（采矿工程专业论文）窄小煤柱护巷的矿压显现规律及其支护技术研究.pdf

论文题目：窄小煤柱护巷的矿压显现规律及其支护技术研究 专业：采矿- i 程 硕士生：温克珩( 签名) 【量查墅 指导教师：柴敬( 签名)勉 李虎林 摘要 ( 签名) 李玖砟 靖远公司大水头煤矿是甘肃省的一个大型煤矿，采用的是煤柱护巷技术。煤层为高 瓦斯、松软、易燃厚煤层。随着煤炭市场的需求，要求减少煤炭资源损失，提高回采率。 而原有的留设2 0 3 0 r a 护巷煤柱势必造成资源上的严重浪费。因此，合理减小煤柱尺寸， 即能支撑顶板压力，同时防止采空区的水和瓦斯窜入工作面，提高回采率，是该矿遇到 的新课题。同时，原来的工宇钢支护体系也不能满足支护要求，必须寻找新的支护体系。 本课题正是在这样的背景下，立足于该矿的地质特征，借鉴他矿的研究成果，结合理论 分析和现场观测来展开研究。 本课题采用的是理论分析和现场观测论证相结合的研究方法。首先从理论上分析， 提出了留设5 7 m 煤柱的合理性和可行性。在支护方式上，对比了锚网支护和工字钢支 护的特点后，提出了锚网支护比工字钢支护更有利于控制煤柱的破坏和变形。同时在支 护材料上提出了刚度要求。结合工作面回采期间的巷道变形状况和二次支护实践，提出 了锚网二次支护和锚索及时补强支护的有效性。然后从1 0 4 、1 0 6 工作面现场矿压观测 结果中可以论证：留设5 7 m 煤柱和锚网支护不但可行，而且还提高了社会经济效益。 本课题的成功研究，不仅提高了矿井的服务年限，给社会带来了巨大的经济效益。 同时为留窄小煤柱沿空巷道在动压条件下的维护提供了实践基础，从而进一步拓展了留 窄小煤柱沿空巷道的应用范围。 关键词：窄小煤柱：矿压显现；锚杆支护：二次支护 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h el a wo fg r o u n dp r e s s u r ea n di t s e l fs u p p o r t i n go ft h el a n e t h a tt h en a r r o wa n ds m a l ip i l l a rp r o t e e t e d s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：w e n k e h e n g i n s t r u c t o r ：c h a i j i n g l ih u l i n ( s i g n a t u r e ，逝峰叼 a b s t r a c t n 圮d a s h u i t o uc o a lm i n eo ft h eq i n y u a nc o m p a n yi so d eo ft h eb i gc o a lm i n ei nt h e g a n s u ，i tu s e dt h et e c h n i c a lo ft h ec o a lp i l l a rp r o t e c t e dt h ee n t r y s t h ec o a ll a y o u ti sh i g h g a s 、s o f ta n df l a m m a b i l i t y w i t ht h en e e d so ft h ec o a lm a r k e t ，i ti sr e q u i r e dt h ec o a lm i n e d e c r e a s i n gt h el o s sr a t ea n di n c r e a s i n gt h er e c o v e r yr a t e i ti sm u s tw a s t et h ec o a lr e s o u r c e m a tl e f t2 0 3 0 mc o a lp i l l a r s oi ti sb e c a m et h en e w p r o b l e mt h a td e c r e a s et h ed i m e n s i o no f p i l l a rr e a s o n a b l y , m a d et h ep i l l a rn o to n l yc a nb r a c et h eg r o u n dp r e s s u r eb u ta l s op r e v e n tt h e w a t e ra n dg a si n t ot h ew o r k f a c e t h el a s ti - s t e a ls u p p o r tp a r e mi sn o ts a t i e t yt h ed e m a n do f s u p p o n sa n dm u s ts e a r c ho u tan e ws u p p o r tp a r e m n l ep a p e rs p r e a do u tt h es t u d ya tt h i s b a c k g r o u n db a s i n go nt h em i n e