深井巷内预制充填体切顶无煤柱开采技术研究杨光辉

第2卷第1期采矿与岩层控制工程学报Vol.2No.12020年2月JOURNALOFMININGANDSTRATACONTROLENGINEERINGFeb.2020013038-1杨光辉，王开，张小强.深井巷内预制充填体切顶无煤柱开采技术研究[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2(1)：013038.YANGGuanghui，WANGKai，ZHANGXiaoqiang.Studyonnon-pillarminingtechnologyofpresetpackingbodyandroofcuttingindeepwellroadway[J].JournalofMiningandStrataControlEngineering，2020，2(1)：013038.深井巷内预制充填体切顶无煤柱开采技术研究杨光辉，王开，张小强(太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024)摘要：针对目前深井高地应力开采环境复杂、煤炭资源采出率低等问题，提出了巷内预制充填体切顶无煤柱开采技术，以山西某矿21214工作面运输巷为研究对象，通过理论分析以及数值模拟仿真方法确定切顶参数、预制充填体合理宽度，并结合工程实例进行了可行性研究，按照设计的施工工艺和参数在21214工作面进行了实施。现场观测结果表明，巷内预制充填体切顶无煤柱开采技术实践效果显著，巷道顶底板最大位移量为120mm，实体煤帮位移量为145mm，巷道围岩变形量能够得到很好地控制。关键词：深井高地应力；切顶卸压；充填体；无煤柱开采中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：2096-7187(2020)01-3038-08Studyonnon-pillarminingtechnologyofpresetpackingbodyandroofcuttingindeepwellroadwayYANGGuanghui，WANGKai，ZHANGXiaoqiang(CollegeofMiningEngineering，TaiyuanUniversityofTechnologySchoolofMiningEngineering，Taiyuan030024，China)Abstract：Inviewofthepresentdeep-wellandhigh-stressminingenvironmentproblemofcomplexandlowrecoveryrateofcoalresources，anewtechniquewithpresetpackingbodyandroofcuttingforcoalseamwithoutcoalpillarminingisputforward，withcoalmine21214headentryinSHANXiastheresearchobject，throughtheoreticalanalysisandnumericalsimulationmethodtodeterminereasonableroofcuttingparametersandpresetpackingbodywidth.Thefeasibilitystudyiscarriedoutwithaindustrialtest，accordingtothedesignoftheconstructiontechnologyandparametersin21214coalfaceintheimplementationofindustrialtestresultsshowthatthetechniquewithpresetpackingbodyandroofcuttingforcoalseamwithoutcoalpillarminingpracticeeffectisremarkable，roofandfloorrockofroadwaymaximumdisplacementis120mm.Thedisplacementofsolidcoalwallis145mm，andthedeformationofroadwaysurroundingrockcanbewellcontrolled.Keywords：deep-wellandhigh-stress；roofcuttingandpressurerelief；presetpackingbody；non-pillarmining收稿日期：2019-07-08修回日期：2019-09-15责任编辑：许书阁基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51704204)作者简介：杨光辉(1994—)，男，内蒙古赤峰人，硕士研究生，主要从事矿山压力及支护等方面的研究。E-mail：[e-mail]煤炭作为短时间内不可再生资源，随着人类不断的持续开采，储量越来越少，传统留设区段煤柱的采煤方式所导致的资源浪费问题日益突出，提高煤炭资源采出率是我国煤炭行业实现可持续发展所面临的重大问题之一。同时，随着开采范围和回采产量的增加，我国煤矿开采陆续由浅部向深部转移。沿空掘巷技术由于可以借用上个工作面回采杨光辉等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013038013038-2所形成的特殊岩层结构，从而可以提高下个工作面回采巷道围岩稳定性而被广泛应用。沿空掘巷包括沿采空区边缘掘巷(无煤柱掘巷)以及与采空区之间留设窄煤柱掘巷两种。无煤柱沿空掘巷由于采空区内残留大量瓦斯、水以及冒落矸石整体的不稳定性，对巷道的正常掘进造成严重影响，一般非特殊地质条件的矿井不宜采用。窄煤柱沿空掘巷通过计算得出窄煤柱有效宽度，并在窄煤柱应力降低区内进行巷道布置，其主要特征是巷道围岩应力小，可以对巷道围岩变形进行有效控制，然而窄煤柱在经过峰值应力变形后，导致煤体内部结构发生破坏，煤体自身强度和承载力显著降低，在巷道掘进期间及下区段工作面回采期间超前支承压力作用下，其稳定性难以保证，且窄煤柱沿空掘巷依然存在资源损失问题。