沿空留巷技术与工程案例

154307轨道巷
回风 联络巷
980m 154307回风巷
四
四
四
盘
盘
盘
区
区
区
回
皮
轨
停
风
带
道
采
巷
巷
巷
线
41
2）154307工作面沿空留巷工艺
补强支护
监控监测 辅助强化
后期强化
100m 154307工作面
巷旁充填
42
3）沿空留巷围岩控制关键技术
形成了厚层坚硬顶板直覆条件下沿空留巷围岩稳定性控制关键技术：
10
10
沿空留巷区域
2 应力优化及控制
11
2.1 沿空留巷顶板运动特征的物理模拟
1）岩层赋存条件变化对顶板运动的影响
13m 厚直接顶一层顶板垮
19m 薄直接顶一层顶板垮
14m 基本顶直覆裂隙初现
22m 厚直接顶二层顶板垮
25m 薄直接顶二层顶板垮
30m 基本顶直覆裂隙发育
12
2.1 沿空留巷顶板运动特征的物理模拟
2.54
21.20
6.81
50.07
4.55
26.14
14.61
4.63
24.80
6.20
21.30
37.59 10.11
22.90
2.00
41.82
30.50
2.78
我国煤炭采出率仅为30%~40%，其中，煤柱损失所占比重最大； 无煤柱开采可提高资源回收率15%以上。
6
2）矿井采掘规划与采区开拓开采布局的革命
1）岩层赋存条件变化对顶板运动的影响
顶板前 期跨落
特点
厚层直接顶：顶板垮落最及时— —强度低、自重大； 薄层直接顶：顶板垮落稍滞后— —强度底、自重较小； 基本顶直覆：悬而不垮，悬臂最 长——强度高。
13
2.1 沿空留巷顶板运动特征的物理模拟
1）岩层赋存条件变化对顶板运动的影响
顶板中期跨落特点： 厚层直接：垮落及时、采空区充填充分； 薄层直接：垮落滞后、采空区充填较充分； 基本顶直覆：悬臂过长，垮落突然、关键块 体旋转角大。
25
悬臂长度适中时
坚硬 顶板
块体A
煤体 直接底
实体煤
θ2
预
块体B
裂
线
块体C
留巷
墙体
采空区
岩梁拱结构平衡
块体C下沉，块体B同步旋转下沉； C下沉充分，B在断裂面与C接触，C成为B的垫层； C给予B支撑力，缓解B的旋转力——卸压效果明显！
26
2）非坚硬特厚顶板
l
块体C
块体B h
岩体A
直 接 顶 煤
采空区
自移式留巷辅助加强支架的结构及布置形式
自移式留巷辅助加强 支架采用类似液压支架 的结构，由立柱支撑顶 梁和底座，用四连杆机 构增强支架的抗扭性。
采用相邻的前后两架 由伸缩梁和推移千斤顶 连接的方式，对前、后 架进行相互推拉自移行 走。
机尾端头综合机械化支护方案
37
4 典型工程案例
38
4 典型工程案例
B(2x0 2w B)
块体破断下沉，存在短时分离阶段—墙体载荷最大（前期）； 最大载荷要小于墙体承载极限（初强）； 悬臂长度不能过大，有上限。
24
悬臂长度偏小时
坚硬 顶板
块体A
煤体 直接底
实体煤
θ2 预
块体B 裂 线
θ2' 块体C
留巷
墙体
采空区
岩梁拱结构平衡
块体C下部无约束，首先下沉； B悬臂小，下沉慢，后期下沉； C在断裂面与B接触，形成拱的结构； C向B施加压力，并通过B传递到巷道——卸压不充分！
沿空留巷技术与工程案例
1
目录
无煤柱开采的工程技术背景 留巷区域的应力优化及控制 沿空留巷围岩稳定控制技术 几种典型顶板条件下的案例 结束语
2
1 工程技术背景
3
1.1 高效、安全、科学开采。。。。。。
合理开发：加强煤炭资源勘探，统筹规划； 节约资源：切实提高煤炭资源回收率； 保护环境：推行清洁生产和综合利用，减少煤炭
17
2）小结
无论何种顶板条件，工作面开采均会造成留巷周围支 承应力升高，这是造成巷道围岩变形失稳的直接诱因。
随工作面推进，采动应力不断调整，加快了围岩破坏 速度。
采动应力调整阶段，支承应力集中系数随直接顶厚度 的减小而增大，支承应力极值位置随直接顶厚度的减 小而远离工作面 。
减缓支承应力集中是控制留巷围岩变形的基本前提。
材料具备一定可压缩性，残 余强度可达极限抗压强度的 70%~85%.
