5211进风顺槽沿空留巷方案设计山西柳林凌志柳家庄煤业有限公司二一二年五月28目 录1项目研究的意义125211综采工作面生产地质条件概述33巷旁充填体作用机理与巷旁支护参数分析53.1巷旁充填体作用机理53.2沿空留巷力学模型的建立63.3巷旁支护阻力计算84高水充填材料及其沿空留巷技术简介104.1高水充填材料简介104.2高水充填材料巷旁充填沿空留巷技术125巷旁充填工艺与系统155.1充填工艺155.2充填设备清单165.3人员配备及劳动组织186加强支护技术与方案216.1原巷道加强支护技术与方案216.2留巷段加强支护技术与方案216.3充填体加强支护技术与方案227矿压观测方案247.1观察内容247.2测站设置247.3观测要求268效益概算278.1留巷成本概算278.2经济效益概算278.3其它效益279安全技术措施299.1一般规定299.2顶板309.3“一通三防”及安全监控329.4机电3410 避灾路线361 项目研究的意义沿空留巷技术是无煤柱开采技术的一大发展方向，它是维护在工作面后方的采空区边缘巷道，即在工作面回采过程中，通过有效的巷旁支护和巷内支护技术，将本工作面的回采巷道保留下来，作为邻近工作面的一条回采巷道使用，如图11所示。但是，正是由于沿空留巷在工作面后方，受两次工作面采动影响引起的矿压显现要比用煤柱保护引起的矿压显现强烈地多，巷道维护比较困难。图11沿空留巷示意图巷旁支护是保证沿空留巷成功的关键，国内外对巷旁支护机理及方法进行了较多的研究和实践。上世纪50年代以来巷旁支护长期采用矸石带、木垛、密集支柱和混凝土砌块，上述巷旁支护普遍存在增阻速度慢、支承能力小、压缩变形量大、密闭性能差、机械化程度低、劳动强度大，或力学性能与沿空留巷围岩变形不相适应等缺点，不利于沿空留巷维护和防止采空区漏风、煤层自燃，沿空留巷效果不好。高水充填材料具有支护阻力大、增阻速度快、适量可缩，巷道维护效果好，机械化整体构筑巷旁支护采空区密闭性好、劳动强度小的优点；整体浇注的高水充填材料巷旁支护体能克服传统巷旁支护的根本缺陷，把沿空留巷所需解决的两个关键问题实现巷旁支护和密闭采空区有机结合起来，充分显示出其技术经济的优越性。自上世纪八十年代初从英国引进了高水充填材料和充填设备，到现在经过引进、吸收、消化，研制成功我国自己的高水充填材料和充填设备，其性能达到或超过英国的材料和设备，它标志着我国在沿空留巷技术领域已经达到了世界先进水平。硬石膏巷旁支护在德国有大量应用，由于留巷成本昂贵、输送管道磨损严重、粉尘大，我国基本没有应用。膏体材料充填沿空留巷具有较大的支护阻力，但管路输送阻力大，对输送泵和管路要求高，经常发生管路堵塞的问题；另外，膏体充填沿空留巷需要的固体材料量大，它的质量浓度大，大于75，固体材料至少有3种以上，即胶结料、煤矸石、粉煤灰，因此，膏体材料充填沿空留巷存在设备投资大、矿井辅助运输量大、搅拌均匀比较困难，上述难题对沿空留巷效果会有一定的影响。柳家庄煤矿为山西凌志投资集团的一个现代化矿井，是国家优质主焦煤生产基地。随着矿井产量和效率的不断提高，要求成巷速度越来越快，而传统的三巷掘进方式越来越不能满足采掘接替的需要，同时也造成大量焦煤资源的浪费。由于沿空留巷技术具有降低巷道掘进率、提高煤炭采出率、减小工作面隅角瓦斯含量、实现Y型通风等优点，因此，有必要针对柳家庄煤矿5211综采工作面煤层、顶底板力学性质等生产地质条件，开展高水充填材料巷旁充填沿空留巷技术的系统研究对解决5#煤层回采工作面布置、保证接替、降低开采成本等具有重要的意义，同时，对推动沿空留巷技术发展具有重大的理论意义和实际应用价值。