sg e o l o g i c a lf e a t u r e 、l e n d i n go t h e rm i n e so u t c o m ea n d i n c o r p o r a t i n ga n a l y s i so f t h e o r ya n do b s e r v a t i o no f w o r k f a c e t h cp a p e ra d o p t e dt h es t u d yw a yt h a tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sc o n n e c t i v ew i t ht h ef i e l d o b s e r v a t i o n f i r s ta n a l y z e df r o mt h ei d e a l l ya n da d v a n c e di ti sr e a s o n a b l ya n df e a s i b i l i t yt h a t l e f t5 7 mc o a lp i l l a r a tt h es u p p o r tp a r e m i ta d v a n c e dt h a tt h ep a t t e r no fm a c h i n e sa n d t o o l su s e df o rb o l t i n ga n ds h o t c r e t el i n i n gc a nc o n t r o lt h ep i l l a r sd e f o r m a t i o nb e t t e rt h a nt h e s u p p o r tp a a e mo fi - s t e a lb e f o r ec o m p a r e de a c ho t h e r sf e a t u r e t h es a m ei ta d v a n c e dt h e p r o p o s eo f i m p r o v e dt h es u p p o r t sm a t e r i a l si n t e n s i o n c o m b i n e dt h et r a n s m u t a t i o no f t h el a n e i nt h ec o u r s eo fc i r c l ep i c ka n dh y p o s e c o n ds u p p o r t s ，i ta d v a n c e dt h a tt h ev a l i d i t yo ft h e a n c h o rn e t t i n gh y p o s e c o n ds u p p o r t sa n dt h eb e t i m e si n t e n s i f ys u p p o r t so fa n c h o rn e t t i n g a t l a s ti ta d v a n c e dt h a tl e f t5 7 mc o a l p i l l a rn o to n l yf e a s i b i l i t y b u ta l s oe l e v a t et h e e c o n o m i c a lb e n e f i t s t h es t u d y ss u c c e s sn o to n l yi n c r e a s et h es e r v i c ey e a r so f t h ec o a lm i n e b u ta l s ob u ta l s o e l e v a t et h ee c o n o m i c a lb e n e f i t so f t h es o c i e t y t h es a i l c ，i tp r o v e dt h ep r a c t i c ef o u n d a t i o nf o r t h em a i n t e n a n c ea n dm o r ed e v e l o p m e n tt h ea p p l i c a t i o na r e ao f s t a yn a r r o wa n ds m a l lp i l l a ri n t h em o v ep r e s s u r ec o n d i t i o n s k e yw o r d s ：n a r r o wa n ds m a l lp i l l a r ；p r e s s u r eb e h a v i o r s ；a n c h o rs u p p o r t ；h y p o s e c o n d s u p p o r t t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 我国煤炭资源虽然丰富，但是消耗量大。据统计表明，在我国一次能源生产和消费 中、煤炭资源占7 5 。