型的前后左右及下部固定法線方向位移，頂部加載2 MPa的均布載荷來模擬上覆巖層的壓力。錨桿和錨索采用嵌入單元進行模擬。為模擬煤層開采后頂?shù)装褰佑|的情況，在頂?shù)装灞砻嬖O(shè)置一對接觸(模擬頂?shù)装灞砻娼佑|，為模型實際運行過程中的定義)來模擬力的傳遞作用。模型采用巖土工程中常用的Drucker-Prager本構(gòu)模型，數(shù)值計算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計算模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

基于過小煤柱中心線的截面內(nèi)監(jiān)測點，分析了工作面推進過程中煤柱變形和應(yīng)力演化特征，小煤柱應(yīng)力及變形觀測切面和截面煤柱內(nèi)監(jiān)測點布置分別如圖2、圖3所示。

圖2 小煤柱應(yīng)力及變形觀測切面

圖3 截面煤柱內(nèi)監(jiān)測點布置

2.2.1 隨工作面推進煤柱應(yīng)力演化特征

工作面推進過程中煤柱內(nèi)監(jiān)測點應(yīng)力分布情況如圖4所示。模擬分析表明，隨著工作面的推進，高應(yīng)力區(qū)不斷前移，工作面后方小煤柱應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，應(yīng)力集中，工作面前沿附近區(qū)域為應(yīng)力突變區(qū)域。位于工作面后方巷道和煤柱的應(yīng)力遠高于前方的巷道和煤柱。

圖4 小煤柱Mises應(yīng)力分布隨工作面推進的變化

統(tǒng)計煤柱內(nèi)監(jiān)測點最大 Mises應(yīng)力動態(tài)演化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 各煤柱最大Mises應(yīng)力隨工作面推進距離的變化曲線

2.2.2 小煤柱隨工作面推進變形分布變化規(guī)律

工作面推進過程中煤柱內(nèi)監(jiān)測點圍巖變形值如表1和圖6所示。分析表明：工作面后方煤柱變形量較大，在工作面推進至監(jiān)測點處時，煤柱變形呈現(xiàn)突變特點，工作面前端煤柱，除較接近工作面的煤柱外，雖然受到采動影響，但變形并不明顯。煤柱的最大變形量為200 mm左右，煤柱出現(xiàn)整體下滑趨勢；巷道頂?shù)装遄畲笙鄬σ平窟_1060 mm 左右，巷道兩幫最大相對移近量達500 mm左右，并且巷道呈現(xiàn)不對稱變形，巷道頂板變形量較底板大，底板出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，巷道左幫變形量較右?guī)痛?，右?guī)妥畲笞冃瘟看蠹s為左幫最大變形量的65%左右，工作面后方巷道收縮量達35%左右。

表1 各煤柱最大變形情況隨工作面推進的變化

圖6 各煤柱最大變形情況隨工作面推進的變化曲線

3 急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖控制技術(shù)

基于沿空留巷圍巖應(yīng)力及位移演化特征，為保障沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性，在工作面超前支承壓力影響范圍前方(即在工作面煤壁前方40 m以外)，提出了基于錨桿及錨索補強支護、單體加強維護、煤柱內(nèi)部注漿加固、巷道表面噴漿封堵為原則的急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖控制技術(shù)。

(1)錨桿及錨索補強支護。巷道內(nèi)煤層頂板側(cè)巷道中部補打兩排錨索，錨索間距1.5 m，錨索規(guī)格直徑15.24 mm，長度5.3 m；巷道上幫側(cè)補打一排錨桿，錨桿為規(guī)格直徑18 mm、長度2.4 m的螺紋鋼錨桿，運輸留巷加強支護技術(shù)如圖7所示。

圖7 運輸留巷加強支護示意圖

(2)單體加強維護。工作面超前加強支護段增設(shè)兩排單體液壓支柱和一排木支柱，柱距1 m，支柱架設(shè)在巷道頂板中部。工作面后方40 m拆除一排單體支柱，注漿完成凝結(jié)穩(wěn)定后拆除全部單體支柱，打設(shè)位置如圖8所示。

(3)煤柱內(nèi)部注漿加固。滯后工作面40～50 m 范圍，采用水泥水玻璃漿液進行煤柱注漿加固，孔深5.0 m，注漿孔排距1.6 m，注漿壓力1.0～2.0 MPa，單孔注漿時間2～5 min，注漿量為0.16 m3/m，采用間隔交替的注漿方式，注漿加固方案如圖9所示。