2 5211综采工作面生产地质条件概述5211进风顺槽为5211综采工作面的进风顺槽。井下相对位置位于本矿井田5#煤层西采区北部，南为西采区三条主要运输、通风巷道（西采区轨道巷、西采区皮带巷、西采区回风巷），北接山西东辉煤焦邓家庄煤业有限公司实体煤层，西为本矿实体井田，东接5210已采综采工作面。地面标高为+922.5+825m，工作面标高为+639+660m，其工作面采掘工程平面图见图21所示。图21 5211综采工作面采掘工程平面图该工作面为4层煤和5层煤合采。4#煤层平均厚度为1.6m，5#煤层平均厚度为1.8m，4#、5#煤层之间夹矸平均厚度为0.5m。煤层结构简单，顶板岩性为灰色砂质泥岩、砂质泥岩；底板为砂质泥岩、灰色砂质泥岩。煤层倾角为36，平均4，稳定可采，属近水平煤层。煤层厚度为1.72.0m，煤层结构较简单，其煤层顶底板岩性情况见表21所示。表21煤层顶底板情况表顶底板名称厚度（m）岩性类别及特征4#顶板基本顶2.4砂质泥岩：次圆状接触式钙质胶结，含泥岩包体，均匀层理直接顶0.61.0灰色砂质泥岩：参差状断口，张节理不断穿断面，半竖硬5#底板直接顶1.51.8砂质泥岩基本底10灰色砂泥岩：厚层状，缓和波状层理及均匀层理，半坚硬5211进风顺槽沿4#煤层顶板、5#煤层底板掘进；巷道设计断面为宽高（4.5m4.0m）。遇地质变化带时，巷道高度适当调整，但不得低于3.2m。 5211进风顺槽设计掘进长度为1282m，5211进风顺槽掘进工作面顶板采用“螺纹钢金属锚杆锚索金属菱形网钢带钢托板”支护。其锚杆采用规格：202400 mm，配合使用2卷CK2340树脂锚固剂，要求锚固力不低于70KN，扭力矩不小于100Nm，其锚杆间、排距为：800 mm800 mm，间排距误差100 mm，呈矩形布置，顶板靠巷道两侧的锚杆向两帮倾斜角度为80，边锚杆至两帮距离均为200mm。锚索采用规格：15.246300mm的钢绞线锚索，间排距为1600 mm2400 mm，钢带采用：长4400 mm，宽230 mm，厚5 mm的7眼“W”钢带。托板中孔=22 mm，厚5 mm的圆托盘配合支护，金属菱形网使用6000mm1000mm的18#镀锌铁丝编制而成。两帮采用“锚杆钢带金属菱形网铁托盘”联合支护，帮锚杆选用规格为：161600 mm铁制锚杆，间、排距均为800 mm800mm，帮顶锚杆距顶板400mm，帮底锚杆距底板500mm。锚杆必须与巷道两帮成90夹角。帮锚杆支护锚固力不得小于50KN，扭力矩不小于100N.m。金属菱形网选用3500mm1000mm的18#镀锌铁丝编制而成。网与网之间搭接要相互挂接，且搭接长度不得小于200mm，然后用铅丝把网与网搭接处固定。井下观察，5211进风顺槽巷道开口处向里200m左右，高度在5.0m，里面局部高度也达到5.0m左右，巷道部分地段锚杆间排距为800mm1200mm。由于掘巷前未考虑实施沿空留巷，支护强度比较低，不能满足留巷要求，在实施留巷前需要对实煤体帮、顶板等进行补强加固。3 巷旁充填体作用机理与巷旁支护参数分析3.1 巷旁充填体作用机理鉴于沿空留巷顶板岩层运动规律，沿空留巷围岩变形、巷旁支护体变形以及支护体载荷的变化都与回来工作面的周期来压有关系。回采工作面后方20m范围内，巷道围岩变形速度较大；当周期来压引起工作面后方基本顶弧形三角板失稳时、巷道围岩及巷旁支护体产生剧烈变形，支护体承受载荷也剧烈增加，这个区域一般在工作面后方2040m范围内。巷旁支护体控制巷道顶板、维护巷道，关键是要有足够的支护强度及适量的可缩量，足够的支护强度能够及时切落采空区侧足够高度的顶板岩层，使更上位岩层得到采空区冒落矸石及侧向煤体支撑，同时，适量的可缩量满足巷旁支护体服从岩层的旋转下沉，防止在顶板岩层旋转下沉时破坏巷旁支护体，实现控顶载荷向侧向煤体及采空区冒落矸石转移。