无煤柱无掘巷开采自成巷道围岩结构控制及工程应用

　第43卷增刊1煤　　炭　　学　　报Vol.43　Supp.1　　2018年6月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJune　2018　朱珍,张科学,杨军,等.无煤柱无掘巷开采自成巷道围岩结构控制及工程应用[J].煤炭学报,2018,43(S1):52-60.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.1194ZHUZhen,ZHANGKexue,YANGJun,etal.Surroundingrockscontroltechnologyandapplicationofautomaticallyformedroadwayinmin-ingwithoutcoalpillarandgateroadexcavation[J].JournalofChinaCoalSociety,2018,43(S1):52-60.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.1194无煤柱无掘巷开采自成巷道围岩结构控制及工程应用朱　珍1,2,张科学1,3,4,何满潮1,2,杨　军1,2,高　庆1,2,魏庆龙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.煤炭科学研究总院智能控制技术研究分院,北京　100013;4.中国煤炭科工集团北京天地玛珂电液控制系统有限公司,北京　100013)摘　要:鉴于传统留煤柱开采方式资源采出率低、巷道掘进率高等问题,基于切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术思路,提出了无煤柱无掘巷开采技术,通过与传统留煤柱开采工艺对比,详细阐明了无煤柱无掘巷开采技术工作面的开采方式及巷道形成原理。通过分析工作面回采过程中顶板岩层运动特征,建立了无煤柱无掘巷开采自成巷道围岩结构力学模型,导出了顶板支护阻力表达式并分析了支护阻力影响因素。针对顶板岩层运动特征,研究了无煤柱无掘巷开采配套支护技术。提出了无煤柱无掘巷开采分区治理技术,将成巷区的加强支护分为密集支护区、间隔回撤区和完全回撤区3个区域,提出对不同的支护分区采取不同的支护对策,并在现场进行了工程应用试验。现场工程试验效果表明,无煤柱无掘巷开采实现了盘区内工作面的回采不再需要提前掘进回采巷道、且工作面间无需留设护巷煤柱的开采目标。关键词:切顶卸压;自动成巷;无煤柱开采;无掘巷开采;围岩控制中图分类号:TD82　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2018)S1-0052-09收稿日期:2017-08-30　　修回日期:2018-04-02　　责任编辑:常明然　　基金项目:国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600900);国家自然科学基金资助项目(51674265);中国博士后科学基金面上资助项目(2017M620955)　　作者简介:朱　珍(1988—),男,湖南邵阳人,博士。E-mail:[e-mail]　　通讯作者:张科学(1986—),男,河南永城人,博士后,副研究员。E-mail:[e-mail]oltechnologyandapplicationofautomaticallyformedroadwayinminingwithoutcoalpillarandgateroadexcavationZHUZhen1,2,ZHANGKexue1,3,4,HEManchao1,2,YANGJun1,2,GAOQing1,2,WEIQinglong1,2(1.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing　100083,China;2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing　100083,China;3.IntelligentControlTechnologyBranchofChinaCoalResearchInstitute,Beijing　100013,China;4.BeijingTiandi-MarcoElectro-HydraulicControlSystemCo.,Ltd.,ChinaCoalTechnolo-gyandEngineeringGroup,Beijing　100013,China)Abstract:Intermsofthefactthatthetraditionalminingmethodcausesthehighdrivagerateandlowresourcerecoveryrate,anewminingtechnology,miningwithoutcoalpillarsandgateroadexcavation,wasputforwardbasedontheideaofroofcuttingandautomaticallyformedroadway.Theconcreteminingmethodofworkingfaceandtheprincipleofroadwayformationwereexplicatedbycomparingwithtraditionalcoalminingtechnology.Throughtheanalysisofthemovementcharacteristicsofroofrock,amechanicalmodelofsurroundingrockstructurewasestablished,andthefor-mulaforcalculatingtheresistanceofroofsupportisderived.Supportingtechnologymatchingwiththenewmining增刊1朱　