近年来，国内外学者针对沿空留巷技术进行了大量研究，其中利用巷旁充填体技术研究较多。然而，巷旁充填体初支撑力不够以及与支撑岩层变形不协调等突出问题，导致巷道围岩稳定性较差，不易于维护，而且充填体要滞后上区段工作面施工，施工空间维护及施工组织较为困难，安全隐患较大，充填体施工还会影响到上区段工作面回采，导致不能高效生产。马立强、张东升、王红胜等提出巷内预制充填带无煤柱开采技术，该技术从本质上结合了沿空掘巷和沿空留巷的技术特点，实用性强，克服了沿空留巷充填带施工困难的缺点，且下区段回采巷道可沿预制充填带进行掘进，实现了无煤柱开采。针对深井高地应力情况下的无煤柱开采技术的研究较少。基于此，笔者运用巷内预制充填体无煤柱开采技术与切顶卸压相结合，通过理论分析计算、数值模拟以及工程实例，研究深井高地应力情况下，巷内预制充填体切顶卸压无煤柱开采技术的可行性，为深井无煤柱开采技术提供参考。1工程背景1.1煤层条件山西某矿2号煤层位于山西组中部，平均埋深630m，上距K砂岩25.87～37.65m，平均30.00m，下距6号煤层30.89～52.50m，平均43.12m。2号煤层特性：黑色，块状，半亮煤为主，完整性较好。煤层厚1.55～3.25m，平均2.42m，煤层厚度最小为井田东南部9号孔1.55m，最大为井田中部3号孔3.25m，煤层倾角为2°～11°，平均6°，煤层结构简单，一般不含夹矸，局部含1层夹矸，属全井田稳定可采煤层。1.2地应力测试地应力测试共布置2个测点。1号测点位于21207运输巷515m处，2号测点位于21208回风巷70m处。每个测点布置1个顶板钻孔，钻头直径选用55mm，顶板钻孔深度20m左右，铅垂于煤层顶板布置。具体测试结果见表1。表1地应力测试结果Table1Stresstestresults测点序号测段埋深/m压裂参数/MPa主应力值/MPa最大主应力方向/(°)PPP1615.914.2210.929.9618.599.7815.40N36.3W2683.315.158.479.9220.989.7617.08N30.6W结合两个测点测试结果可知，最大水平主应力介于18.59～20.98MPa之间，最小水平主应力为9.77MPa，垂直应力为15.5MPa，根据相关判断标准，属高应力场，应力场类型为：最大水平主应力＞垂直应力＞最小水平主应力，最大水平主应力为垂直应力的1.20～1.23倍，说明地应力场是以水平构造应力为主导的，最大水平主应力的方位大致为南北向。2巷内预充填体施工及巷道支护参数2.1巷内预制充填体施工工艺依据该矿2号煤层21盘区东翼工作面的采掘接替顺序，21213工作面回风巷掘进时(预留出巷内充填体的宽度)沿非工作帮滞后浇筑巷内充填体，需要注意，在21213工作面回风巷掘进时，要采用锚杆锚索进行断面全支护，且在21213工作面回采杨光辉等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013038013038-3前，巷内充填体要充填完成(图1(a))。21213工作面回采完成后，沿墙体另一侧掘进21214工作面运输巷，与上区段工作面之间不再留设煤柱(图1(b))。巷内充填体21213工作面回风巷21213工作面21214工作面21214工作面运输巷巷内充填体21213采空区21214工作面21213工作面回风巷(a)(b)图1巷内预制充填体实施步骤Fig.1Implementationstepsofprecastbackfillinroadway2.2巷道支护参数21213工作面回风巷采用矩形断面，沿煤层底板布置，巷道掘进高度为3.1m，掘进宽度依据巷旁支护体设计的不同宽度而定。回风巷内顶板及两帮均采用22mm×2400mm的高强螺纹钢锚杆，顶锚杆间排距为800mm×800mm；顶板锚索规格为22mm×9000mm与18.9mm×6800mm，长度不同的锚索隔排布置，长锚索间排距为1600mm×3200mm，短锚索间排距为1600mm×3200mm；巷道工作帮锚杆间排距为700mm×800mm；巷道非工作帮锚杆间排距为900mm×800mm。21214工作面运输巷采用矩形断面，巷道沿巷内充填体另一侧煤层底板掘进，掘进高度为3.1m，掘进宽度为4.8m。运输巷内顶板及工作帮均采用22mm×2400mm的高强螺纹钢锚杆，顶锚杆间排距为700mm×800mm；顶板锚索规格为22mm×9000mm与18.9mm×6800mm，长度不同的锚索隔排布置，长锚索间排距为1800mm×3200mm，短锚索间排距为1400mm×3200mm；巷道工作帮锚杆间排距为700mm×800mm。3切顶参数及理论分析计算3.1切顶参数的确定由于岩石具有一定的碎胀系数，采空区顶板岩层垮落后碎石形成的高度大于岩层原有厚度，利用这一特性，切顶一方面可以避免采空区岩层悬顶对下区段煤体及充填体的破坏作用，另一方面可以通过控制合理的切顶高度，使得切顶范围内的采空区顶板垮落后，刚好可以填满采空区。此时，上覆岩层整体可分为两种受力结构，一种是远离采场(竖直方向)达到一定高度后，岩层所形成的一类拱“大结构”，该结构以两侧煤岩体(水平方向远离当前采场一定距离)为支承点，其上部载荷不直接施加于采场，而是通过两侧支承点传递到采场两侧。另一种受力结构称为“小结构”，如图2所示，关键块B回转下沉后在采空区触矸，压实后的破碎岩石与充填体给其强有力的支撑作用，同时关键块B还受两端关键块的夹持，受到其水平方向力的作用，因此，21213采空区1.0m关键块A关键块B关键块C巷内充填体煤层21214运输巷12m切顶岩层75°图2切顶参数示意Fig.2Schematicdiagramofroofcuttingparameters杨光辉等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013038013038-4关键块B稳定性很好，即