沿空留巷巷内支护技术研究与应用

针对沿空留巷围岩变形大、变形不匀均、维护效果差等状况,以沁新矿沿空留巷为工程背景,采用数值模拟分析了巷内支护与围岩变形、应力分布的关系,揭示了沿空留巷巷内支护机理：采用高阻让压支护,提高沿空留巷围岩承载能力和抗变形能力,适应沿空留巷阶段性围岩大变形与应力调整。开发了沿空留巷巷内支护技术：① 基本支护：采用高预紧力、高强度、大延伸率锚杆与锚索支护,提高围岩承载能力、适应围岩大变形;② 加强支护：回采工作面后方一定范围内的沿空留巷采用高阻让压的单体液压支柱加强顶、底板支护,即在采空区顶板破断和沿空留巷围岩应力调整的剧烈阶段,通过单体液压支柱有效支撑顶底板、减小顶板回转、下沉和巷道底臌,保持沿空留巷围岩稳定;③ 沿空留巷围岩变形稳定后撤除作为加强支护的单体液压支柱。     

沿空留巷围岩变形特征与控制技术研究

沿空留巷受两次工作面采动影响,巷道变形量大,为了研究沿空巷道围岩变形规律和控制技术,本文采用FLAC3D模拟上煤层回采后,本煤层一次回采巷旁充填、二次回采时应力位移变化情况。由模拟可知,伴随回采工作面的推移以及构筑巷旁充填体,工作面后方覆岩逐渐垮落,距后方100m后,上覆岩层基本稳定。采用锚网索支护和注浆加固提高沿空巷道承载能力,通过监测围岩变形量可知,支护取得了良好效果,能为类似条件下沿空留巷围岩控制技术提供借鉴。     

中厚煤层柔模混凝土沿空留巷矿压规律与围岩控制技术

为提高煤炭资源回收率,延长矿井服务年限,降低回采巷道掘进率,城郊煤矿在21404工作面轨道巷实施柔模混凝土沿空留巷技术,对中厚煤层快速推进情况下沿空巷道的围岩应力分布、变形规律及围岩控制等进行研究。研究结果表明:中厚煤层采用柔模混凝土技术沿空留巷,滞后工作面45m范围为应力集中区,顶板变形剧烈;滞后工作面约25m处应力达到最大值,顶板沉降速度最快;滞后工作面80m以外,顶板沉降趋于稳定。通过对留巷顶板及煤柱帮采取补强支护措施、巷内采取临时支护措施,提高巷道顶板整体强度,可控制上覆岩层离层、减少顶板下沉量。     

直覆厚硬顶板沿空留巷巷旁支护方式研究

巷旁支护体成功切顶是直覆厚硬顶板沿空留巷成功的关键。通过建立沿空留巷上覆岩层结构力学模型,分析了不同巷旁支护方式下顶板破断结构,得到了强力切顶支柱能够减小顶板悬露长度;在上述研究的基础上,以某矿10106工作面沿空留巷为背景,采用数值模拟方法分析了2.4 m和3.0 m充填体、强力切顶支柱巷旁支护时支护体的应力状态及巷道围岩变形特征,得到了强力切顶支柱是具有高初撑力、高阻让压和恒定支护阻力的支护体,能够及时切顶,保证留巷稳定。现场监测表明,强力切顶支柱能够保证较好的留巷效果,满足安全生产的需要。     

沿空留巷底板变形力学分析及底臌防控

上覆岩层垮落产生的动载荷通过巷帮煤体、巷内支护体以及巷旁支护体传递给底板,造成工作面后方一段距离的沿空留巷底臌变形加剧。为了控制上覆岩层垮落引起的底臌变形,在分析沿空留巷力学环境的基础上,建立底板力学模型,计算出沿空留巷煤帮弹性压缩区、塑性区、破裂区的宽度,以及煤帮对底板的作用力。应用关键层理论,确定顶板硬岩层位置及其破断顺序,以及垮断极限层的层位;采用顶板载荷条带分割法,计算出巷旁支护体对底板的作用力,并引入等效载荷的概念,构建底板等效载荷分布力学模型,将沿空留巷底臌与上覆岩层垮落紧密联系起来,分析上覆岩层垮落对底板的受力及变形影响,推导出底臌变形计算式。研究结果表明:上覆岩层垮落引起的底臌主要是由于塑性区煤体和巷旁支护体下方底板岩层高应力压剪破坏,以及巷道底板和采空区底板在强卸荷条件的拉伸破坏共同影响造成的。基于此,提出了降低塑性区煤体和巷旁支护体传递给底板的作用力,提高采空区冒落矸石对底板的作用力,防止巷道底板岩层拉伸破坏,巷旁支护体宽度、刚度与底板岩层强度相匹配等底臌防控措施,并应用于工程实践。     

