急倾斜中厚煤层柔掩工作面沿空留巷技术实践

张江云 武梅苹

(1.攀枝花煤业(集团)有限责任公司，四川省攀枝花，617066； 2.攀枝花煤业(集团)有限责任公司花山煤矿，四川省攀枝花市，617066)

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急倾斜中厚煤层柔掩工作面沿空留巷技术实践

张江云1武梅苹2

(1.攀枝花煤业(集团)有限责任公司，四川省攀枝花，617066； 2.攀枝花煤业(集团)有限责任公司花山煤矿，四川省攀枝花市，617066)

为解决复杂地质条件下急倾斜中厚煤层沿空留巷难题，以宝鼎矿区太平煤矿25134柔性掩护支架采煤工作面为工程背景，采用理论分析、数值模型计算，分析了急倾斜中厚煤层沿空留巷围岩变形动态演化特征。基于此确定了基于锚杆及锚索补强支护、单体加强维护、煤柱内部注浆加固、巷道表面喷浆封堵等方法的急倾斜中厚煤层沿空留巷技术。现场实践表明，该技术显著提高了留巷围岩整体力学性能及自稳能力，保障了沿空巷道围岩的稳定性，大幅降低了沿空留巷成本、材料运输量和职工劳动强度，成功实现留巷580 m，该技术的成功研究和应用具有显著的经济效益和社会安全效益。

急倾斜煤层 巷道加固 封堵注浆 沿空护巷

沿空留巷技术自20世纪50年代在我国开始使用以来，一直是我国煤炭开采的重要技术发展方向。我国学者在沿空留巷理论与技术研究方面进行了大量的研究和探索，从薄煤层到中厚煤层、从缓倾斜到急倾斜煤层，均取得了较为显著的成果，在条件较好的薄及中厚煤层采煤工作面沿空留巷技术应用已日趋完善，巷旁支护、巷内支护、加强支护及煤帮加固技术已趋成熟。然而对于复杂地质条件，尤其是急倾斜煤层的沿空留巷技术仍存在着不足之处。随着煤矿开采深度增加，煤层瓦斯、地压不断升高，加之宝鼎矿区地质构造多，煤层条件极其复杂，矿井存在单面可采储量少，搬家倒面频繁，掘进进度慢等问题，导致采掘接替紧张甚至出现脱节。为解决以上难题，矿井可采取沿空留巷技术解决采掘接续矛盾现状。针对沿空留巷技术，国内外学者开展了大量的研究工作：周保精利用倾斜煤层采空区冒落矸石自溜现象，形成以冒落矸石为主要充填材料的稳固沿空留巷充填体；孙恒虎认为沿空留巷支护载荷只与短支承边界的载荷有关；漆泰岳等通过现场实测和理论分析，提出了使沿空留巷巷道保持稳定的整体浇注护巷带支护强度与变形的理论计算方法；谢文兵通过分析研究，在保证顶煤及顶板稳定前提下，确定合理充填方式和充填体强度；郭育光提出沿空留巷巷帮充填主要参数留巷成本和施工劳动强度是需要考虑的两大主要因素；苏清政认为破碎矸石充填体具有足够支撑阻力和适应基本顶结构的旋转下沉可缩量特性；黄庆享研究分析了急倾斜临界角沿空回采巷道矿压显现规律。

基于宝鼎矿区复杂地质构造条件下急倾斜煤层地质条件，通过理论分析、数值模型计算及现场实践，分析了急倾斜中厚煤层沿空留巷围岩变形动态演化特征，确定了基于锚杆及锚索补强支护、单体加强维护、煤柱内部注浆加固、巷道表面喷浆封堵等方法的急倾斜中厚煤层沿空留巷技术，现场实践表明，该技术显著提高了留巷围岩整体力学性能及自稳能力，保障了沿空巷道围岩的稳定性。

1 工程概况

攀枝花煤业公司太平煤矿南翼煤层倾角为40°～75°，平均为50°～65°，煤层地质条件复杂多变，煤层赋存条件以薄煤层为主，中厚煤层次之，主要采用俯伪斜四边形柔性掩护支架长壁后退式采煤法；沿空护巷工作面煤层平均厚度为2.78 m，倾角为51°～72°，平均为60°，直接顶为9 m厚的粉砂岩，基本顶为7.6 m 厚的粗砂岩，直接底为5.3 m厚的泥质粉砂岩；留巷巷道下宽4 m，中高2.8 m，断面为不规则的直墙拱形断面，锚杆间排距为0.8 mm×0.8 mm。