在未来的2 0 5 0 年中，我国一次能源生产和消费以煤为主的格 局不会改变。因此，必须进一步发展煤炭资源的开发。合理开采、有效利用煤炭资源， 提高回采率，实现矿业的可持续发展，是国内外煤炭行业急需解决的问题。 近年来，综采放顶煤开采技术在我国得到快速发展和广泛的应用。放顶煤综采技术 的推广使用，扩大了综合机械化开采的使用范围，简化了矿井的采掘系统和生产组织， 大幅度地提高了综采工作面的劳动生产率和产量，降低了煤炭生产成本，目前已不可阻 挡地成为我国厚煤层开采的主导性采煤方法之一，为矿井实现安全高效生产发挥了积极 作用，其技术优势是非常明显的。但是，综放开采仍存在许多问题，如放顶煤开采的工 作面采出率、采区采出率偏低，煤炭开采损失还比较严重。 综放条件下小煤柱护巷技术经过不断地发展与完善，已成为矿井提高采区采出率的 重要技术途径之一。靖远公司的大水头煤矿，我甘肃省的一个大煤矿企业。该矿采用的 是综合机械放顶煤采煤法，一次采全高、全部跨落法处理顶板。而且用了留煤柱沿空送 巷的回采工作面巷道布置方式。煤柱尺寸的留设，不同的矿区，由于地质及地质水文条 件、煤的物理力学性质、项板管理方法等的不同，各矿区不尽相同，甚至差别很大。然 而，传统的留设2 0 3 0 m 宽度的煤柱势必会造成煤炭资源的浪费。为了提高回采率，必 须减小煤柱尺寸。但是，如果煤柱尺寸过小，又不能支撑顶板压力，不能防止采空区的 水和瓦斯涌入工作面，不能保证工作面的安全生产。因此，合理的计算煤柱尺寸是十分 重要的。即要防止资源浪费，又要保证煤柱在卸载带以内，提高回采率。 同时，由于该矿的地质条件十分的复杂，大水头采用的工字钢棚支护方式，远远不 能满足巷道的变形。巷道经常发生片帮，冒项等现象，采空区的水和瓦斯经常流入巷道 内。而且维修费用高，工人劳动强度大，支护效果差。因此，必须摸索和采用一种新的 支护方式来加强巷道的支护，以保证整个生产过程的安全。 沿空掘巷分为完全沿空掘巷和留设小煤柱沿空掘巷。前者更易于维护，煤炭回收率 高，适于老空积水少、老顶矿石破碎、低瓦斯的矿井。有的矿地质条件复杂、断层纵横交 错、上区段老空积水较多，故选用留设小煤柱沿空掘巷。煤柱留设主要防止老空积水、 有害气体及大块岩石窜入巷道内，在上述前提下，留设煤柱越小越好，特别是沿空掘巷 需要做进尺巷时，留设小煤柱则更有必要 1 1 。留设窄小煤柱沿空掘巷技术是提高煤炭回收 率的有效途径之一。而且还可以减小工人劳动强度和巷道维修费用。同时，锚网永久支 西安科技大学工程硕士学位论文 护的方法比工字钢棚支护方式更加有利于维护巷道的稳定性，更加有利于减少巷道的维 修费用。 正是在这样的条件下，作者展开了本课题的技术研究。为了提高回采率，在分析该 矿地质条件和总结中1 0 4 运输顺槽进行了留窄小煤柱的沿空送巷技术试验成功经验上提 出了留设窄小煤柱。同时，也是在借鉴别的矿的支护方式和本矿实际条件相结合下，提 出了锚网支护的方式。 1 2 国内外研究现状 沿空掘巷的概念沿空掘巷就是沿己稳定的采空区边缘或与采空区之间留窄小煤柱 布置巷道在该巷道掘进时，相邻采空区岩层活动相对已经停止，其回采期引起的应力重 新分布也趋于稳定。此时，沿空掘进的巷道处于应力降低区，有利于巷道的维护。由于 它有提高煤炭回采率，改善巷道维护等优点，在国内外煤炭行业得到了广泛的推广和运 用【”。 1 2 1 国外发展和研究现状 美国、澳大利亚是世界主要产煤国家。其中美国的采煤方法主要是房柱式开采为主。 而长壁式开采，于6 0 年代初才引进到了美国。美国的煤矿一般被私人收购，他们为了 追求最大的采出率，十分注重煤柱尺寸的合理性。同时通过研究分析指出了煤柱的强度 受煤柱尺寸、内部结构、围压以及动态载荷的控制。而且，锚杆和金属网相结合的支护 方式也在很多地质复杂的矿得到了大量的运用和发展。 澳大利亚也是主要的产煤国家。为了防止地表下沉和破坏生态环境，他们也在一些 矿采用留煤柱来支撑顶板。与美国不同的是，他们主要运用的是条带开采中留设煤柱。 这就更需要研究采宽和煤柱之间的比例关系和煤柱的宽度问题。 英国也是很早就采用留设煤柱来支撑顶板的采空区处理办法。现在中国运用计算煤 柱宽度的理论就来源于英国的a h 威尔逊煤柱设计公式。a h 威尔逊的主要贡献在于提 出了煤柱两区约束理论( 或称渐进破坏理论) ，给出了三向应力状态下煤体的极限强度简 化计算式，并通过实验确定了煤柱屈服区宽度，在此基础上推导出煤柱承载能力的计算公 式。这也是其主要的思想。 另外，波兰和前苏联也是从事窄小煤柱研究的国家。其中我国的很多采煤技术都是 来源于前苏联。苏联也是一个产煤大国。为了节约煤炭资源，提高回收率，他们对煤柱 的留设问题做了很深入的研究。通过研究发现，在传统的2 0 3 0 m 的煤柱尺寸上减小煤 柱尺寸，不仅同样能支撑顶板，防止采空区的水和瓦斯窜入巷道，还能提高回收率。减 少巷道维修等。 也正是这些技术的推广和合理运用，提高了煤炭资源的回收率，保证了生产系统的 1 绪论 安全性，使得美国和澳大利亚成为世界上先进的煤炭资源生产国家。同时为本国的经济 发展做出了很大的贡献。 1 2 2 国内发展和现状研究情况 沿空掘巷技术在我国的发展大体可以分为以下几个阶段p 】： ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代我国已有个别矿井自发地应用沿空掘巷技术，可以说是沿空 掘巷技术在我国发展的萌芽阶段。 ( 2 ) 7 0 年代沿空掘巷技术有所发展，并开始矿压研究，取得了可喜的成果，这个阶 段是沿空掘巷技术的发展阶段。 ( 3 ) 8 0 年代初期提出了沿空掘巷巷道围岩变形特征，这个时期是沿空掘巷技术的 完善阶段。 ( 4 ) 9 0 年代随着锚杆支护的大面积应用推广，极大促进了沿空掘巷技术的发展。 这就是沿空掘巷技术的成熟阶段了。 我国煤矿巷道布置在7 0 年代以前主要是学习借鉴前苏联的经验，曾主要采用双巷 布置留煤柱护巷系统。但由于当时的巷道支护技术落后，留煤柱护巷困难：厚煤层分层 开采或近距离煤层群联合开采时，区段煤柱的留设造成的应力集中，不利于下分层或下 层煤的开采；厚煤层分层开采时，区段煤柱的留设易于引起煤层自然发火；煤巷采用炮 掘法施工，掘进速度慢，双巷布置时准备时间较长。因此，自7 0 年代后期，我国开始 试验推广跨上山沿空掘巷( 或沿空留巷) 技术。目前，在厚及特厚煤层分层开采中仍主要 采用这种布置系统，包括充州矿区在内的许多采用综采放顶煤开采技术的矿区也主要沿 用了这种系统旷”。 与此同时，许多科研单位和学院研究单位也对这些问题进行了大量的实验室相似模 拟和现场的观测。将理论和实践想结合起来，使得这些问题得到了进一步的发展。 但是，在厚及特厚煤层一次采全高的综放开采系统中，煤柱护巷双巷掘进系统的原 有缺点有的已不存在，有的己具备了解决的技术条件，而跨上山沿空掘巷系统岩巷多、 邻面接续难等缺点在综放开采中却逐渐突出出来。 实现无岩巷多煤巷布置的前提条件，是要有先进的煤巷支护技术，并能实现煤巷机 械化的快速掘进。我国有很多矿都有这些技术，如兴隆庄煤矿煤巷新型高强锚杆支护己 取得成功、煤巷综合掘进机械化施工速度己达l o o m 月以上，均己达到国际先进水平， 完全具备了“无岩巷多煤巷布置”的技术与施工要求f 8 】。 自8 0 年代初试验综合机械化放顶煤开采以来，我国技术水平已处于国际领先地位， 初步解决了储量和产量占我国3 8 的厚煤层开采问题。1 9 9 8 年以来年产超2 0 0 万t 的综 采队中的约8 0 采用放顶煤，历年超3 0 0 万t 、4 0 0 万t 的全国综采纪录也为综采队所创。 由此可见，综放开采已经成为我国高产高效矿井建设的主要技术手段之一。但是由于综 西安科技大学工程硕士学位论文 放工艺的限制，目前综放采区采出率还比较底，据统计，在综放采区的煤炭损失中，工 作面区段煤柱损失约占8 9 ，仅次于工作面顶煤损失而位居第二，因而实现综放开采 区无煤柱开采和最大限度减少“两巷”煤损量，对提高采区采出率具有重要意义一l 。 为了保持巷道良好状态，在煤层巷道旁边需要留设一定尺寸的护巷煤柱。例如，大 巷和上( 下) 山的保护煤柱、区段巷道等保护煤柱。但无论哪一种采区煤柱都要承受较 大的矿山压力。我们知道，区段运输巷与区段回风巷都是回采工作面运输、通风、行人的 重要通道，必须处于良好的维护状况才能保证矿井安全生产的正常进行。如果当矿山压力 超过煤柱本身强度时而引起煤柱的破裂，则失去护巷作用0 0 1 。为此，采区煤柱必须具有 一定的尺寸。 从理论上讲，沿空巷道布置在靠近采空区塑性变形区即应力降低区，小煤柱的宽度 与巷宽之和必须小于塑性变形区的宽度才能保证下区段上顺槽是安全的f l u 。但是也同时 受着其他条件的约束如( 图1 1 ) ； ( 1 ) 煤柱尺寸与煤柱上的矿山压力大小和煤体本身的强度有关。煤柱所受的矿山 压力愈大，煤体本身强度愈小，采区煤柱的尺寸就应该愈大；反之采区煤柱尺寸应该减 小。 ( 2 ) 煤柱上矿山压力的大小与煤层埋藏深度、顶底板岩石性质、煤层倾角、采空 区的范围、顶板管理方法、邻近煤层开采情况等因素有关。煤层埋藏愈深，矿山压力越 大。煤层倾角越大，顶板压力作用在煤柱上的垂直分力就越大。两侧采空时，煤柱上所 受的压力较一侧采空时要大得多。全部垮落法管理顶板时，煤柱上所受的压力较全部充 填法管理顶板时要大。近距离煤层上部煤层已采空时，如果下部煤层的煤柱处在上部煤 厶卸载带 k 。l m 。峰值位置 l 支承压力影响区 图1 1 支承压力分布图 l 绪论 层的压力升高区内，则煤柱上的压力就会大大增加。 ( 3 ) 煤柱本身强度的大小，主要取决于煤的物理力学性质，煤柱的形状、尺寸以 及煤柱的保留期限。煤的物理力学性质，主要是指煤的抗压强度。煤柱中的矸石、节理、 层理、孔隙性及煤层与顶板的接触状况等，对煤柱本身强度都有不同的影响。当煤柱面 积相同时，其周长愈大强度愈小。因此，切割零散煤柱不仅承压面积小，而且增大了周 长，强度显著降低。煤柱高度与其宽度的比值愈大，煤柱的强度就愈低。因此厚煤层煤 柱的宽度，一般要比薄及中厚煤层为大。此外，煤柱的强度还和煤柱的保留时间有关， 煤柱保留时间延长，其强度逐渐下降。 综上所述，采区煤柱尺寸与很多因素有关，而且各因素之间的关系很复杂。到目前 为止，虽然有许多煤柱尺寸的计算方法。但是这些计算方法都不能全面和准确地反映所 有因素对煤柱尺寸的影响。因此采区煤柱尺寸的确定，必须通过现场实际观测和总结大 量现场实际资料来解决。 