中厚煤层复合顶板快速无煤柱自成巷适应性研究与应用

第37卷第12期岩石力学与工程学报Vol.37No.122018年12月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringDec.，2018收稿日期：2018–06–14；修回日期：2018–07–16基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2016YFC0600900)；国家自然科学基金青年基金项目(51404278)SupportedbytheNationalBasicResearchProgramofChina(GrantNo.2016YFC0600900)andYouthFundProgramofNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNo.51404278)作者简介：何满潮(1956–)，男，1981年毕业于长春地质学院工程地质专业，现任教授、博士生导师、中国科学院院士，主要从事深部岩体力学与工程灾害控制方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]。通讯作者：马新根(1992–)，男，现为博士研究生，主要从事矿山压力方面的研究工作。E-mail：[e-mail]：10.13722/j.cnki.jrme.2018.0706中厚煤层复合顶板快速无煤柱自成巷适应性研究与应用何满潮1，马新根1，2，牛福龙3，王炯1，2，刘雨兴1，2(1.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083；3.同煤集团塔山煤矿有限公司，山西大同037000)摘要：为解决区段煤柱资源浪费、工作面生产接续紧张的问题，于塔山煤矿8304工作面引入快速无煤柱自成巷技术。首先，对切顶卸压无煤柱自成巷技术的工艺流程及工序时空关系进行总结，以此为基础将围岩结构分为煤体支撑区、动压承载区、成巷稳定区。随后，以该工作面中厚煤层复合顶板地质条件为基础，分别对顶板切缝、聚能爆破、恒阻锚索支护、挡矸支护、临时支护以及松动爆破六项关键技术相关参数进行设计。昀后，通过数模模拟、现场监测对相关设计的技术效果进行分析、验证。现场留巷实践显示，昀终留巷顶底移近量为261mm，两帮收缩量为390mm，有效断面尺寸为2839mm×4610mm，足以满足相邻工作面回采复用需求。关键词：采矿工程；切顶卸压；自动成巷；中厚煤层；复合顶板；松动爆破；适应性研究中图分类号：TD32文献标识码：A文章编号：1000–6915(2018)12–2641–14Adaptabilityresearchandapplicationofrapidgob-sideentryretainingformedbyroofcuttingandpressurereleasingwithcompositeroofandmediumthickcoalseamHEManchao1，MAXingen1，2，NIUFulong3，WANGJiong1，2，LIUYuxing1，2(1.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China；2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China；3.TashanCoalMineCo.Ltd.，DatongCoalMineGroup，Datong，Shanxi037000，China)Abstract：Inordertosolvetheproblemsofthewasteofcoalpillarsandthelimitationofworkingfaces，therapidgob-sideentryretainingtechnologybyroofcuttingandpressurereleasingwasintroducedintothe8304workingfaceofTashancoalmine.Thetechnologicalprocessandthespace-timerelationshipofthenewgob-sideentryretainingtechnologyweresummarized，basedonwhichthesurroundingrockstructurewasdividedintocoalsupportzone，dynamicpressurezoneandlanestablezone.Taking8304workingfaceasanexamplewithcompositeroofandmediumthickcoalseam，therelevantparametersofsixkeytechnologiesincludingroofcutting，shapedblasting，constantresistanceanchorcablesupport，retainingsupport，temporarysupportandlooseblastingwererespectivelydesigned.Thetechnicaleffectsofrelateddesignswereverifiedbynumericalsimulationandfieldtest.Thepracticeresultsshowthattheultimateconvergenceoftheroofandthebottomoftheroadwayis261mm，theshrinkageofthetwosidesoftheroadwayis390mm，theeffectivesectionsizeoftheroadwayis2839mm×4610mm，andtheremainedroadwayissufficienttomeetthereuserequirementofadjacentworkingfaces.