5211進(jìn)風(fēng)順槽沿空留巷方案設(shè)計(jì)山西柳林凌志柳家莊煤業(yè)有限公司二○一二年五月28目 錄1 項(xiàng)目研究的意義 12 5211綜采工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件概述 33 巷旁充填體作用機(jī)理與巷旁支護(hù)參數(shù)分析 53.1 巷旁充填體作用機(jī)理 53.2 沿空留巷力學(xué)模型的建立 63.3 巷旁支護(hù)阻力計(jì)算 84 高水充填材料及其沿空留巷技術(shù)簡(jiǎn)介 104.1 高水充填材料簡(jiǎn)介 104.2 高水充填材料巷旁充填沿空留巷技術(shù) 125 巷旁充填工藝與系統(tǒng) 155.1 充填工藝 155.2 充填設(shè)備清單 165.3 人員配備及勞動(dòng)組織 186 加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)與方案 216.1 原巷道加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)與方案 216.2 留巷段加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)與方案 216.3 充填體加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)與方案 227 礦壓觀測(cè)方案 247.1 觀察內(nèi)容 247.2 測(cè)站設(shè)置 247.3 觀測(cè)要求 268 效益概算 278.1 留巷成本概算 278.2 經(jīng)濟(jì)效益概算 278.3 其它效益 279 安全技術(shù)措施 299.1 一般規(guī)定 299.2 頂板 309.3 “一通三防”及安全監(jiān)控 329.4 機(jī)電 3410 避災(zāi)路線 361 項(xiàng)目研究的意義沿空留巷技術(shù)是無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的一大發(fā)展方向，它是維護(hù)在工作面后方的采空區(qū)邊緣巷道，即在工作面回采過(guò)程中，通過(guò)有效的巷旁支護(hù)和巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)，將本工作面的回采巷道保留下來(lái)，作為鄰近工作面的一條回采巷道使用，如圖11所示。

但是，正是由于沿空留巷在工作面后方，受兩次工作面采動(dòng)影響引起的礦壓顯現(xiàn)要比用煤柱保護(hù)引起的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈地多，巷道維護(hù)比較困難圖11沿空留巷示意圖巷旁支護(hù)是保證沿空留巷成功的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外對(duì)巷旁支護(hù)機(jī)理及方法進(jìn)行了較多的研究和實(shí)踐上世紀(jì)50年代以來(lái)巷旁支護(hù)長(zhǎng)期采用矸石帶、木垛、密集支柱和混凝土砌塊，上述巷旁支護(hù)普遍存在增阻速度慢、支承能力小、壓縮變形量大、密閉性能差、機(jī)械化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，或力學(xué)性能與沿空留巷圍巖變形不相適應(yīng)等缺點(diǎn)，不利于沿空留巷維護(hù)和防止采空區(qū)漏風(fēng)、煤層自燃，沿空留巷效果不好高水充填材料具有支護(hù)阻力大、增阻速度快、適量可縮，巷道維護(hù)效果好，機(jī)械化整體構(gòu)筑巷旁支護(hù)采空區(qū)密閉性好、勞動(dòng)強(qiáng)度小的優(yōu)點(diǎn)；整體澆注的高水充填材料巷旁支護(hù)體能克服傳統(tǒng)巷旁支護(hù)的根本缺陷，把沿空留巷所需解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——實(shí)現(xiàn)巷旁支護(hù)和密閉采空區(qū)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，充分顯示出其技術(shù)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)越性自上世紀(jì)八十年代初從英國(guó)引進(jìn)了高水充填材料和充填設(shè)備，到現(xiàn)在經(jīng)過(guò)引進(jìn)、吸收、消化，研制成功我國(guó)自己的高水充填材料和充填設(shè)備，其性能達(dá)到或超過(guò)英國(guó)的材料和設(shè)備，它標(biāo)志著我國(guó)在沿空留巷技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平硬石膏巷旁支護(hù)在德國(guó)有大量應(yīng)用，由于留巷成本昂貴、輸送管道磨損嚴(yán)重、粉塵大，我國(guó)基本沒(méi)有應(yīng)用。