在煤柱尺寸的问题上，我国很多的科研单位长期将理论和现场实际相结合，得出了 不同巷道煤柱的尺寸。具体分类如下： ( 1 ) 大巷和上( 下) 山的保护煤柱尺寸 大巷和上( 下) 山开掘在煤层底板岩石中，只要有一定的岩柱厚度，其上部煤层就 不必留保护煤柱。如在煤层中开掘时，一般为下表所示。 、 表1 1 煤柱尺寸表 ( 2 ) 有区段煤柱维护时的区段煤柱尺寸 在区段运输平巷和轨道平巷之间留设区段煤柱，对于一般煤质和围岩条件的近水 平、缓倾斜煤层，薄及中厚煤层不小于8 1 5m ，厚煤层不小于1 5 2 0 m 。 ( 3 ) 采区边界煤柱尺寸 采区边界煤柱的作用是：将两个相邻采区隔开，防止万一发生水灾、水害和瓦斯涌 出时相互漫延；避免从采空区大量漏风，影响正在生产的采区风量。采区边界一般宽l o r e 左右。 ( 4 ) 断层煤柱尺寸 断层煤柱的尺寸大小取决于断层的断距、性质、含水情况，落差很大的断层，断层 西安科技大学工程硕士学住论文 一侧的煤柱宽度不小于3 0m ：落差较大的断层，断层一侧煤柱宽度一般为l o - , - 1 5 m ；落 差较小的断层通常可以不留设断层煤柱。 同时，国内许多专家学者也此问题也进行大量的研究。 张项立( 1 9 9 8 ) 应用数值模拟方法对不同煤柱宽度下巷道变形和煤柱中的分布进行 了分析，得出了巷道变形规律及煤柱中应力分布规律【1 2 】。 王同旭( 1 9 9 6 ) 在其博士论文中建立了巷道等效不稳定系数的概念，并对煤柱宽度 的影响进行了分析。不同煤拄宽度下支承压力及巷道不稳定系数的分布的峰值位置并不 重合，这说明应力最高的位置并不一定就是一侧采空巷道稳定性最差的位置。两者偏离 方向和大小与残余强度( 围压大小) 、顶底板岩性及煤层厚度等因家有关 1 3 1 。 尚海涛( 1 9 9 7 ) 在实验室对潞安矿务局煤柱合理尺寸进行相似材料模拟试验研究， 进而分析煤柱尺寸对开采的影响的影响1 1 4 1 。 另外，还有许多院校和科研单位也做了相当多的研究工作。都不同程度的推动着这 些技术的完善和发展。 沿空掘巷技术发展到今天，为了更好的解决矿上中出现的很多问题。广大科学工作 者提出了一种叫“原位”沿空掘巷的新技术。它的出现主要是针对分层综采的一些技术 难题。为了区别于传统的布置在煤体内的完全沿空掘巷、留小煤柱沿空掘巷，而把布置 在冒落煤( 岩) 体的巷道称为“原位”沿空掘巷，即沿上区段原巷道位置布置开掘为下区 段工作面服务的巷道。“原位”沿空掘巷就其位置而言基本等于沿空留巷，但其避开了 上区段工作面采放前、后支承压力作用，其变形仍是掘进影响期、变形稳定期、采放影 响期三个阶段。“原位”沿空掘巷体现了综放工艺的特色，它不仅可以将上区段巷道丢 失的顶煤加以回收，而且掘进对煤体的挠动很小，采放引起的超前支承压力对巷道影响 也可能会降低。 “原位”沿空掘巷是在冒落松散的煤中掘巷，由于松散煤及周围岩石的整体性较差， 能否掘进成巷是“原位”沿空掘巷成败的关键，因而必须在掘进前和掘进过程中采取必 要的技术措施，以防止掘进端面及服务期间巷道冒落空洞的形成。在整个过程中，“原 位”沿空掘巷必须注意以下几个方面的问题： ( 1 ) 为了促进冒落煤岩的胶结再生，提高巷道围岩的整体性、稳定性，在上区段回 采过程中，向已冒落的巷道上方及采空区侧喷、注水：对胶结性极差的围岩条件，可以 向上述区域喷、注高水水泥浆液、高发泡沫水泥浆液、普通水泥( 砂) 浆液或化学浆液等， 以使掘巷在较稳定的保护层下作业，同时起防漏风作用。为了提高煤体自承能力，减少 煤体破坏范围，在上区段工作面掘巷时，就应向煤体打非金属锚杆，以减少煤帮在两巷服 务期的内移量。 ( 2 ) 掘巷时间。传统沿空掘巷的理论和实践己经证实，采空区岩层活动己终止， 回采引起的应力重新分布已趋稳定后，沿空掘巷的顶板和两帮变形将处于相对稳定状 1 绪论 态。尽管“原位”沿空掘巷位置位于上位岩层平衡结构的保护之下，掘巷对煤体应力的 挠动很小，采空区岩层运动对掘巷的影响较小，掘巷时间对“原位”掘巷的要求较宽松， 但对处于冒落煤( 岩) 内的“原位”沿空掘巷来讲，采空区岩层运动的影响仍不可忽视，而 且煤层倾角越大，影响越明显。因而“原位”沿空巷道仍然要等采空区岩层活动终止后 再进行掘巷作业。另外，间隔时间越长，越有利于冒落煤岩的胶结再生。 ( 3 ) 巷道断面可以是梯形、拱形或其它形状。为了保证巷道支架具有良好的受力 状态，防止巷道周边煤岩的冒、脱落，“原位”沿空巷道掘进时必须挂网，并且要有及 时、可靠的监时支护措施。由于煤体会产生较大的位移，巷道下帮将会出现较大变形， 甚至可能出现巷道的整体水平外移。 ( 4 ) 在自燃发火比较严重的矿区。工作面采准巷道周边普遍采用喷水泥砂浆层 ( 5 0 m m 6 0 m m ) 作为防治漏风和自燃发火的手段。 ( 5 ) 作为防治巷道冒落的手段，可采用聚氨酯化学加固巷道周边围岩，充填掘进、 采放及整个服务期间充填巷道冒落洞穴。 ( 6 ) 当冒落煤岩的胶结再生性很差，无法保证大断面“原位”巷道掘进成巷时， 也可将部分断面布置、开挖在煤体内。但这将加剧巷道的非对称受力，对巷道支护十分 不利。 “原位”沿空掘巷技术的出现，是广大煤炭科学者理论与实践想结合的表现。为沿 空掘巷技术的发展提供了新的思想。