2 急倾斜中厚煤层沿空留巷围岩变形动态演化特征

2.1 模型建立

模型大小取100 m×100 m×100 m范围，采用结构化单元网格划分技术，对较为关心的小煤柱以及巷道部位进行网格细化。模型的前后左右及下部固定法线方向位移，顶部加载2 MPa的均布载荷来模拟上覆岩层的压力。锚杆和锚索采用嵌入单元进行模拟。为模拟煤层开采后顶底板接触的情况，在顶底板表面设置一对接触(模拟顶底板表面接触，为模型实际运行过程中的定义)来模拟力的传递作用。模型采用岩土工程中常用的Drucker-Prager本构模型，数值计算模型如图1所示。

图1 数值计算模型

2.2 数值模拟结果及分析

基于过小煤柱中心线的截面内监测点，分析了工作面推进过程中煤柱变形和应力演化特征，小煤柱应力及变形观测切面和截面煤柱内监测点布置分别如图2、图3所示。

图2 小煤柱应力及变形观测切面

图3 截面煤柱内监测点布置

2.2.1 随工作面推进煤柱应力演化特征

工作面推进过程中煤柱内监测点应力分布情况如图4所示。模拟分析表明，随着工作面的推进，高应力区不断前移，工作面后方小煤柱应力逐渐趋于稳定，应力集中，工作面前沿附近区域为应力突变区域。位于工作面后方巷道和煤柱的应力远高于前方的巷道和煤柱。

图4 小煤柱Mises应力分布随工作面推进的变化

统计煤柱内监测点最大 Mises应力动态演化规律，如图5所示。

图5 各煤柱最大Mises应力随工作面推进距离的变化曲线

2.2.2 小煤柱随工作面推进变形分布变化规律

工作面推进过程中煤柱内监测点围岩变形值如表1和图6所示。分析表明：工作面后方煤柱变形量较大，在工作面推进至监测点处时，煤柱变形呈现突变特点，工作面前端煤柱，除较接近工作面的煤柱外，虽然受到采动影响，但变形并不明显。煤柱的最大变形量为200 mm左右，煤柱出现整体下滑趋势；巷道顶底板最大相对移近量达1060 mm 左右，巷道两帮最大相对移近量达500 mm左右，并且巷道呈现不对称变形，巷道顶板变形量较底板大，底板出现底鼓现象，巷道左帮变形量较右帮大，右帮最大变形量大约为左帮最大变形量的65%左右，工作面后方巷道收缩量达35%左右。

表1 各煤柱最大变形情况随工作面推进的变化

图6 各煤柱最大变形情况随工作面推进的变化曲线

3 急倾斜中厚煤层沿空留巷围岩控制技术

基于沿空留巷围岩应力及位移演化特征，为保障沿空巷道围岩的稳定性，在工作面超前支承压力影响范围前方(即在工作面煤壁前方40 m以外)，提出了基于锚杆及锚索补强支护、单体加强维护、煤柱内部注浆加固、巷道表面喷浆封堵为原则的急倾斜中厚煤层沿空留巷围岩控制技术。

(1)锚杆及锚索补强支护。巷道内煤层顶板侧巷道中部补打两排锚索，锚索间距1.5 m，锚索规格直径15.24 mm，长度5.3 m；巷道上帮侧补打一排锚杆，锚杆为规格直径18 mm、长度2.4 m的螺纹钢锚杆，运输留巷加强支护技术如图7所示。

图7 运输留巷加强支护示意图

(2)单体加强维护。工作面超前加强支护段增设两排单体液压支柱和一排木支柱，柱距1 m，支柱架设在巷道顶板中部。工作面后方40 m拆除一排单体支柱，注浆完成凝结稳定后拆除全部单体支柱，打设位置如图8所示。

(3)煤柱内部注浆加固。滞后工作面40～50 m 范围，采用水泥水玻璃浆液进行煤柱注浆加固，孔深5.0 m，注浆孔排距1.6 m，注浆压力1.0～2.0 MPa，单孔注浆时间2～5 min，注浆量为0.16 m3/m，采用间隔交替的注浆方式，注浆加固方案如图9所示。

图8 单体支护示意图

图9 注浆钻孔布置截面示意图

(4)巷道表面喷浆封堵。在工作面推进后进行留巷施工，在工作面后20 m范围内先对原巷道按照原设计断面重新喷浆支护，喷砼强度C20，喷浆厚度100 mm，喷浆时在喷浆段先将单体支柱撤除，喷浆完毕凝结后再打设单体支柱。

4 急倾斜中厚煤层沿空留巷围岩变形现场实测

4.1 监测方案

为检验留巷效果，对巷道内顶板离层量、巷道围岩变形量进行了现场实测。

(1)巷道断面变形观测区。设置5个巷道断面变形测点，超前工作面20 m设置第1个测点，各测点间隔5 m。

(2)顶板离层监测点。设置5个顶板离层监测点，超前工作面20 m设置第1个测点，各测点间隔5 m设置。

4.2 监测结果和分析

4.2.1 巷道断面表面位移变化规律

运输平巷断面表面位移变化曲线如图10和图11所示。由图中可以看出，除1#断面的两帮变形量较大外，采动对巷道两帮移近量的影响和对顶底板移近量的影响基本一致；运输平巷不同地点因地质条件、巷道跨度和支护强度等影响因素不同，表面位移显著不同，其中2#断面顶底板移近量最大为225 mm，4#断面和5#断面顶底板移近量最大为35 mm；1#断面两帮移近量最大为820 mm，5#断面两帮移近量最大45 mm；巷道变形量主要是在采动影响范围中产生，即在距工作面20 m以内巷道围岩开始产生较明显变形，在10 m以内变形速度明显加快。