膏體材料充填沿空留巷具有較大的支護(hù)阻力，但管路輸送阻力大，對(duì)輸送泵和管路要求高，經(jīng)常發(fā)生管路堵塞的問(wèn)題；另外，膏體充填沿空留巷需要的固體材料量大，它的質(zhì)量濃度大，大于75％，固體材料至少有3種以上，即膠結(jié)料、煤矸石、粉煤灰，因此，膏體材料充填沿空留巷存在設(shè)備投資大、礦井輔助運(yùn)輸量大、攪拌均勻比較困難，上述難題對(duì)沿空留巷效果會(huì)有一定的影響柳家莊煤礦為山西凌志投資集團(tuán)的一個(gè)現(xiàn)代化礦井，是國(guó)家優(yōu)質(zhì)主焦煤生產(chǎn)基地隨著礦井產(chǎn)量和效率的不斷提高，要求成巷速度越來(lái)越快，而傳統(tǒng)的三巷掘進(jìn)方式越來(lái)越不能滿(mǎn)足采掘接替的需要，同時(shí)也造成大量焦煤資源的浪費(fèi)由于沿空留巷技術(shù)具有降低巷道掘進(jìn)率、提高煤炭采出率、減小工作面隅角瓦斯含量、實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，有必要針對(duì)柳家莊煤礦5211綜采工作面煤層、頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)等生產(chǎn)地質(zhì)條件，開(kāi)展高水充填材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)的系統(tǒng)研究對(duì)解決5#煤層回采工作面布置、保證接替、降低開(kāi)采成本等具有重要的意義，同時(shí)，對(duì)推動(dòng)沿空留巷技術(shù)發(fā)展具有重大的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值2 5211綜采工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件概述5211進(jìn)風(fēng)順槽為5211綜采工作面的進(jìn)風(fēng)順槽井下相對(duì)位置位于本礦井田5#煤層西采區(qū)北部，南為西采區(qū)三條主要運(yùn)輸、通風(fēng)巷道（西采區(qū)軌道巷、西采區(qū)皮帶巷、西采區(qū)回風(fēng)巷），北接山西東輝煤焦鄧家莊煤業(yè)有限公司實(shí)體煤層，西為本礦實(shí)體井田，東接5210已采綜采工作面。

地面標(biāo)高為+922.5~+825m，工作面標(biāo)高為+639~+660m，其工作面采掘工程平面圖見(jiàn)圖21所示圖21 5211綜采工作面采掘工程平面圖該工作面為4層煤和5層煤合采4#煤層平均厚度為1.6m，5#煤層平均厚度為1.8m，4#、5#煤層之間夾矸平均厚度為0.5m煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頂板巖性為灰色砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖；底板為砂質(zhì)泥巖、灰色砂質(zhì)泥巖煤層傾角為3°—6°，平均4°，穩(wěn)定可采，屬近水平煤層煤層厚度為1.7~2.0m，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，其煤層頂?shù)装鍘r性情況見(jiàn)表21所示表21煤層頂?shù)装迩闆r表頂?shù)装迕Q(chēng)厚度（m）巖性類(lèi)別及特征4#頂板基本頂2.4砂質(zhì)泥巖：次圓狀接觸式鈣質(zhì)膠結(jié)，含泥巖包體，均勻?qū)永碇苯禹?.6－1.0灰色砂質(zhì)泥巖：參差狀斷口，張節(jié)理不斷穿斷面，半豎硬5#底板直接頂1.5－1.8砂質(zhì)泥巖基本底10灰色砂泥巖：厚層狀，緩和波狀層理及均勻?qū)永?，半?jiān)硬5211進(jìn)風(fēng)順槽沿4#煤層頂板、5#煤層底板掘進(jìn)；巷道設(shè)計(jì)斷面為寬×高（4.5m×4.0m）遇地質(zhì)變化帶時(shí)，巷道高度適當(dāng)調(diào)整，但不得低于3.2m 5211進(jìn)風(fēng)順槽設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1282m，5211進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面頂板采用“螺紋鋼金屬錨桿＋錨索＋金屬菱形網(wǎng)＋鋼帶＋鋼托板”支護(hù)。

