1、2011年第1O期 煤炭 工程 坚硬顶板条件沿空留巷技术研究及应用 朱永鹏 ，毕思峰 ，宋成伟 (1煤炭工业济南设计研究院有限公司，山东济南250031； 2泰安市煤炭工业局，山东泰安271000； 3滕州市东大矿业有限责任公司，山东滕州277500) 摘要：针对坚硬石灰岩顶板的特点，采用理论分析、数值模拟等研究方法对坚硬石灰岩顶 板条件下沿空留巷技术进行了研究。通过对巷旁充填沿空留巷方法与人工放顸卸压沿空留巷方法 的可行进行分析，确定了巷旁采用强制放顶的沿空留巷方法，并设计了支护方案；通过数值模拟 研究，分析了巷旁人工放顶条件下沿空留巷围岩应力分布规律，得出了巷道围岩变形规律，论证 了放顶卸
2、压法沿空留巷的可行性；通过工业性试验，得到了石灰岩顶板条件下沿空留巷矿压显现 规律。 关键词：沿空留巷；石灰岩顶板；人工放顶；数值模拟 中图分类号：TD323 文献标识码：A 文章编号：16710959(2011)10-0065-04 坚硬顶板具有硬、整、厚的特点，可以近似地将其看 作连续介质来建立计算模型。顶板初次垮落前，可以将其 看作是支承在煤层上的岩梁或岩板。石灰岩顶板条件下 沿空留巷时，与砂岩、泥岩相比较，石灰岩顶板具有较强 的韧性，往往呈现出较大范围的悬顶而不冒落，因此，有 必要研究合理的巷旁支护措施切断顶板或者减缓顶板下沉 速度，降低顶板下沉值 。坚硬顶板条件下，常规的留巷 方式效
3、果很差，目前有些煤矿试用人工卸压的方式留 巷 |4 J，但仅仅进行了现场工业性实验，没有对这种留巷方 式进行深入研究，因此，有必要采用理论分析及数值模拟 手段对此种留巷方式巷道围岩应力场及位移变化规律进行 研究。 1工程地质条件 太平煤矿16 煤层走向29。138。，煤层倾角平均 13。，厚度为0913m，平均厚度为108m，f=25，全 区可采，属稳定煤层，结构简单。煤层顶板为289 846m的灰岩，平均厚度为497m，底板为0620m的 粘土岩。工作面预留巷为轨道巷，沿煤层顶板布置，帮部 锚网支护，矩形断面，净宽为34m，平均净高为22m，断 面积为748m 。 2石灰岩顶板沿空留巷顶板控
4、制方法研究 21 留巷方法选择 1)巷旁充填。在顶板缓慢下沉情况下，整个侧向板块 由煤体、巷道支护及触底处底板共同支撑形成平衡结构。 在这种情况下，为减缓顶板弯曲、下沉，减小巷内支护所 受载荷和巷道围岩变形量，应及时封闭采空区，即可以在 采空区人工垒砌一定宽度的充填体。充填体最大缩量与宽 度的关系如下： Omaxah ： (1) 式中?max充填体最大可缩量； Ah 充填体末端顶板下沉值，m； 采高，In； 顶板侧向垮落步距，m； 巷道宽度，m； C 充填宽度，nl。 由于顶板倾斜下沉，充填体深入采空区一侧缩量最大， 为达到充填体对顶板具有后期支护阻力，必须保证充填体 弹性阶段最大缩量大于顶板
5、下沉值，当8 取极小值时， 充填体弹性模量可由式(2)计算： (2) 式中E充填体弹性模量； 充填体处极限应力，按应力集中系数25计算。 充填体弹性模量与其压缩率关系为： = (3) 0c田 将式(3)代人式(2)可得出充填体压缩率与充填体宽度 关系： 收稿El期：20110212 作者简介：朱永鹏(1985一)，男，山东滕州人，硕士研究生，2010年毕业于山东科技大学采矿工程专业，现就职于煤 炭工业济南设计研究院有限公司。 65 煤炭 工程 201 1年第l0期 h( +C ) ， 一可 一 如果充填体宽度为2m，则充填体压缩率为30，充填 体宽度为3m时，充填体压缩率为36，这就要求巷旁支