综放开采沿空留巷围岩变形特征

为研究综放开采沿空留巷围岩变形特征,以山西铺龙湾煤业有限公司4102综放工作面为工程背景,从理论层面分析了沿空留巷围岩大变形机理,发现4102综放工作面沿空留巷围岩发生大变形主要原因是基本顶关键块体断裂回转使留巷位置由低值应力区变为高值应力区,在此基础上采用FLAC3D软件对沿空留巷围岩应力分布规律及变形特征进行分析。结果表明在支护初期巷旁支护体垂直应力为1.5 MPa,巷道围岩水平位移极小,当基本顶发生断裂后,巷旁支护体垂直应力增加,最大达3.22 MPa,此时的变形速率也达到最大,随着上覆岩层触矸,巷道围岩垂直应力及两帮变形速率也逐渐稳定。     

坚硬顶板沿空留巷巷旁“让-抗”支护机理

坚硬顶板条件下沿空留巷,工作面顶板悬顶距大,悬顶时间长,巷旁支护体将承受较大的压力,支护体易发生变形和破坏。通过建立坚硬顶板沿空留巷巷旁支护力学模型及对顶板不同运动阶段支护体内应力分布和围岩变形数值模拟,结果表明：在顶板岩层运动早期支护体应具有较大的可缩量,在保持支护体本身不遭受严重损坏的前提下,允许顶板产生一定下沉,以释放掉一定的顶板压力;在顶板岩层运动后期支护体应具有较高的支护阻力,抵抗坚硬顶板部分重量并进行断顶。提出了不等强充填体(上软下硬材料组合而成)支护方式,在坚硬顶板条件下采用该支护方式能较好地实现沿空留巷开采技术。     

矸石充填开采沿充留巷围岩控制技术研究

对沿充留巷进行了定义,并与沿空留巷进行了对比分析。采用UDEC离散元数值计算软件对矸石充填留巷覆岩结构及移动规律进行了分析。数值结果显示:相比于垮落法沿空留巷技术,充填开采沿空留巷工作面采空区上覆岩层结构形态以完整层状岩层为主,巷旁支护体与充填体共同承担荷载,开采扰动对沿充留巷围岩变形破坏影响小。以葫芦素煤矿为工程背景,针对矸石充填沿空留巷技术特点,以巷旁支护、临时挡矸和巷内联合支护3个方面提出了围岩控制方案,确保沿空巷道的稳定性,对后续类似工程具有重要参考价值。     

无煤柱开采沿空留巷技术在巍山煤业的应用

沿空留巷是一类特殊的回采巷道,它的形成过程是随本工作面推进,在一条回采巷道内沿采空区边缘采用一定的材料构筑巷旁支护体,不断切断采空区侧顶板,并与巷内支护体共同维护该巷道的稳定,作为邻近工作面的回采巷道。巍山煤业使用高水充填材料巷旁充填的方式,成功地进行了无煤柱开采试验,为类似条件下的无煤柱开采沿空留巷提供了参考。     

宽巷掘进沿空留巷矿压规律数值模拟研究

采空区顶板岩层分层垮落、岩层的旋转下沉和平移下沉造成巷道围岩次生应力场重新分布,围岩变形严重,因此,掌握沿空留巷采动支承压力影响下顶板岩层运动规律非常必要。针对某矿浅埋煤层、宽巷掘进、预掘留巷位置混凝土砌块沿空留巷的实际情况,通过三维数值模型对留巷围岩应力场、位移场、破坏场进行反演,揭示了留巷围岩矿压活动规律,对巷旁支护墙体受力变形特点、与顶板运动协调变形关系进行了分析,得出工作面轨顺留巷前后巷道围岩变形规律,为沿空保留巷道围岩控制提供了理论依据和技术支持。     

沿空留巷锚杆支护技术研究及应用

分析沿空留巷巷内支护存在的问题，从提高巷道围岩自身强度及巷内支护对顶板支撑力出发，提出了沿空留巷巷内采用锚杆支护技术。工程应用表明，锚杆支护巷道沿空留巷，有效切落了采空区侧顶板，减小了巷旁支护体载荷；沿空留巷维护效果表明，该技术在留巷期间有效控制了巷道变形，提高了沿空留巷围岩整体稳定性。     