充填材料性能测试
测试时间 1d后 3d后 7d后 28d后
抗压强度(MPa)
4~ 7 12 ~ 16 16 ~ 22
> 30
35
3.5 巷内——辅助加强支护技术
辅助加强巷道辅助支撑
辅助支架实照
自移式主动强力巷内控顶支架 36
3.5 巷内——辅助加强支护技术
高承载性能的巷旁充填 墙体支护。
基于锚杆支护的“三位一体”的留巷支护技术，突 破了德国依赖于重型U型钢支护的技术
33
3.3 巷道基本支护：“三高”锚杆
高预拉力
改善围岩应力，消除顶 板离层，减小松散变形
1
支护载荷/MPa
三 高
高强度
适应动压大变形的特点
5
高刚度
加强抗变形能力，高增 阻限制变形的工作状况
充填体 巷道
P（m a+
b 2
+x0）
1 2
m i 1
ihi (a+b+x0
i 1
hj
j0
tan j )2
m i 1
FDi (a+b+x0
i 1
hj
j0
tan j )
Mpm
m
MAi
x0 0
y
( x0
x)dx
i1
工作面回采后，块体B参与上覆岩层移动的全过程：
①其运动程度越大，下部岩体所受采动影响越剧烈；
v,mm/d
第Ⅰ阶段：掘进及掘后稳定阶段 第Ⅱ阶段：应力调整阶段 第Ⅲ阶段：采空区稳定后的阶段
s，m
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
沿空留巷围岩变形速度基本特征全过程曲线
29
2.5 小结
在适宜的时间，以合适的方式，在顶板关键 位置预裂，调整其破断形式，优化其结构状态， 加快顶板破断、回转速度，缩短采动应力作用时 间，降低支承应力集中程度，实现留巷区域应力 场分布的优化；缩短顶板岩层的运动周期、减少 采动对留巷的作用时间，为沿空留巷无煤柱连续 开采创造有利的应力环境。
30
3 留巷围岩控制技术
31
3.1留巷围岩稳定支护原理：“三个强化”
➢围岩强度强化：支护承载区注浆加固； ➢围岩结构强化：需要加强的结构区域； ➢支护性能强化：锚杆和U型钢的主动
支护能力加强。
32
3.2 结构稳定方法：“三位一体”
抗顶板剪切回转的锚杆 主动支护；
采动应力调整期间的巷 内自移辅助加强支护；
➢ 第一项：沿空留巷专项超前预裂爆破切顶技术
卸压
➢ 第二项：高系统刚度的主动控制技术 ➢ 第三项：顶底变形互控稳定技术
②其尺寸越大，受采动剧烈影响的岩体范围越大；
③其尺寸越大，留巷围岩所承受附加应力越大。
27
2）非坚硬特厚顶板
铰接结构
复式铰接结构
28
巷道围岩的稳定性主要取决于围岩强度、应力状况及支护 与围岩的相互作用。沿空留巷围岩应力状态不能简单地描述为 低值应力区，实际上其围岩赋存状况和应力状态明显不同于其 它开采条件下的煤巷，并从根本上决定着留巷围岩的稳定性。
min
q1L2
2q1 (s
a
b
lmax )2 4[q1L(s 2(2s 2a b)b
a
b
lmax )-M
-M
']
悬臂对留巷区域应力影响： ①高支承压力 ②长时作用力 ③长距离、大面积坚硬特厚顶板断裂对墙体的冲击破坏
20
1）坚硬特厚直覆顶板
随悬臂长度增加， 墙体所承受支承压 力急剧增大，最大 达40MPa，为无悬 臂状态的4倍，且远 远超出巷旁充填材 料的抗压强度范围。
10m 时 的 1.82 倍 和 20m 时 的 1.11 倍 。
顶底板位移
两帮位移
减小悬臂长度最大可降低56% 巷 道 变 形 量 ， 控 制 在 0~10m ， 悬臂对变形影响程度趋缓。
22
1）坚硬特厚直覆顶板
长悬臂-铰接结构
短悬臂-铰接结构
23
2.4 沿空留巷坚硬顶板卸压稳定机制
ihi L3
砂质泥岩，3m
厚层坚硬 顶板直覆