图10 运输平巷断面两帮表面位移变化曲线

图11 运输平巷断面顶底板表面位移变化曲线

4.2.2 顶板离层变化规律

顶板离层监测结果如图12所示。分析表明，在工作面推进过程中，不同地点因地质条件、巷道跨度和支护强度等影响因素不同，各断面的顶板离层最大值显著不同，最大离层74 mm，最小离层5 mm；回采期间锚杆锚固范围以内最大离层小于10 mm，锚杆锚固范围以外最大离层超过20 mm。可见，采动对锚杆锚固范围内外的影响较小，不影响工作面正常生产；发现离层距离工作面最远距离在34.8 m左右，可见采动影响要大于35 m。

图12 顶板各测点离层趋势图

5 结论

(1)以宝鼎矿区太平煤矿25134柔性掩护支架采煤工作面为工程背景，采用理论分析、数值模型计算，分析了急倾斜中厚煤层沿空留巷围岩变形动态演化特征。

(2)提出了基于锚杆及锚索补强支护、单体加强维护、煤柱内部注浆加固、巷道表面喷浆封堵为原则的急倾斜中厚煤层沿空留巷围岩控制技术。

(3)现场实践表明，该技术显著提高了留巷围岩整体力学性能及自稳能力，保障了沿空巷道围岩的稳定性，大幅降低了沿空留巷成本、材料运输量和职工劳动强度，缓解采掘接替紧张的矛盾，成功实现留巷580 m，该技术的成功研究和应用具有显著的经济效益和社会安全效益。

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[4] 谢文兵，殷少举，史振凡.综放沿空留巷几个关键问题的研究[J].煤炭学报，2004(2)

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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

张江云，武梅苹. 急倾斜中厚煤层柔掩工作面沿空留巷技术实践[J]. 中国煤炭，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

张江云(1982-)，男，青海湟中县人，采矿工程师、注册安全工程师，长期从事采矿技术、井巷支护管理工作。

(责任编辑 郭东芝)

中国国际卓越煤矿瓦斯治理中心正式挂牌

在天津召开的2017年(第十九届)中国国际矿业大会煤层气(煤矿瓦斯)国际论坛上，联合国欧洲经济委员会依托山西焦煤集团设立的中国国际卓越煤矿瓦斯治理中心正式挂牌。

联合国欧洲经济委员会可持续能源委员会瓦斯专家委员会主席雷·皮尔彻、中国工程院院士袁亮、山西焦煤集团工会主席邓保平、山西焦煤集团总工程师侯水云等出席挂牌仪式。中国工程院院士、中国国际卓越煤矿瓦斯治理中心主席、山西焦煤集团副董事长、党委副书记、总经理金智新为中国国际卓越煤矿瓦斯治理中心特聘专家颁发证书并致欢迎辞。中国煤炭工业协会副会长、中国煤炭学会秘书长刘峰主持挂牌仪式。

中国国际卓越煤矿瓦斯治理中心是目前全球唯一在联合国欧洲经济委员会授权下，由企业主导的甲烷管理枢纽机构，是以山西焦煤集团为依托、在中国建立的非营利性国际组织，是由致力于煤层气(煤矿瓦斯)管理的山西焦煤集团、北京辛迪克清洁能源技术服务公司15家理事单位自愿结成。中国国际卓越煤矿瓦斯治理中心的设立，建立了联合国与中国企业在清洁能源利用、温室气体减排方面的直接联络通道，倾力支持中国政府碳减排对世界的承诺，将会让中国政府满意；在未来的运营中，中国国际卓越煤矿瓦斯治理中心将帮助联合国各成员国在能源领域的碳减排，推广联合国倡导的“有效抽采利用煤矿瓦斯最佳实践指南”，致力于煤层气(煤矿瓦斯)先进技术的研发与合作、业务培训、咨询服务、国际管理标准制定、全球信息共享等工作，让联合国满意；中国国际卓越煤矿瓦斯治理中心未来将成为瓦斯治理利用新技术推广平台，瓦斯治理利用资金、技术、人才资源共享平台，瓦斯利用与碳金融及新型商业模式联动开发平台，加快推动企业与“一带一路”沿线国家在煤炭开采、洗选加工、焦炭化工、煤机装备、瓦斯治理利用等领域的深度合作，让参与的利益方满意。该中心拟定于2018年启动运营。