珍等:无煤柱无掘巷开采自成巷道围岩结构控制及工程应用technologywasstudiedonthebasisofthecharacteristicsofsurroundingrockmovement.Besides,thezoningsupportingconceptwasproposedandappliedinthefield,whichmeansthatdifferentsupportmeasuresshouldbetakenindiffer-entareas.Fieldtestresultsshowthatthenewminingtechnologyhasachievedthegoalofminingwithoutcoalpillarsandgateroadexcavationinadvance.Keywords:roofcuttingandpressurerelief;automaticgateroadformation;miningwithoutpillars;miningwithoutroad-wayexcavation;controlofsurroundingrocks　　长期以来,我国的煤炭开采通常采用提前掘进工作面回采巷道、并留设护巷煤柱的长壁开采技术体系[1-2],形成了以钱鸣高院士提出的“砌体梁”理论和宋振骐院士提出的“传递岩梁”理论为典型代表的两大矿山压力理论体系,奠定了我国长壁留煤柱开采的理论基础,为我国煤炭开采事业做出了巨大贡献[3-4]。随着煤炭资源不断被采出,其储量越来越少,传统留煤柱采煤工艺所造成的资源浪费问题日益突出,提高采出率是我国煤炭开采急需解决的重大问题之一[5-7]。20世纪50年代以后,沿空留巷技术在我国得到了应用和推广,该技术通过在工作面后方沿采空区边界维护原回采巷道,并将其保留下来供下区段工作面继续使用,不仅实现了无煤柱采煤,减少了回采工作面的巷道掘进量,缓解了工作面采掘接替紧张,同时也有效防止了孤岛工作面的产生,对煤炭资源的科学开采和高效利用是一个巨大进步[8-9]。近年来,众多学者在沿空留巷基础理论、围岩控制技术及支护材料方面开展了大量研究,取得了丰富的研究成果,对指导沿空留巷的实践具有重要意义,为我国煤矿安全、高效生产带来了巨大的经济效益和社会效益[10-14]。然而,传统沿空留巷无煤柱开采技术往往是通过在巷旁构筑高强度人工充填体来支护原有巷道,支护体在上覆岩层荷载的作用下容易因产生过大应力集中而导致变形严重或失效[15-16]。基于此,21世纪初,何满潮院士在研究工程岩体大变形灾害致灾机理及控制理论时提出了“切顶短臂梁”理论,并基于该理论形成了一种新型沿空留巷技术,即切顶卸压沿空留巷技术[17]。该技术通过顶板定向切缝切断采空区与巷道部分顶板之间的物理联系,削弱二者之间的应力传递,使采空区顶板在工作面推过后及时垮落,垮落矸石在侧向支护系统的支护作用下自动形成巷道一帮,从而取消了巷旁充填,并削弱了围岩应力集中,实现了无煤柱采煤。切顶卸压沿空留巷技术自提出以来,已在南屯煤矿[18]、哈拉沟煤矿[19]、柠条塔煤矿[20]等数十个矿区不同地质条件下成功应用,取得了良好的应用效果。随着切顶卸压沿空留巷技术的进一步完善和发展,近年来,我国学者何满潮院士又提出“采、掘、留一体化”的自动成巷无煤柱开采新思路,即通过改变工作面与巷道布局、改变开采技术装备体系和工艺体系,通过一边采煤一边自动成巷,并将形成的巷道保留下来供下一工作面回采时继续使用,实现工作面、采区甚至全矿井无巷道掘进和无煤柱开采。笔者拟依据自动成巷无煤柱开采新思路,提出一种工作面无掘巷和无煤柱开采具体方法,并详细介绍其采煤方式与成巷原理,同时针对顶板岩层运动特征研究其围岩控制关键技术,最后在柠条塔煤矿进行现场工程试验。1　工作面开采方式及巷道形成原理1．1　传统留煤柱开采对于传统留煤柱开采,需要提前掘进至少两条工作面回采巷道,且工作面间需保留一定宽度护巷煤柱,以平衡上覆岩层荷载,工作面与巷道平面布置示意如图1所示。当开采工作面j时,需在工作面j两端分别提前掘进回风巷和进风巷,以使该工作面形成完整的通风系统和运输系统,工作面j开采完毕后,其回风巷和进风巷均被破坏。此外,为确保工作面j+1的进风巷处于稳定状态,在工作面j和工作面j+1之间需保留一定宽度煤柱,被保留下来的煤柱将难以被采出。因此,传统留煤柱开采所造成的资源浪费问题较为严重,且其巷道掘进量较大,由此造成开采成本相对较高。1．2　无煤柱无掘巷开采为解决传统留煤柱开采带来的资源采出率低、巷道掘进率高的问题,笔者提出一种工作面无掘巷、工作面间无煤柱的开采方式,即除采区大巷外,所有工作面回采巷道均为一边采煤、一边自动形成,且形成的巷道在工作面推过后通过配套技术保留下来供下个工作面继续使用,工作面与巷道布置示意如图2所示。无煤柱无掘巷开采工作面开采方式及巷道形成主要过程为(1)在工作面开采前,首先沿盘区周边开拓服务于整个盘区的边界巷道,使该盘区形成完整的通风系35煤　　炭　　学　　报2018年第43卷图1　传统留煤柱开采工作面与巷道平面布置示意Fig．1　Planelayoutofpanelsandroadwaysintraditionalminingmethod图2　无煤柱无掘巷开采工作面与巷道布置示意Fig．2　Planelayoutofpanelsandroadwaysinnewminingmethod统和运输系统。(2)在开采图2所示工作面i时,通过改进采煤机、刮板输送机和支架系统之间的配套,由采煤机在刮板机机尾割煤时超越机尾割出巷道空间并形成弧形巷帮,如图3所示。(3)紧跟工作面在采煤机割出巷道空间顶板进行恒阻大变形锚索支护,同时在工作面端头预定位置(图3(a)中特殊支架之间的空间)对顶板实施定向切缝。(4)随着工作面的向前推进和液压支架的前移,切缝线外侧采空区顶板岩