其錨桿采用規(guī)格：Φ20×2400 mm，配合使用2卷CK2340樹(shù)脂錨固劑，要求錨固力不低于70KN，扭力矩不小于100N?m，其錨桿間、排距為：800 mm×800 mm，間排距誤差±100 mm，呈矩形布置，頂板靠巷道兩側(cè)的錨桿向兩幫傾斜角度為80°，邊錨桿至兩幫距離均為200mm錨索采用規(guī)格：Φ15.24×6300mm的鋼絞線錨索，間排距為1600 mm×2400 mm，鋼帶采用：長(zhǎng)4400 mm，寬230 mm，厚5 mm的7眼“W”鋼帶托板中孔Φ=22 mm，厚5 mm的圓托盤(pán)配合支護(hù)，金屬菱形網(wǎng)使用6000mm×1000mm的18#鍍鋅鐵絲編制而成兩幫采用“錨桿＋鋼帶＋金屬菱形網(wǎng)＋鐵托盤(pán)”聯(lián)合支護(hù)，幫錨桿選用規(guī)格為：Φ16×1600 mm鐵制錨桿，間、排距均為800 mm×800mm，幫頂錨桿距頂板400mm，幫底錨桿距底板500mm錨桿必須與巷道兩幫成90°夾角幫錨桿支護(hù)錨固力不得小于50KN，扭力矩不小于100N.m金屬菱形網(wǎng)選用3500mm×1000mm的18#鍍鋅鐵絲編制而成網(wǎng)與網(wǎng)之間搭接要相互掛接，且搭接長(zhǎng)度不得小于200mm，然后用鉛絲把網(wǎng)與網(wǎng)搭接處固定井下觀察，5211進(jìn)風(fēng)順槽巷道開(kāi)口處向里200m左右，高度在5.0m，里面局部高度也達(dá)到5.0m左右，巷道部分地段錨桿間排距為800mm×1200mm。

由于掘巷前未考慮實(shí)施沿空留巷，支護(hù)強(qiáng)度比較低，不能滿(mǎn)足留巷要求，在實(shí)施留巷前需要對(duì)實(shí)煤體幫、頂板等進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固3 巷旁充填體作用機(jī)理與巷旁支護(hù)參數(shù)分析3.1 巷旁充填體作用機(jī)理鑒于沿空留巷頂板巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，沿空留巷圍巖變形、巷旁支護(hù)體變形以及支護(hù)體載荷的變化都與回來(lái)工作面的周期來(lái)壓有關(guān)系回采工作面后方20m范圍內(nèi)，巷道圍巖變形速度較大；當(dāng)周期來(lái)壓引起工作面后方基本頂弧形三角板失穩(wěn)時(shí)、巷道圍巖及巷旁支護(hù)體產(chǎn)生劇烈變形，支護(hù)體承受載荷也劇烈增加，這個(gè)區(qū)域一般在工作面后方20～40m范圍內(nèi)巷旁支護(hù)體控制巷道頂板、維護(hù)巷道，關(guān)鍵是要有足夠的支護(hù)強(qiáng)度及適量的可縮量，足夠的支護(hù)強(qiáng)度能夠及時(shí)切落采空區(qū)側(cè)足夠高度的頂板巖層，使更上位巖層得到采空區(qū)冒落矸石及側(cè)向煤體支撐，同時(shí)，適量的可縮量滿(mǎn)足巷旁支護(hù)體服從巖層的旋轉(zhuǎn)下沉，防止在頂板巖層旋轉(zhuǎn)下沉?xí)r破壞巷旁支護(hù)體，實(shí)現(xiàn)控頂載荷向側(cè)向煤體及采空區(qū)冒落矸石轉(zhuǎn)移因此，沿空留巷巷旁支護(hù)的作用機(jī)理為：(1) 巷旁支護(hù)體應(yīng)具有早期強(qiáng)度高、增阻速度快的力學(xué)特性，緊隨工作面構(gòu)筑，及時(shí)支護(hù)直接頂，控制巷道圍巖變形，與巷內(nèi)支護(hù)共同作用，確保巷道內(nèi)直接頂不破碎、避免與上部基本頂離層，并切斷采空區(qū)側(cè)的直接頂，減小巷旁支護(hù)體所承受的載荷。