深井矸石充填工作面沿空留巷围岩控制原理与技术

深井工作面矿压显现剧烈使得沿空留巷存在诸多困难。采用矸石充填采空区可有效限制深部采场覆岩大范围的破断、运动,缓解深井工作面剧烈的矿压显现,为深井工作面沿空留巷奠定基础。通过现场实测和理论计算探讨了深井矸石充填工作面覆岩运动特征,探讨了沿空留巷围岩承载结构及其稳定性。根据新巨龙煤矿2305S-2号工作面实际情况,设计了以矸石墙+钢管混凝土立柱为主的巷旁支护结构,并提出了留巷顶板超前支护、强力护表、深部锚固,巷旁支护结构合理宽度、侧向约束、协同承载,实体煤帮卸应力、防冲击、控片帮的控制方式,留巷底板高应力深部转移的沿空留巷围岩控制原理和先固顶→再护帮→后控底的沿空留巷围岩控制原则。形成了锚杆+W钢带超前支护和长锚索+注浆锚索永久支护的沿空留巷围岩控制技术,成功实现了新巨龙煤矿2305S-2号深井矸石充填工作面沿空留巷。沿空巷道围岩实测发现留巷矸石墙变形不均匀,承载能力增长缓慢,钢管混凝土立柱钻底,顶板锚索易破断等问题。需要进一步加强留巷矸石墙的侧向约束,提高矸石墙承载能力。钢管混凝土立柱底部安装大垫板,控制立柱钻底量,沿空留巷顶板锚索要求具备一定的延伸率,实现长锚索与顶板围岩的协同变形与承...     

坚硬厚层顶板工作面沿空留巷技术研究

为实现坚硬厚层顶板条件下沿空留巷,基于工作面上覆岩层运移规律,采用数值模拟软件UDEC分析采空区侧岩层悬臂状态对留巷围岩变形影响,计算结果说明,随着侧向悬臂长度的增加,留巷变形明显加大;采用超前深孔预裂爆破技术缩短采空区侧悬臂的长度,控制上覆岩层的回转和下沉变形,实现卸压;形成了采动应力影响段留巷加强支护成套技术;对留巷矿压规律进行观测分析,留巷巷道断面保持8m2以上,实现了坚硬厚层顶板条件下沿空留巷。     

混凝土填充墙支护下沿空留巷稳定性分析

为揭示混凝土填充墙支护下综采沿空回采巷道矿压显现规律,有效控制围岩变形,根据某矿综采面地质与开采条件,应用数值计算方法研究采后留巷的稳定性。数据分析显示:混凝土墙支护下沿空留巷围岩应力随采煤工作面推进呈周期性变化,采后20 m范围的巷道围岩来压较剧烈,是重点支护区域;巷道围岩位移量随采煤工作面的推进而增大,其中巷帮移近量较小,而顶板下沉量较大,表明采用混凝土墙支护沿空留巷有利于巷帮的稳定,但不利于顶板稳定。     

高水材料充填沿空留巷应力控制与围岩强化机理及应用

高水材料被广泛应用于不同条件下的薄及中厚煤层沿空留巷、部分条件较好的厚煤层沿空留巷,形成了丰富的高水材料充填沿空留巷围岩控制实践。基于高水材料充填沿空留巷理论研究和现场实践,以应力控制与围岩强化为主线,分析了充填留巷围岩在巷道掘进、工作面超前采动影响、留巷围岩调整稳定和邻近工作面复用4个阶段的应力与变形特征,提出了“基本顶二次破断”的覆岩顶板运动特征。以青龙同昌煤矿15102工作面沿空留巷为背景,数值模拟研究了留巷过程中围岩应力和塑性区分布特征,揭示了充填留巷覆岩基本顶的旋转下沉是留巷巷道所受外力的主要来源;在此基础上,提出了充填留巷围岩控制的关键区域,根据高水材料固结体的较强塑性变形特性,提出了高水材料充填沿空留巷围岩分时分区强化机理,确定了合理的高水材料充填体支护阻力计算式、留巷顶板离层计算式和实体煤帮的支护强度计算式,给出了高水材料充填沿空留巷围岩控制关键参数设计方法,关键参数包括充填体支护阻力(充填体宽度和强度)、顶板支护强度(巷内支护和临时支护)、实体煤帮支护强度。介绍了山西高平青龙同昌煤业15号煤层和赵庄煤业9号煤层高水充填沿空留巷围岩控制2个应用实例,留巷围岩变形控制效果...     