圖8 單體支護示意圖

圖9 注漿鉆孔布置截面示意圖

(4)巷道表面噴漿封堵。在工作面推進后進行留巷施工，在工作面后20 m范圍內(nèi)先對原巷道按照原設(shè)計斷面重新噴漿支護，噴砼強度C20，噴漿厚度100 mm，噴漿時在噴漿段先將單體支柱撤除，噴漿完畢凝結(jié)后再打設(shè)單體支柱。

4 急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖變形現(xiàn)場實測

4.1 監(jiān)測方案

為檢驗留巷效果，對巷道內(nèi)頂板離層量、巷道圍巖變形量進行了現(xiàn)場實測。

(1)巷道斷面變形觀測區(qū)。設(shè)置5個巷道斷面變形測點，超前工作面20 m設(shè)置第1個測點，各測點間隔5 m。

(2)頂板離層監(jiān)測點。設(shè)置5個頂板離層監(jiān)測點，超前工作面20 m設(shè)置第1個測點，各測點間隔5 m設(shè)置。

4.2 監(jiān)測結(jié)果和分析

4.2.1 巷道斷面表面位移變化規(guī)律

運輸平巷斷面表面位移變化曲線如圖10和圖11所示。由圖中可以看出，除1#斷面的兩幫變形量較大外，采動對巷道兩幫移近量的影響和對頂?shù)装逡平康挠绊懟疽恢?；運輸平巷不同地點因地質(zhì)條件、巷道跨度和支護強度等影響因素不同，表面位移顯著不同，其中2#斷面頂?shù)装逡平孔畲鬄?25 mm，4#斷面和5#斷面頂?shù)装逡平孔畲鬄?5 mm；1#斷面兩幫移近量最大為820 mm，5#斷面兩幫移近量最大45 mm；巷道變形量主要是在采動影響范圍中產(chǎn)生，即在距工作面20 m以內(nèi)巷道圍巖開始產(chǎn)生較明顯變形，在10 m以內(nèi)變形速度明顯加快。

圖10 運輸平巷斷面兩幫表面位移變化曲線

圖11 運輸平巷斷面頂?shù)装灞砻嫖灰谱兓€

4.2.2 頂板離層變化規(guī)律

頂板離層監(jiān)測結(jié)果如圖12所示。分析表明，在工作面推進過程中，不同地點因地質(zhì)條件、巷道跨度和支護強度等影響因素不同，各斷面的頂板離層最大值顯著不同，最大離層74 mm，最小離層5 mm；回采期間錨桿錨固范圍以內(nèi)最大離層小于10 mm，錨桿錨固范圍以外最大離層超過20 mm?？梢姡蓜訉﹀^桿錨固范圍內(nèi)外的影響較小，不影響工作面正常生產(chǎn)；發(fā)現(xiàn)離層距離工作面最遠距離在34.8 m左右，可見采動影響要大于35 m。

圖12 頂板各測點離層趨勢圖

5 結(jié)論

(1)以寶鼎礦區(qū)太平煤礦25134柔性掩護支架采煤工作面為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模型計算，分析了急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖變形動態(tài)演化特征。

(2)提出了基于錨桿及錨索補強支護、單體加強維護、煤柱內(nèi)部注漿加固、巷道表面噴漿封堵為原則的急傾斜中厚煤層沿空留巷圍巖控制技術(shù)。

(3)現(xiàn)場實踐表明，該技術(shù)顯著提高了留巷圍巖整體力學(xué)性能及自穩(wěn)能力，保障了沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性，大幅降低了沿空留巷成本、材料運輸量和職工勞動強度，緩解采掘接替緊張的矛盾，成功實現(xiàn)留巷580 m，該技術(shù)的成功研究和應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟效益和社會安全效益。

[1] 周保精,徐金海，梁國棟等.傾斜煤層冒落矸石自然充填沿空留巷技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010(11)

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Technologypracticeofgob-sideentryretainingatworkingfacewithflexibleshieldsupportininclinedmedium-thicknesscoalseam

Zhang Jiangyun1, Wu Meiping2

(1.Panzhihua Coal Industry (Group) Co., Ltd., Panzhihua, Sichuan 617066, China; 2. Huashan Coal Mine of Panzhihua Coal Industry (Group) Co., Ltd., Panzhihua, Sichuan 617066, China)