•2642•岩石力学与工程学报2018年 Keywords：miningengineering；roofcuttingandpressurereleasing；roadwayformedautomatically；mediumthickcoalseam；compositeroof；looseblasting；adaptabilityresearch1引言 煤炭是我国的主要基础能源，在一次能源结构中占据主导地位[1]。然而，随着煤炭资源的大规模开采，浅、中部煤炭资源越来越少，我国很多矿区相继进入了深部开采状态[2]。此时，留设区段煤柱的传统工作面布置方式不仅造成了煤炭资源的大量浪费，护巷煤柱在工作面回采后还会形成较高应力集中，极易引发冲击地压﹑煤与瓦斯突出等动力灾害[3]。因此，在煤炭资源日益紧张、煤矿开采深度逐渐增加的双重形势下，煤矿井工开采技术及工作面布置方式亟待优化。 沿空留巷技术作为一种无煤柱开采方式，可在工作面回采布置时取消区段煤柱留设，将上一区段顺槽通过沿空维护供下一区段继续使用，能有效解决煤炭资源浪费、顺槽灾害频发等问题，具有提高采区煤炭采出率、延长矿井服务年限、减少巷道掘进作业量、简化工作面接续程序等优点[4]。然而，传统沿空留巷主要通过巷旁支护、巷旁充填等技术实现，由于充填体快速充填及巷道稳定性控制问题难以有效解决，实践中留巷施工相比工作面回采推进往往存在滞后性，且成本较高、工序复杂，严重制约了沿空留巷技术的应用和发展[5]。 以此为基础，何满潮等[6]于2008年进一步提出基于短臂梁理论的无煤柱自成巷技术，即通过切顶卸压主动改变巷道顶板和采空区顶板的结构形态，利用采空区顶板的垮落碎胀实现沿空护巷和无煤柱开采。近年来，该技术已在多矿试验成功，如：孙晓明等[7]以南屯煤矿1610工作面作为工程实例，详细阐述了薄煤层切顶卸压自成巷关键参数的设计方法；郭志飚等[8]以嘉阳煤矿3118工作面为例，针对顶板预裂切缝参数及配套技术进行了深入研究；张国锋等[9]在唐山沟煤矿的切顶卸压技术试验推广应用中，总结出了恒阻大变形锚杆(索)＋巷旁锚索加强支护＋巷旁密集单体液压支柱加强切顶联合支护技术。无煤柱自成巷技术有效解决了沿空留巷围压高和支护难两大难题，留巷效率大幅提高、成本大幅降低，大大提高了沿空留巷工艺的适用范围。本论文以塔山煤矿8304工作面作为工程实例，针对中厚煤层复合顶板条件下的切顶卸压自动成巷关键技术展开研究，并结合顶板松动爆破技术，依据8304工作面顶板条件对切顶卸压自动成巷技术的现场应用进行优化，实现该地质条件下的工作面快速回采、顺槽自动成巷，研究成果对切顶卸压无煤柱自成巷技术的进一步推广和优化具有一定借鉴意义。  2工程概况 塔山煤矿8304工作面为所属井田三盘区东翼首采面，工作面走向长度670m，倾向长度127m，与8305工作面毗邻，其布置平面图如图1(a)所示。该工作面煤层厚度为1.80～3.55m，平均厚度3.1m，直接顶和直接底均为泥岩，基本顶和基本底分别为细砂岩和粉砂岩，工作面对应地面标高为1391.4～1417.7m，工作面标高为1006.3～1024.2m，埋深为367～411m，工作面内煤层倾角在2°～6°范围内，全工作面平均煤层倾角为4°，顶板岩性柱状图如图1(b)所示，各岩层相关参数如表1[10]所示。  (a)(b)图1塔山煤矿三盘区8304工作面布置平面图及顶板岩性柱状图Fig.1Layoutandrooflithologyof8304workingface停采线8305工作面8304工作面留巷长度670m工作面长度127m柱状厚度/m岩性1.280.501.301.232.890.805.461.443.10粉砂岩细砂岩中砂岩泥岩中砂岩泥岩细砂岩泥岩煤第37卷第12期何满潮等：中厚煤层复合顶板快速无煤柱自成巷适应性研究与应用•2643•表1煤层上方顶板岩层[10]Table1Roofstrataofcoalseam[10]序号岩性均厚/m累计厚度/m容重/(kN·m－3)抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)黏聚力/MPa体积模量/GPa剪切模量/GPa①泥岩1.441.44223.2280.20.200.15②细砂岩5.466.90237.3321.03.813.05③泥岩0.807.70223.2280.20.200.15④中砂岩2.8910.59248.4332.611.497.26⑤泥岩1.2311.82223.2280.20.200.15⑥中砂岩1.3013.12248.4332.611.497.26⑦细砂岩0.6013.72237.3321.03.813.05⑧粉砂岩1.2815.00224.3320.82.111.86 试验工作面采用综合机械化采煤法进行回采，昀大日回采速度为12.7m/d，平均日回采速度为8.3m/d，回采速度较快。留巷试验顺槽为8304工作面尾巷，回采作业时，头巷作为机轨合一巷，尾巷用作进风、行人，试验顺槽断面为矩形，采用锚网索联合支护，断面尺寸为5.0m×3.1m。  3切顶卸压自成巷工艺3.1工艺流程如图2切顶卸压无煤柱自成巷技术原理图所示，为利用采空区顶板的垮落碎胀实现采空区有效填充，该技术工艺流程可分为以下6步：(1)预留巷道掘进作业；(2)使用恒阻大变形锚索对预留巷道顶板进行补强支护；(3)实施顶板定向预裂切缝；(4)使用单体支柱于工作面超前一定区域实施临时补强支护；(5)于工作面架后及时实施挡矸支护及架后支护；(6)工作面回采作业后，采空区顶板垮落对采空区进行填充，当矸石充填稳定后回撤架后支护，完成留巷[11]。3.2工序时空关系切顶卸压自成巷技术的工艺流程在施工顺序上分为以上6步，