固体充填采煤沿空留巷顶板下沉影响因素研究

为研究不同因素对固体充填采煤沿空留巷顶板下沉的影响,分析了固体充填采煤沿空留巷的覆岩移动特征,基于Winkler地基假设,建立沿空留巷顶板力学模型。以济三煤矿63下04(南)-2运矸巷为工程背景,分析探讨巷道宽度、巷旁支护阻力、巷旁支护体宽度、采空区充实率与巷道上覆顶板下沉的关系,结果表明:顶板下沉量随巷道宽度的增加而增加、随巷旁支护阻力增加而减小、随巷旁支护体宽度增加而降低、随充实率的增加而降低。现场实践中,巷道宽度4.2m,巷旁支护体宽度4.5m,采用锚带网联合支护对巷道进行加固,采用垒砌矸石墙加混合充填体的综合支护方式进行沿空留巷的巷旁支护,实测得工作面后方留巷巷道两帮最大移近量230mm,顶板最大下沉量300mm。     

密实充填面双沿空留巷矿压及围岩变形规律研究

为探明双沿空留巷密实充填工作面的巷道及覆岩运动及应力的演化规律,对充填体工作面超前支承应力显现及沿空留巷围岩变形进行了现场实测和数据分析。研究表明:相较于垮落法,充填工作面超前支承应力影响范围明显减小,矿山压力显现较弱;充填体内部应力变化分为初始应力区、应力增高区和应力平稳区,与采空区顶板运动的小变形区、剧烈变形区、变形稳定区相对应;沿空留巷围岩变形较显著,前期顶底板变形量大于两帮变形,应加强顶板支护,后期围岩稳定后的移近速度仍大于2.4mm/d,仍需定期维护。     

厚层灰岩直接顶沿空成巷切顶断裂条件及围岩移动规律研究

基于沿空留巷原理,分析了厚层灰岩直接顶板下巷旁充填沿空留巷和超前切缝断顶卸压法沿空留巷巷道顶板断裂位态,分别建立了2种不同顶板断裂位态下的结构力学模型,推导了巷道顶板支护阻力计算方法。研究表明:当切顶阻力Q≤ql时,巷道顶板沿煤壁内一定深度内断裂,沿空巷道侧向顶板悬臂结构可向沿空巷道围岩传递采场岩梁和上覆岩层移动压力;而当切顶阻力Q≥ql,巷内加强支柱+巷旁切顶墩柱+巷旁切缝的联合切顶作用时,可使得侧向坚硬灰岩顶板沿切缝结构面断裂滑落,实现顶板断裂位态主动控制,降低了坚硬灰岩顶板传递上覆岩层压力的移动变形压力,优化了顶板承载结构和围岩应力,降低了巷旁支护体承受的附加载荷。相关设计方法及研究成果应用到南屯矿厚层灰岩直接顶切顶留巷试验,取得了良好的应用效果。     

大采高沿空留巷围岩控制技术研究

以某矿5211工作面为工程背景,建立了大采高条件下沿空留巷顶板运动的力学模型,计算巷旁支护体支撑阻力,分析了大采高沿空留巷围岩稳定性影响因素,提出该条件下沿空留巷工作面顶板运动特点,并针对性地提出巷内基本支护采用锚杆支护体系。     

综放工作面沿空留巷“错动”变形破坏机制及其控制

为了解决厚煤层大断面沿空留巷矿压显现强烈、维护困难、复用前修巷工程量大等问题,以晋城矿区唐安煤矿沿空留巷为工程背景,通过井下观测、理论分析和工程试验,分析综放沿空留巷围岩变形破坏特征和整体变形模式,提出针对性的围岩变形控制对策并在现场实施和验证。研究表明：综放沿空留巷变形主要表现为顶煤切顶下沉、巷旁支护劈裂歪斜、煤帮挤出和底鼓,不同位置围岩变形破坏呈现整体关联性;围岩变形整体呈现“错动”模式,对沿空留巷整体结构变形起控制作用的主要是回采空间顶板回转和向外侧移,以及底板在水平应力作用下向巷内挠曲,在顶、底、煤帮、巷旁支护综合作用下,形成趋向采空区的“错动”变形形态。基于留巷“错动”变形特征,提出沿空留巷围岩变形控制对策：巷旁混凝土墙支护采用薄墙体、高强度、预设迎山角的形式,巷内顶、帮补强支护,留巷“切顶控制”补强支护,超前工作面顶板区域水力预裂卸压。新技术方案现场试验和监测表明,回采后采空区顶板及时断裂,留巷应力环境明显改善,巷旁支护墙体完整,留巷围岩变形控制效果显著。