In order to solve the problem of gob-side entry retaining in inclined medium-thickness coal seam under complicated geological conditions, taking the 25134 coal face with flexible shield support of Taiping Coal Mine of Baoding mining area as engineering background, the dynamic evolutionary characters of surrounding rock deformation of the gob-side entry retaining were analyzed by using methods of theoretical analysis and numerical model calculation. Based on the analysis results, a series of methods were applied to the gob-side entry retaining, such as rock bolt and anchor cable reinforce supporting, reinforce maintaining with single support, grouting reinforcement into coal pillar and shotcrete blocking on the surface of roadway. The field practices showed that this technology could improve the overall mechanical performance and self-stabilizing ability of the surrounding rock of the entry retaining, and ensure the stability of the gob-side entry, and greatly reduce the engineering cost, material transportation volume and the labor intensity, and successfully achieve 580 m entry retaining, the successful research and application of the technology had significant economic and social security benefits.

steeply inclined coal seam, roadway reinforcement, grouting blocking, gob-side entry supporting

張江云，武梅蘋. 急傾斜中厚煤層柔掩工作面沿空留巷技術(shù)實踐[J]. 中國煤炭，2017，43(10)：60-65.

Zhang Jiangyun，Wu Meiping. Technology practice of gob-side entry retaining at working face with flexible shield support in inclined medium-thickness coal seam[J]. China Coal, 2017, 43(10):60-65.

TD322

A

張江云(1982-)，男，青海湟中縣人，采礦工程師、注冊安全工程師，長期從事采礦技術(shù)、井巷支護管理工作。

(責(zé)任編輯 郭東芝)

中國國際卓越煤礦瓦斯治理中心正式掛牌

在天津召開的2017年(第十九屆)中國國際礦業(yè)大會煤層氣(煤礦瓦斯)國際論壇上，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會依托山西焦煤集團設(shè)立的中國國際卓越煤礦瓦斯治理中心正式掛牌。

聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會可持續(xù)能源委員會瓦斯專家委員會主席雷·皮爾徹、中國工程院院士袁亮、山西焦煤集團工會主席鄧保平、山西焦煤集團總工程師侯水云等出席掛牌儀式。中國工程院院士、中國國際卓越煤礦瓦斯治理中心主席、山西焦煤集團副董事長、黨委副書記、總經(jīng)理金智新為中國國際卓越煤礦瓦斯治理中心特聘專家頒發(fā)證書并致歡迎辭。中國煤炭工業(yè)協(xié)會副會長、中國煤炭學(xué)會秘書長劉峰主持掛牌儀式。

中國國際卓越煤礦瓦斯治理中心是目前全球唯一在聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會授權(quán)下，由企業(yè)主導(dǎo)的甲烷管理樞紐機構(gòu)，是以山西焦煤集團為依托、在中國建立的非營利性國際組織，是由致力于煤層氣(煤礦瓦斯)管理的山西焦煤集團、北京辛迪克清潔能源技術(shù)服務(wù)公司15家理事單位自愿結(jié)成。中國國際卓越煤礦瓦斯治理中心的設(shè)立，建立了聯(lián)合國與中國企業(yè)在清潔能源利用、溫室氣體減排方面的直接聯(lián)絡(luò)通道，傾力支持中國政府碳減排對世界的承諾，將會讓中國政府滿意；在未來的運營中，中國國際卓越煤礦瓦斯治理中心將幫助聯(lián)合國各成員國在能源領(lǐng)域的碳減排，推廣聯(lián)合國倡導(dǎo)的“有效抽采利用煤礦瓦斯最佳實踐指南”，致力于煤層氣(煤礦瓦斯)先進技術(shù)的研發(fā)與合作、業(yè)務(wù)培訓(xùn)、咨詢服務(wù)、國際管理標(biāo)準(zhǔn)制定、全球信息共享等工作，讓聯(lián)合國滿意；中國國際卓越煤礦瓦斯治理中心未來將成為瓦斯治理利用新技術(shù)推廣平臺，瓦斯治理利用資金、技術(shù)、人才資源共享平臺，瓦斯利用與碳金融及新型商業(yè)模式聯(lián)動開發(fā)平臺，加快推動企業(yè)與“一帶一路”沿線國家在煤炭開采、洗選加工、焦炭化工、煤機裝備、瓦斯治理利用等領(lǐng)域的深度合作，讓參與的利益方滿意。該中心擬定于2018年啟動運營。