因此，沿空留巷巷旁支护的作用机理为：(1) 巷旁支护体应具有早期强度高、增阻速度快的力学特性，紧随工作面构筑，及时支护直接顶，控制巷道围岩变形，与巷内支护共同作用，确保巷道内直接顶不破碎、避免与上部基本顶离层，并切断采空区侧的直接顶，减小巷旁支护体所承受的载荷。支护体切落顶板岩层需要的支护阻力决定于巷道围岩条件、基本顶厚度及抗拉强度、直接顶厚度、沿空留巷参数、工作面采高以及煤层倾角、开采深度、巷道支护等。(2) 回采面的推进，必然引起基本顶破断、失稳、剧烈沉降，在基本顶破断时巷旁支护体的支护阻力应达到切顶阻力，切断采空区侧基本顶，减小巷旁支护体载荷。垮落的矸石由于破碎后体积增大，当充填满采空区时，更上位岩层在矸石及煤体的支撑作用下取得平衡，巷道围岩变形趋于缓和并稳定下来，所以巷旁支护体的切顶高度由采高及矸石的碎涨系数决定，并与煤层倾角有关；另外，巷旁支护体应具有一定的可缩量，对上位岩层在取得平衡之前的急剧沉降有较好的适应性，其大小与采高成正比，与采空区侧冒落岩层的碎胀系数，残余碎胀系数及煤层倾角等有关。(3) 巷道围岩运动稳定后，巷旁支护体具有的支护阻力为后期支护阻力，其大小应能够维持巷道上方已切断岩层的平衡，同时将巷道顶板下沉量控制在设计范围内，一般后期支护阻力小于切顶阻力。3.2 沿空留巷力学模型的建立大量的实测表明，沿空留巷和采场具有相似的边界条件、受力特征及其它一些共同属性。因而两者的矿压机理具有相似性，但也应看出，沿空留巷与工作面采场具有不同性质的采空区边界，沿空留巷是固定边界，采场是移动边界，因而，它们的岩层活动和矿压显现方面既有某些相同性又有各自的特殊性。一般情况下，采场顶板可以视为弹性薄板，支承基本顶的直接顶和煤层可视为弹性介质，符合Winkler弹性基础假设，即P一Ky，式中y为基本顶岩层的竖向变形量，K为垫层系数，取决于煤层、直接顶及底板岩层的厚度和力学特性，P为作用于直接顶及煤层之上的支承压力值，这样在各种边界条件下，基本顶与支承它的直接顶、煤层共同组成的力学体系可简化为Winkler弹性基础上的Kirchhoff板。随着工作面的开采和不断推进，在工作面下端头处，由于该板的隅角处于直角固支状态而产生的“角”效应，使该处呈现弧形破坏，形成“弧形三角板”，“弧形三角板”的稳定与否对沿空留巷影响较大，同样，巷旁支护性能和早期支护参数要借助于“弧形三角板”结构来进行计算。设计沿空留巷支护阻力等参数时，一般考虑其极限状况，即以顶板达到危险状况的断面为截面，得到弹性基础梁模型。随着回采面的推进，控顶范围扩大，引起下位基本顶破断、失稳，巷旁支护体具有的支护阻力应使基本顶沿巷旁支护体侧的弯矩达到极限弯矩，从而切断基本顶。由于巷内支护阻力远小于巷旁支护阻力，巷内支护阻力可忽略不计。巷旁支护体与顶板相互作用的力学模型如图31所示，以板的中间破断线位置所作的剖面。图31 沿空留巷力学模型对上述模型作如下简化：在巷旁支护体切顶顶板岩层前，矸石对块体的支撑力为零，在采空区侧受到的剪力为，沿岩层方向的推力为： (3-1)式中：煤层倾角；岩块的长度；岩块单位长度的自重；岩块的厚度；岩块被切断时端的下沉量。(2)因采空区上方直接顶与基本顶之间的离层，以及基本顶之上软弱岩层与更上位岩层之间的离层，认为其间的剪力为零；(3)基本顶的自重沿平行岩层和垂直岩层方向分解成两组力；(4)基本顶之上的软弱岩层，均匀地加到基本顶上；(5)基本顶以煤体弹塑性交界处为旋转轴向采空区侧旋转倾斜；(6)沿空留巷下侧煤体