6、 护材料具有大可缩量，矸石带材料具有大可缩量，其压缩 率可达30，但抗变形能力小，承载性能弱，较小宽度的 矸石带充填不能起到对坚硬灰岩顶板下沉的限制作用，只 有在采宅 大范同进行充填才能起到缓解顶板下沉的作用， 此在采空区不充填的情况下，坚硬灰岩顶板沿空留巷仅 采用巷旁充填留巷是不合理的，必须寻求合理的方式将直 接顶切断，缓解巷道支护压力。 2)巷道靠采空区侧人-放顶。灰岩顶板条件下，煤层 采 后，顶板悬露长度比较大，巷内支架承受巨大的压力。 为减小顶板岩层的悬露长度，从而大大降低直接顶对巷道 皋本支护的压力，可以采取人T放顶的方法卸压，其原理 是：在丁作面后方沿巷道顶板浅孔爆破，使破落后的顶
7、板 碎胀后充满采空区。这样，一方面减小了直接顶对巷内支 架的压力，另一方面碎胀矸石能够对整个E位顶板起支撑 作用 。人工放顶厚度应保证破落的岩石碎胀后能与顶板 接实，放顶厚度为 ： m = (5) 1 式中m 放顶厚度，m； 破落矸石初始碎胀系数，取125。 经计算，m =4m。 爆破裂纹扩展的最小深度 为： =等1+349033(00126z-17000)rc(6) 式中 岩石声阻抗，取16 x 10。kg(IT s)； rJ炮孔半径，取20ram； 5，-一岩石抗拉强度，取85MPa； 计算得，L =24m。 假设控制爆破切顶的冒落松散岩体全部堆放在放顶带 (a)炮眼布置 内，为了使冒落岩
8、体充满采空区并接顶，炮孔深度，J必须 满足： (L +L)( 一1)h (7) 则 L L_ 一L (8) n 一1 将各参数代入计算得，J16m，即浅孔凿岩深度取 16m能够确保冒落的松散体接顶。 22沿空留巷支护方案 巷内采用工字钢梯形棚加强支护，巷道靠工作面老宅 区侧采用补打切顶钻孑L，强制放顶，形成短悬臂梁顶板结 构的方法，如图1所示。其具体方法为：沿宅留巷巷内 主要采用工字钢棚和木料进行支护，棚距为08m，棚顶用 木料接顶，接顶时保证顶板平整，且在下帮挂金属网，防 止矸石涌入巷道；在 作面回料前，靠老塘侧，距离棚 梁端n=01m和b：02m的地方打两排挑顶眼，炮眼深为 18m，炮眼间
9、距为08m，炮眼角度分别为 =85。和口= 75。，炮眼布置如图1(a)所示，等回完料后，进行装药放 顶；棚架好后，在棚梁下靠采空区侧打两棵单体液压支 柱，以对柱形式进行加强支护，另一侧为单柱，排距为 08m，柱距为18m，支柱初撑力不小于90kN，加强支护 的距离为40m，如图1(b)所示。 3沿空留巷围岩运动规律数值模拟分析 根据巷道围岩条件利用FLAC 模拟软件建立了数值模 拟模型，模拟了在上述支护方式下沿空留巷效果。模拟过 程中人 放顶环节采取改变采空区材料参数的方法，放落 的矸石的本构行为可采用Salamon采空区矸石压实理论 模型” 。 31 围岩应力场 随着【 T作面不断推进，巷
10、道围岩应力场不断发生变 化，工作面推进70m后，一I 作面后方不同位置处巷道煤体 侧及充填体侧应力集中系数如图2所示。 图1 巷旁人工放顶沿空留巷方案图 采动后巷道围岩应力场逐渐失去原对称结构，应力逐 渐向煤体转移，使煤体应力高度集中，放顶后巷旁矸石逐 渐被压缩，当推采一段距离后，矸石处逐渐恢复原岩应力 66 (c)稳定后支护惭Ih 状态。从图2中可以看出，工作面开采70m后，距工作面 后方不同位置巷道煤体侧应力及放顶处矸石内应力发生 大变化，工作面后方lOm处，煤体内最大应力集中系数为 201 1年第10期 煤炭工程 350 3OO 250 壬20O I50 1OO 05O 0OO 据l 作