是一项可以得到大大推广的先进技术。 由此可以看出，在煤矿资源日趋紧张的今天，无论是国外还是国外，对提高煤的回 收率都非常的重视。而窄小煤柱护巷技术，不但可以提高回收率，也可以解决很多原有 的问题。因此，各个国家的煤炭行业都对这个项技术做了很大研究。 1 3 本课题的主要研究内容和研究意义 从国内外研究现状可以看出，怎样确定合理的煤柱尺寸并没有做出明确的规定。各 个煤矿必须根据自己的地质特征来具体分析，从而确定煤柱尺寸的大小及合理性。本课 题在窄小煤柱护巷技术的日趋成熟的基础上，和成功在借鉴其他矿的煤柱尺寸确定方法 上，加上合理分析本矿的地质特征来选择的。 其主要内容是： ( 1 ) 在理论基础上，根据本矿的地质特征，水文概况，正确合理的设计煤柱尺寸 的大小。 ( 2 ) 针对原有的不合理的煤柱支护方式，提出一种安全可靠的、更加合理的支护 方式。 ( 3 ) 在现场做矿压测试，通过分析测试数据来检验煤柱的合理性和支护方式的合 理性。并完善不足的地方。 7 西安科技大学工程硕士学位论文 其中，计算煤柱尺寸的大小和验证其有效性是本课题的研究重点。 本课题采用的方法有： ( 1 ) 理论分析法。研究相关的理论，并在借鉴国内外其他矿在这方面的成果，分 析计算理论上的煤柱尺寸大小。 ( 2 ) 现场实测法。只要是通过井现场大量的观测信息来反馈设计的合理性，并做 出调整。 本课题的成功，可以大大提高大水头煤矿的回收率，增加煤矿产量和矿井的服务年 限。加上合理的支护技术，无论在技术效益，还是在社会经济效益上，都得到了大大的 提高。同时，成功的运用合理的窄小煤柱又将沿空掘巷技术向前推进了一不，是理论和 实践相结合的典型例子。 2 矿区基本概况 2 1 地质概况 2 矿区基本概况 大水头井田位于靖远煤田的中部，大宝向斜的南翼，为一单斜构造。东北至宝积山 井田+ 1 1 7 5 煤层底板等高线为界；东部以勘探先与魏家地矿为界：西部与北部均以 o 6 m 可采边界线为界。井田走向长7 9 9 k i n ，倾斜宽1 9 k i n ，面积1 5 1 6 k i n 2 。井田内发 育着第四纪、白垩纪、侏罗纪和三迭纪的地层，主要含煤地层为中下侏罗统。平均厚度 7 2 0 7 m ，其上部为紫红色、杂色、鲜紫红色，砂质泥岩与灰绿色粉砂岩互层，平均厚度 2 2 2 3 m ，中部为灰色、深灰色、灰黑色砂质泥岩及粉砂岩，平均厚度3 2 1 8 m 。含煤两 层，自上而下分别为1 层煤和2 层煤。其中l 层煤全区较稳定，为主采煤层，其厚度平均 1 0 3 4 米，煤层倾角1 0 2 07 5 9 0 3 0 ，一般小于2 5 0 ，容重为1 4 1 t m 3 ，结构简单，局部 地段夹有l 4 层泥岩类夹矸。2 层煤不稳定，仅在东部个别地段分布，但均不具工业开 采价值。矿井地质储量为1 4 0 0 4 5 万t ，可采储量为9 9 2 6 2 万t 。 大水头煤矿煤层松软破碎，煤层属于易燃煤层。平均普氏系数为：翩4 5 ，平均厚度 为1 0 3 4 m ，煤矿为高瓦斯矿井。煤尘具有爆炸性，爆炸指数为3 4 5 2 ，煤的自然发火 期为3 6 个月，但也有2 1 天的发火历史。水文地质条件简单，共有四个含水层，自下 而上为i 、和第四系洪积潜水层，含水层之间有很好的隔水层。大水头井田构造 形态大都受陇西系旋卷构造控制，受沉积环境及构造应力的作用，局部地区煤层厚度变 化较大。由于长期受压扭性地应力作用，井田构造比较复杂，主要的地质构造有：刀楞 山断层、f 4 0 断层、f ，断层、f l _ 2 断层组和f 4 6 断层以及腰水短轴背斜、花尖子向斜和其 它规模较小的褶曲。先期投产的中一采区为双翼采区，走向长1 9 k m ，倾向宽0 5 - 0 6 k m ， 采区沿倾斜方向划分为三个区段，六个工作面，分别为1 0 2 一1 0 4 1 0 6 、1 0 1 1 0 3 一1 0 5 工作面。现在1 0 3 工作面已经采空。中1 0 4 综放工作面位于1 1 8 0 水平，在矿井中一采 区沿倾斜向中部东翼。工作面地面标高1 5 8 0 1 6 0 0 m ，工作面标高1 1 7 5 1 2 3 5 m 。中1 0 4 运输顺槽走向沿煤层底板布置，西部为已开采的中1 0 3 工作面；南部以7 m 窄小煤柱与 中1 0 2 工作面采空区相邻。中1 0 4 综放工作面设计走向长8 5 0 m ，倾斜长1 0 8 m ，煤厚 8 1 8 m ，煤层倾角5 6 。煤层由于受井田构造揉、搓、压的作用，节理、裂隙发育， 煤质松软，特别是断层附近呈碎粒状、糜棱状和鳞片状。煤层坚固性系数一般在o 2 0 8 之间。中1 0 4 面境内东西方向为一宽缓的背斜构造，运输顺槽位于背斜的轴部。 大水头煤矿是在浅部小井衰老停产改扩建，在井田深部重新建设的大型矿井。1 9 9 5 年建成投产，改扩建后，矿井开拓方式为采用一对斜井石门分区开拓，新主井采用钢丝 绳牵引胶带输送机提升，新副井采用单钩串车提升方式。运输大巷为机轨合一巷，主运 9 西安科技大学工程硕士学位论文 输为皮带运输，辅助运输为蓄电池电机车运输。矿井通风方式为对角抽出式。