无煤柱开采中沿空留巷围岩变形规律及控制技术研究

在我国采矿行业中,大部分的煤炭资源主要分布在几百米甚至是几千米的地下深处,其开采方式主要是通过井工方式开采,而其中无煤柱开采技术在近些年来因其特殊优势被广泛推广应用,在实际应用中主要有沿空掘巷和沿空留巷等技术[1]。传统的回采巷道的维护基本上采用的是留设煤柱的方法,这种方法会使得煤炭资源的开采率降低,造成一定的浪费,影响着煤矿企业高效发展。近年来,由于煤矿企业对矿井采煤效率要求的提高,回采巷道的掘进速度加快,导致了矿井回采工作面出现采掘快速衔接极其困难、死角处瓦斯无法排放等问题。通过对沿空留巷技术一系列的研究及应用,上述问题能够得到很好的解决。在矿井回采工作面采用沿空留巷无煤开采技术,较传统的留设煤柱方法更加高效,更适用于煤矿生产。但沿空留巷无煤开采技术应用过程中,由于巷道需要依次服务于本工作面和临近工作面,较传统技术的巷道服务时间多了一倍,经过多次采动的影响,巷道底板会受到比较严重的破坏,形成强烈的底鼓现象[2]。强烈的底鼓会破坏巷道围岩的稳定性,影响采煤的安全作业,导致巷道无法正常使用。因此,对沿空留巷底鼓变形机理进行分析总结,有针对性的研究一种合理的控制技术,对沿空留巷技术在煤矿的推广应用具有重要意义。

1.沿空留巷技术原理

沿空留巷是工作面完成采煤作业后,通过一定的支护手段沿着采空区边缘对原回采巷道进行支护维护,最终保留原来的回采巷道可以为相邻区段工作面提供使用[3]。沿空留巷保留下来的回采巷道,其两侧围岩一侧是实煤体,另一侧是巷旁支护体,巷道两侧形成明显的不对称性,而且回采巷道重复使用,会依次经受来自两个工作面的采动影响,导致围岩条件、受力情况复杂,变形规律复杂,因此,采用沿空留巷无煤开采技术工作面的巷道都会发生不同程度的底板变形现象,尤其是位于工作面后方巷道底鼓现象更为强烈。如 图1沿空留巷巷道布置示意图。

2.沿空留巷围岩变形规律

同煤集团某矿3022工作面位于3#煤层的西区,该煤层为当前的主采煤层,煤层均厚为2.9m,平均倾角在5°左右浮动,煤层位于地下平均深度大约为265m。煤层直接顶主要是由砂质泥岩等组成,其厚度大约是11.9m左右,直接底主要由细泥岩组成,其厚度大约32.51m左右。该工作面巷道呈现为矩形通道,宽度和高度分别为4.5m、2.8m,巷内支护方式为锚网支护,巷旁支护为高水材料充填体支护,充填体宽度与高度分别为为2.5m、2.8m,该工作面采用沿空留巷开采技术进行采煤作业,在原工作面完成采煤作业后,即一次回采后底板变形规律如图2所示。

回采工作面采用沿空留巷开采技术一次回采之后的底鼓变形进行实测,根据现场实测数据绘制出图2为底鼓变形量与距工作面距离之间关系的曲线图,可以看出从巷道工作面前方40m开始出现底鼓变形,变形缓慢且变形量较小。在工作面后方20～50m范围内底鼓速率急剧增大,底鼓量也急剧增大,之后底板变形逐渐趋于稳定。

同煤集团某矿4201回采工作面,煤层基本上处于地下深度大约为360m左右煤层平均厚度为2.01m;该工作面煤层的直接顶大体为细砂岩,其厚度大约在4.3m左右;直接底大部分由砂质泥岩组成,其厚度大约在4.1m左右。巷道均为矩形截面,其宽度和高度分别为3.2m、2.0m,巷内支护采用锚网索加钢筋梯子粱协同支护,巷旁支护为高水材料充填体支护,充填体度与高度分别为为2.2m、2m,该工作面采用沿空留巷开采技术进行采煤作业,一次回采期间巷道围岩变形量如图3所示,二次回采期间巷道围岩变形量如图4所示。

分析图3可知,一次回采底板变形主要是在距工作面后方0～60m范围内,且在距离工作面后方的20m的位置顶底板变形速度达到最大,底板变形最为强烈;在距离工作面后方80m变形速率几乎为零,底板变形趋于稳定。分析图4可知,在相邻工作面二次回采期间,从距离工作面前方80m位置处开始发生底变形,随着距工作面距离减小底鼓现象越来越强烈,变形速度与变形量逐渐增大,在距离工作面测点位置底鼓现象最为强烈,达到最大值,相当于一次回采期间顶底板移近量的1.5倍,底板变形破坏严重。

3.沿空留巷围岩变形控制技术

目前沿空留巷底鼓控制的方法主要有卸压法和加固法[4]。卸压法是通过改变围岩应力环境实现控制底鼓,加固法主要考虑提高围岩抗变形能力从而控制底鼓[5]。由测量到的一二次回采期间底板变形规律可知,在二次回采期间底板变形量较大。主要是因为在二次回采期间底板同时受到由顶板的破断和两侧围岩支撑的多种作用力。所以,要解决沿空留巷底鼓问题,不仅仅只是关注对巷道底板的控制方面,还要关注顶板及两侧围岩的受力及变形情况,要同时对顶板、两侧围岩及底板加以控制,才能更好地解决巷道底鼓问题[6]。因此解决沿空留巷阶段底鼓问题的基本思路是:一是在构筑巷旁充填体和二次回采阶段,要加强对顶板的支护,以降低顶板对两侧围岩的作用力,最终减小两侧围岩对底板的作用力。二是一侧实煤体重力较大,塑性变形较大,要做好另外的支护措施,提高其承载能力,减小其塑性变形,最终降低实煤体侧对底板的影响。三是加强对底板的支护措施,提高其抗变形能力,防止底鼓的发生。

4.结语

沿空留巷巷道底鼓现象是制约其发展及推广应用的主要因素。回采工作面采用沿空留巷技术,巷道由于要经受来自两个相邻工作面两次采动影响,且服务时间较传统巷道更长,两帮的不对称性,使得底板岩层环境极其复杂,造成底鼓控制极其困难。因此,加快及加大对底鼓机理及控制技术的研究势在必行。

摘要：通过对无煤开采沿空留巷技术原理的简单阐述,引出底鼓发生的原因,以及底鼓现象对该技术发展的严重制约问题。通过沿空留巷现场实测数据分析巷道底板的变形规律,进而提出底鼓控制技术的基本思路,对促进沿空留巷技术的发展及在煤矿开采中推广应用具有积极的意义。

关键词：无煤柱开采,沿空留巷,回采巷道,底鼓,控制技术

参考文献

[1] 李晓鹏.无煤柱开采技术研究与应用[J].能源与环保,2020,42(08):207-212.

[2] 郭俊凡.沿空留巷围岩控制关键技术研究[J].能源与环保,2020,42(07):184-187.

[3] 王维学.深部矿井沿空留巷围岩控制技术探析[J].当代化工研究,2020(13):90-91.

[4] 李建强.沿空留巷围岩变形规律及充填体稳定性分析[J].煤,2020,29(06):69-72.

[5] 霍永鹏.坚硬顶板大采高沿空留巷围岩控制技术研究[J].煤矿现代化,2020(03):48-52.

[6] 李向鹏.缓倾斜煤层综放开采沿空留巷围岩控制技术研究[D].太原理工大学,2019.