11、面距离m 图2工作面后方不同位置煤体侧及充填体 侧应力集中系数 3，放顶处矸石在压缩过程中应力集中，最大应力集中系数 ，直至工作面后方40m处，放顶处矸石逐渐恢复原 岩应力，而煤体侧应力集中系数达到最大，此时应力集中 ttN 33；工作面后方40m以外时，围岩垂直应力 侏博不变，巷道围岩运动逐渐达到平衡。 32 困岩位移 上作面位置m (a)顶板下沉曲线 +煤 侧 +巷道l_=l心 一采空区侧 一-煤体侧 +巷道中心 采宅区侧 (b)底板位移 线 图3工作面推进70m后巷道不同位置围岩变形情况 显的底鼓现象，此时巷道中心突出，两底角位移较小：当 面推进40m以上时，巷道靠采空区侧处底板位移逐
12、增加，呈现出底板以煤体处为轴逆时针旋转的趋势。 4现场工业性试验结果 现场试验100mm，工作面后方顶底板移近量变化如图 。从图4可以看出，工作面后方5 28m，巷道围岩 ，顶底板相对移近量为8omm左右，顶底板相 移近速度为104mmd。距工作面28 50m，尽管怎 近量继续增加，但巷道围岩活动程度减弱，顶底板 荔 苎 近速度均较小。从相对移近量方面来看，顶底板 移近量为3omm左右；从移近速度方面来看，顶底板 g 。NN N 41mrnd。工作面后方50m以后，围岩移 季本保持不变，巷道围岩变形趋于稳定，因此，沿空 g】20 0 e-60 骚413 尝20 _ 0 、从宏观现象可以看出，灰
13、岩顶板条件下，巷旁采用人 的方式切顶，减小了巷道顶板悬臂长度，缓解 板压力对巷内支架的作用，巷道修复后能够满足下工作 竺 要要；，从巷道内工字钢棚变形情况看，局部工字 压弯，顶梁破坏的位置大多是巷道接顶不实 ， 竺： 梁局部应力集中；靠采空区侧棚腿产生沿巷道 形状，这是由于巷道靠采空区顶板变形值最大： 竺竺 部分不能承受大变形，从而发生扭曲变形， 竺 少出现棚腿扭曲现象。因此，有必要改变传 篓棚式结构，将梯形棚靠采空区侧工字钢棚腿改 竺，或者减小靠采空区侧棚腿长度，以增加其上 ，进而可以适应更大的顶板变形；巷道靠采空区 譬 挡矸的方式，局部出现兜网严重，有漏矸现 因此在靠采空区侧应加密背帮，防
14、止矸石窜入巷道内。 研究坚硬灰岩顶板运动规律，分析了灰岩顶板 誓 充填沿空留巷方法与人工放顶卸压沿 善 ! 譬，确定了巷旁采用强制放顶卸压的留巷 并设计了支护参数。 2)通过数值模拟，分析了巷道围岩应力分布规律，得 (下转第71页) m邶铷如加m 置g覃JS 葺 201 1年第10期 煤炭 工程 的相对介电常数与电导率大小为10与lOe一5；离层介质为 空气，其相对介电常数与电导率分别为1与0。使用中心频 率为600MHz的天线进行离层检测，模拟中的时窗值设为 26ns，采集道数均为128，其他参数与模拟一相同。该模拟 的目的是研究地质雷达系统对不同深度反射差异的探测能 力，对应时间剖面图如图
15、7所示。 仿真模型 0 02 04 06 08 10 12 14 长度，m 图6模拟四不同离层深度几何图 20 40 60 8O lO0 12O 从图7可以看出同一频率的天线对不同深度的离层进 行检测所对应的时间剖面图。通过对比得出随着离层深度 的增大，离层反射信号越弱。 4结论 1)通过改变频率、离层大小、离层深度、介电常数 得出在满足探测深度的前提下，天线频率越大，反射效果 越好，分辨率越高；离层目标体尺寸越大，反射效果越明 显；顶板与离层的介电常数差异越大，反射信号越强；离 层深度越大，反射信号越弱。 2)为了能够更好的利用地质雷达进行顶板岩的离层检 测，需要结合岩层介电常数、探测深度、