矿井设计 生产能力1 0 5 万t 年，2 0 0 0 年核定为1 4 5 万t 年，2 0 0 5 年准备改造提升、选运系统，矿 井生产能力提升到2 0 0 万t 年。采煤方法为综合机械放顶煤一次采全高采煤法。工作面 运输顺槽、回风顺槽均采用沿底掘进。 2 2 顶底板岩性情况 顶板、底板的顶底板岩性情况主要见下表( 2 1 ) 表2 1 煤系地层综合柱状图 厚度( m ) 柱状平均岩性 最小最大 ；= o 鬲 4 8 1 5 紫红灰绿为主的杂色砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩，砂岩具水平 2 = = = 。二毛击 3 8 1 4 - - - - 6 5 7 1 缓波状层理。 1 9 8 9 灰白色砂砾岩，夹砂质泥岩，砾岩有时为含砾粗砂岩，成份以 ；j 毒上 奉 口0 1 8 7 石英为主。滚圆度好，变质岩砾次之，胶结坚固。 l l8 3 灰白色砂质泥岩，粉砂岩、细砂岩互层，夹灰绿、紫红等杂色 6 8 0 2 06 8 砂质泥岩及少量租砂岩薄层，含煤屑及黄铁矿。 n 6 6 煤。粉沫状，仅见于补7 号孔，补2 7 号孔变为高炭质泥岩。 o 卅9 0 0 卜固一国 3 r _ 灰黑色铝质泥岩，有时呈鲕状结构，有时无此层，由杂色泥岩 - 一 一 _ 一 0 73 7 代替。 黑色炭质泥岩，多系此层由铝质泥岩或砂质泥岩或粉砂岩代替a o 枷4 8 一层煤，黑色，半亮半暗煤为主，光亮型暗淡型为副，染手， 0 5 3 0 3 - 3 8 粉末状，质软，含黄铁矿结核，结构简单，仅个别地点有夹石存在。 1 一i i l 2 7 5 灰黑色炭质泥岩或褐色泥岩，或灰黑色粉砂岩，细砂岩。 i i - l | o - - - - , - 6 9 0 0 4 0 二层煤，个别地点有夹石o 2 0 m 。 o - - 1 2 0 07 5 灰黑色粉砂岩、细砂岩。 睁枷9 0 2 矿区基本概况 l o 6 3 煤，含炭质较高。 0 - - - 0 9 0 6 6 2 灰黑色粉砂岩，砂质泥岩及细砂岩，有时夹煤线，富含植物化 o ，2 1 5石。 l - i 一t 一 灰白色石英砂岩，致密坚硬，下部夹灰色砂质泥岩及细砂岩， 2 5 3 0 i i 一i 一 l “2 2 0 一5 0 5 0 本层变薄时，往往代之以砂砾岩。 l - l 一 l 一l 9 2 5 l o 灰白色石英砂岩。砾以石英为主，滚圆度好，半硅质胶结。 0 l 一l o 1 5 5 0 0 9 0 灰色细砂岩。 0 一l 8 0 l - ool 7 0 0 灰白色石英砂砾岩。砾以石英为主变质岩次之，半硅质胶结。 1 4 0 o 0l oo 灰白色石英砂岩，粗砂岩。 2 3 采煤方法 本矿煤层平均厚度在3 0 m 以上，属于特厚煤层。倾角一般小于2 5 。，因此采用的是 综合机械放顶煤一次采全高采煤法。综合机械放顶煤法的实质是在缓倾斜特厚煤层中， 沿煤层底部布置一个长壁工作面，用综合机械化方式进行回采，并利用矿山压力的作用 或辅助以人工松动的方法，使工作面上方的顶煤破碎，在工作面支架后面( 或上方) 放 落，运出工作面。 其采煤工艺只要如下：在沿底板布置的工作面中，采煤机割煤后，及时利用液压支 架支护，并移动到新的位置。推移工作面前部的输送机至煤帮后，操作后部输送机专用 千斤顶，经过多次操作，将后部的输送机相应前移。这样，采过2 3 次后，在宗采工 作面停采段内，按照放煤工艺要求，打开放煤窗口，放出已经破碎的煤，待见到矸石时， 及时关闭放煤窗口。 放顶煤的原理可以这么认为：首先在支承压力的作用下，使得煤帮前方的顶煤有弹 性进入塑性状态而产生位移和破坏，这种作用可称为一次破坏或预破坏作用。但是现在 的煤还是处于三向应力状态，不会冒落。此后煤体进入工作面空间，既低应力区，应力 状态变化。当支架移动时煤体充分破碎。这称为二次破坏，这个时候就可以从窗口放落 了。 西安科技大学工程硕士学住论文 2 4 巷道布置方式 工作面采用的是“一进两回”的布置方式，运输顺槽、回风顺槽以及开切眼均采用 沿底部掘进，瓦斯排放巷采用沿顶板掘进。其巷道布置图如图( 21 ) 所示。 图2 1 采区巷道布置图 其回风系统为：新鲜空气通过1 1 8 0 运输石门到材料上山，在通过各个运输顺槽进 入工作面。在工作面新鲜空际转变成被污染气体。在通过回风顺槽、回风斜巷，经过回 风石门排出。 3 中1 0 4 综放工作面运输顺槽护巷煤柱的确定 3 中1 0 4 综放工作面运输顺槽护巷煤柱的确定 煤柱有足够的强度来支撑顶板是我们留设煤柱的主要原因。煤柱的强度是指单位 煤柱面积上能承受的最大载荷，它上一煤柱稳定性分析的基础。众所周知，岩石的强度 与其尺寸、形状、边界条件和加载方式有关。煤柱的强度不仅与煤块的强度有关，而且 取决于煤柱的尺寸、煤柱内部的地质构造、煤柱的自由表面、煤柱与顶底板的接触和粘 结力、围岩岩性、煤柱侧向力、开采方式及载荷的时间演化等诸多因素。 ( 1 ) 煤柱尺寸：裂隙岩石的强度依赖于其尺寸的变化。这个结论也使用于煤柱， 随着载荷的增加，煤柱趋于膨胀，饿煤柱的侧向力、煤柱与顶、底板的界面摩擦和粘结 力则进行了限制。随着煤柱宽度高比的增加，这种效应更加明显，也说明了煤柱强度随 着煤柱宽高比的增加而增加的原因。 ( 2 ) 煤柱的内部构造：实际上煤体是各向异性体，内部的节理、层理、弱面、夹 层等因数都弱化煤柱的强度。针对不同的地质条件的具体分析，国内外学者普遍认为现 场实测是必要的。 ( 3 ) 煤柱的自由表面：煤柱的自由表面形状是凹凸不平的，且并非垂直于顶、底 板。 ( 4 ) 煤柱与顶、底板的界面摩擦和黏结力：通过前人的研究认为，坚硬顶、底板 通过摩擦效应限制煤柱的水平应变，即增加了煤柱屈服区内的水平应力，相应增加了围 压；软弱顶、底板不能限制煤柱水平变形，而实际上上一是煤柱内产生水平拉力，削弱 了煤柱强度。 ( 5 ) 围压：一般地，随围压的增加，岩石的抗压强度明显增加。这表明了煤柱支 护如固帮、锚固、加网是非常有利的。 ( 6 ) 采场动态因素：采场动态因素是指水平应力与垂直应力比，采空区冒落状态、 顶板破坏状态、煤柱的自身破坏、开采方式和工作面推进等，这些都将影响煤柱的强度 我们可以知道，煤柱的尺寸是这些原因中比较重要的因素之一。下面我们来这种介 绍一下1 0 4 工作面的煤柱的确定。 1 0 4 工作面的护巷煤柱的确定是在成功实施了1 0 2 工作面的护巷煤柱，并在对1 0 2 工作面回采过程中煤柱体破裂状况测试的基础上来决定的。其测试方法将在后面做详细 介绍。 3 1 施工地质概况要 中1 0 4 综放工作面位于1 1 8 0 水平，在矿井中一采区沿倾斜向中部东翼。工作面地 西安科技大学工程硕士学位论文 面标高1 5 8 0 1 6 0 0 m ，工作面标高1 1 7 5 1 2 3 5 m 。中1 0 4 运输顺槽走向沿煤层底板布置， 西部为已开采的中1 0 3 工作面；南部以7 m 窄小煤柱与中1 0 2 工作面采空区相邻，巷道 平面位置如图示意( 见图3 1 ) 。中1 0 4 综放工作面设计走向长8 5 0 m ，倾斜长1 0 8 m ，煤 厚8 1 8 m ，煤层倾角5 - - 6 。煤层由于受井田构造揉、搓、压的作用，节理、裂隙发育， 煤质松软，特别是断层附近呈碎粒状、糜棱状和鳞片状。煤层坚固性系数一般在o 2 o 8 之间。中1 0 4 面境内东西方向为一宽缓的背斜构造，运输顺槽位于背斜的轴部。另 外，中1 0 4 工作面西部1 2 1 5 回风石门地区分布有f 1 0 2 小f 1 0 2 2 两条断层，落差2 5 m ， 对正常掘进有一定影响。煤层伪项为铝质泥岩，较坚硬，平均厚度4 7 m ：直接顶板为铝 质、砂质泥岩，较坚硬，平均厚度8 m ，老顶为细砂岩，成分以石英为主，含云母碎片， 厚度3 o 1 0 4 m ；直接底为粉砂岩，下部含石英砾岩，中夹薄层中砂岩，平均厚度3 5 m 。 煤层平均厚度达8 m 以上。工作面煤层瓦斯含量为8 l o m 3 t ，相对瓦斯涌出量为 2 2 7 m 3 t ， 图3 1中1 0 4 工作面巷道布置平面示意图 属高瓦斯区域。工作面最大涌水量l , o m 3 m i n ，正常涌水量0 5 m 3 m i n 。煤尘具有爆炸性， 爆炸指数为3 4 5 2 ，煤的自然发火期为3 6 个月，最短为2 0 天。 3 2 柱体侧破坏范围估算 采空区边界的破坏宽度可以有以下的公式来计算得到： c ，= c o s a：,。k匦。，仃ap。 c 。， 3 中1 0 4 综放工作面运输顺槽护巷煤柱的确定 p o = r h ( 3 2 ) 式中c ，一采空区边界压力变化范围，m ； p o 一垂直地应力，m p a ； 口岩层倾角，4 ； j 已煤层顶板岩石稳定性系数，取o 5 ； m 。j 噪层开采高度，m ； 盯煤层顶板岩石的抗压强度，m p a ； r 一上覆岩层平均容重，1 3 5k n m 3 ； h 巷道垂直埋深，m ： 将数据代入上式可得： c ：c o s 三 r 2 f 0 5 8 1 8 5 0 0 1 3 5x3 6 5 v 0 3 5 3 0 = 3 1 m 3 3 支承压力峰值位置估算 由于煤层具有一定的倾斜角度。根据沿煤层倾斜方向矿压显现规律的研究可知，沿 倾斜方向支承压力峰值区内的高应力是造成布置在该处的巷道产生变形破坏的主要原 因 1 7 1 。为了正确选择沿倾斜布置巷道的合理位置，就应预先了解峰值区离煤体边缘的距 离b ( 图3 2 ) 。 根据目前的研究，沿倾斜支承压力峰值离煤体边缘的距离b 可以按下经验公式来估 算： b 1 7 0 1 5 0 4 7 5 f o - 0 1 6 r 一0 1 9 9 + 1 5 9 3 m + 1 7 1 0 j h ， ( 3 3 ) 式中蔚煤层坚固性系数； i o 一顶板岩石单向抗压强度，m p a ； 煤层倾角，( 。) ； m 一煤层采高，m ； h _ 一开采深度，m 。 将数据代入上式中可得： b 1 7 0 1 5 0 4 7 5 x 0 6 0 1 6 o 2 5 0 1 9 9 3 0 + i 5 9 3 x 8 1 8 + 1 7 x1 0 3 3 6 5 = 2 5 m 。 即l 。a x = 2 5 m ，留窄煤柱的沿空送巷即是将巷道布置在卸载带内或卸载带附近。 西安科技大学工程硕士学位论文 a 霞每戆 。! i l 。h 1 1 i l i i j ii i 一卸载带n 一支承压力带一原岩应力带。峰值位置 图3 2 采区斜巷中沿