支護(hù)體切落頂板巖層需要的支護(hù)阻力決定于巷道圍巖條件、基本頂厚度及抗拉強(qiáng)度、直接頂厚度、沿空留巷參數(shù)、工作面采高以及煤層傾角、開(kāi)采深度、巷道支護(hù)等2) 回采面的推進(jìn)，必然引起基本頂破斷、失穩(wěn)、劇烈沉降，在基本頂破斷時(shí)巷旁支護(hù)體的支護(hù)阻力應(yīng)達(dá)到切頂阻力，切斷采空區(qū)側(cè)基本頂，減小巷旁支護(hù)體載荷垮落的矸石由于破碎后體積增大，當(dāng)充填滿(mǎn)采空區(qū)時(shí)，更上位巖層在矸石及煤體的支撐作用下取得平衡，巷道圍巖變形趨于緩和并穩(wěn)定下來(lái)，所以巷旁支護(hù)體的切頂高度由采高及矸石的碎漲系數(shù)決定，并與煤層傾角有關(guān)；另外，巷旁支護(hù)體應(yīng)具有一定的可縮量，對(duì)上位巖層在取得平衡之前的急劇沉降有較好的適應(yīng)性，其大小與采高成正比，與采空區(qū)側(cè)冒落巖層的碎脹系數(shù)，殘余碎脹系數(shù)及煤層傾角等有關(guān)3) 巷道圍巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，巷旁支護(hù)體具有的支護(hù)阻力為后期支護(hù)阻力，其大小應(yīng)能夠維持巷道上方已切斷巖層的平衡，同時(shí)將巷道頂板下沉量控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，一般后期支護(hù)阻力小于切頂阻力3.2 沿空留巷力學(xué)模型的建立大量的實(shí)測(cè)表明，沿空留巷和采場(chǎng)具有相似的邊界條件、受力特征及其它一些共同屬性因而兩者的礦壓機(jī)理具有相似性，但也應(yīng)看出，沿空留巷與工作面采場(chǎng)具有不同性質(zhì)的采空區(qū)邊界，沿空留巷是固定邊界，采場(chǎng)是移動(dòng)邊界，因而，它們的巖層活動(dòng)和礦壓顯現(xiàn)方面既有某些相同性又有各自的特殊性。

一般情況下，采場(chǎng)頂板可以視為彈性薄板，支承基本頂?shù)闹苯禹敽兔簩涌梢暈閺椥越橘|(zhì)，符合Winkler彈性基礎(chǔ)假設(shè)，即P＝一Ky，式中y為基本頂巖層的豎向變形量，K為墊層系數(shù)，取決于煤層、直接頂及底板巖層的厚度和力學(xué)特性，P為作用于直接頂及煤層之上的支承壓力值，這樣在各種邊界條件下，基本頂與支承它的直接頂、煤層共同組成的力學(xué)體系可簡(jiǎn)化為Winkler彈性基礎(chǔ)上的Kirchhoff板隨著工作面的開(kāi)采和不斷推進(jìn)，在工作面下端頭處，由于該板的隅角處于直角固支狀態(tài)而產(chǎn)生的“角”效應(yīng)，使該處呈現(xiàn)弧形破壞，形成“弧形三角板”，“弧形三角板”的穩(wěn)定與否對(duì)沿空留巷影響較大，同樣，巷旁支護(hù)性能和早期支護(hù)參數(shù)要借助于“弧形三角板”結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)沿空留巷支護(hù)阻力等參數(shù)時(shí)，一般考慮其極限狀況，即以頂板達(dá)到危險(xiǎn)狀況的斷面為截面，得到彈性基礎(chǔ)梁模型隨著回采面的推進(jìn)，控頂范圍擴(kuò)大，引起下位基本頂破斷、失穩(wěn)，巷旁支護(hù)體具有的支護(hù)阻力應(yīng)使基本頂沿巷旁支護(hù)體側(cè)的彎矩達(dá)到極限彎矩，從而切斷基本頂由于巷內(nèi)支護(hù)阻力遠(yuǎn)小于巷旁支護(hù)阻力，巷內(nèi)支護(hù)阻力可忽略不計(jì)巷旁支護(hù)體與頂板相互作用的力學(xué)模型如圖31所示，以板的中間破斷線位置所作的剖面。

圖31 沿空留巷力學(xué)模型對(duì)上述模型作如下簡(jiǎn)化：在巷旁支護(hù)體切頂頂板巖層前，矸石對(duì)塊體的支撐力為零，在采空區(qū)側(cè)受到的剪力為，沿巖層方向的推力為： (3-1)式中：——煤層傾角；——巖塊的長(zhǎng)度；——巖塊單位長(zhǎng)度的自重；——巖塊的厚度；——巖塊被切斷時(shí)端的下沉量2)因采空區(qū)上方直接頂與基本頂之間的離層，以及基本頂之上軟弱巖層與更上位巖層之間的離層，認(rèn)為其間的剪力為零；(3)基本頂?shù)淖灾匮仄叫袔r層和垂直巖層方向分解成兩組力；(4)基本頂之上的軟弱巖層，均勻地加到基本頂上；(5)基本頂以煤體彈塑性交界處為旋轉(zhuǎn)軸向采空區(qū)側(cè)旋轉(zhuǎn)傾斜；(6)沿空留巷下側(cè)煤體。