16、离层目标尺寸等 综合因素来选择相应的模拟参数。 3)通过文中的数值模拟以及输出图像分析，证明地质 雷达正演模拟方法用于顶板离层检测是可行的。 参考文献： 1 岑传鸿顶板灾害防治(第二版)M徐州：中国矿业大 学出版社，1994 2 3 4 5 6 图7模拟四不同离层深度时间剖面图 、 、 、 、 (上接第67页) 出了巷道围岩变形规律，预计了围岩变形量，为现场实践 提供了可靠支持。 l3 J 3)通过连续的现场观测，得到了该地质条件下沿空留 巷矿压规律，即距工作面040m为受回采影响后顶板沉降 J 逐渐增长区，距工作面一280m为顶板强烈沉降区，距工 一一 作面一50一28m为顶板沉降逐渐衰减区
17、，距工作面50m 以后为顶板沉降趋向稳定区；得出了巷道顶板最终下沉值 、 为1lOmm，确定围岩控制方案可以有效的控制围岩的表面 位移，保证沿空留巷顺利进行；分析了巷道宏观矿压显现 7 现象，提出了可行的解决措施。 rR 参考文献： 1 王开，康天合坚硬顶板控制放顶方式及合理悬顶长度的 9 研究J岩石力学与工程学报，2009，(11) 2 刘胜利，赵德国沿空留巷技术在坚硬顶板巷道中的应用 李大心编著探地雷达方法与应用M北京：地质出版 社，1994 葛德彪，闰玉波电磁波时域有限差分方法M西安： 西安电子科技大学出版礼，2005：1517 Yee K SNumerical solution of
18、initial boundary value problenls involving Maxwell equations in isotropic mediaJIEEE Trans Antennas Propagat，May 1966，AP一14(3)：302307 Antonis GUser S manual of GprMax2D version 20M Edinburgh：Edinburgh University Press，2005 Antonis GiannopoulosModelling ground penetrating radar by GprMaxJConstruction
19、 and Building Materials，2005， (22)：755762 (责任编辑郭继圣) J山东煤炭科技，2007，(03) 郝福坤，周同学，姜玉超人工强制放顶沿空留巷技术及 其应用J煤炭科学技术，2006，(02) 李俊平，卢连宁，于会军切槽放顶法在沿空留巷地压控 制中的应用J科技导报，2007，(2) 周同学，于会军，黄哲会卸压法留巷的探索J煤炭 技术，2002，(2)：213215 宋彦波顶板预裂法留巷技术【j矿山压力与顶板管 理，1997，(21) 张祝涛，张龙江坚硬顶板深孔爆破强制放顶的实践 J现代矿业，2009，(05)：8083 李俊平，冯长根等控制爆破局部切槽放顶技术的基本参 数研究J岩石力学与工程学报，2004，(02) 张吉雄，缪协兴煤矿矸石井下处理的研究J中国矿 业大学学报，2006(02) (责任编辑郭继圣) 7】 O2 3 4 5 6 7 8 9 O O O O 0 O O 0 O 0 1 鲁、 恒 O 加