K2石灰岩，平均9.94m
15#煤（1.8~2.3m），平均2.2m 泥岩，1.3m 铝质泥岩，6.7m
1）凤凰山矿154307工作面地质条件
40
1）凤凰山矿154307工作面地质条件
北
154307综采工作面布置图
154307运输巷
154307 工作面 176m
沿空留巷
4
3
帮部桁架（锚杆梁）支护结构及配件
2
顶板锚索梁支护承载结构
o
变形量/mm
支护阻力与围岩变形关系图
刚性托盘、刚性网、刚性钢带，通过高强锚杆达到 主动临界支撑力，实现系统高增阻特性。
34
3.4 巷旁——充填材料与充填技术
应力应变曲线测试
新拌混合料塌落度可达 200~250mm ， 水 平 泵 送 距 离 可 达 800m ， 泵 送 入 模 后 自密实；
15
2）小结
上覆顶板的运动过程决定下部留巷工程的稳定性， 是影响沿空留巷围岩稳定的根本诱因。
随直接顶厚度的降低，基本顶破断位置不断靠近 充填体，充填体破坏程度依次增加。
基本顶回转角、顶板垮落角随直接顶厚度减小而 增大，基本顶回转角、顶板垮落角越大，对留巷 围岩破坏越严重。
改善顶板运动状态，是优化留巷区域应力状态， 维护留巷稳定的治本之策。
16
2.2 沿空留巷围岩应力演化特征
1）岩层赋存条件变化对顶板应力的影响
煤层上方10m应力分布特点： 侧向应力分布存在“双峰应力”:侧向支承应力和 墙体上集中应力； 侧向支承应力：直接顶越薄，应力集中系数越大， 基本顶直覆时最大； 墙上集中应力：同样如此，说明基本顶的施载效应 随着直接顶的减小而增强。
Goaf
煤
首采
第
第
层
面
一
二
Goaf
接
接
替
替
面
面
采空区
采空区
双巷或多巷布置
来自百度文库
沿空留巷及顺序开采
减少回采巷道掘进工程量20%~80%；
实现连续开采，避免跳采、孤岛工作面和区域应力集中。
7
3）消除煤柱应力集中、防止采动地质灾害
应力集中区 卸压保护区
应力集中区
留煤柱护巷对上下采掘工程影响
降低应力集中程度，利于周围采掘工程的稳定； 消除因留设煤柱诱发的冲击地压。
5
1.3 无煤柱连续开采是一种重要的科学采矿模式
1）提高采出率的最有效途径之一
矿区
大同 阳泉 西山 平顶山 澄合
部分矿区采区煤炭损失构成情况
采 区 煤 炭 损 失 构 成 分 类 及 比 重（%）
煤柱损失 落煤损失 厚度损失 地质损失 其他
54.59
3.93
21.15
13.50
6.83
63.82
5.53
开采利用对生态环境的影响。
4
1.2 提高资源回收率是科学采矿的技术发展方向之一
据《2007中国能源发展报告》 蓝 皮书，中国在1980年～2000年的 20年间，资源就浪费了280亿吨， 我国煤炭资源因开采不充分造成 的不合理损失量比重很大，绝对 量很高。
美国、澳大利亚、德国、加拿大等发达国家，资源回收率能 达到80％左右，他们每采1吨煤只消耗1.2吨～1.3吨资源。
14
1）岩层赋存条件变化对顶板运动的影响
厚直接顶回采结束
薄直接顶回采结束
基本顶直覆回采结束
顶板后期跨落特点：
顶板 条件
基本顶 破断位置
厚层直接顶 充填体外5m
薄层直接顶 充填体外3m
基本顶直覆 充填体边缘
周期来压 步距 18m 20m 33m
顶板 旋转角
6° 16° 21°
沿空留巷 来压强度
缓和 较强 强烈
8
4）是实现煤气共采的科学方式之一
Y型通风方式 消除上隅角瓦斯超限 问题 实现煤气共采
无煤柱沿空留巷
9
5）无煤柱沿空留巷的分类
按采煤工艺（煤层厚度）：炮采、普采、综采、综放
按煤层倾角：近水平，缓倾斜、倾斜 按工作面推进方式：走向（上顺槽、下顺槽）、倾斜
按断面大小：小断面（8m2以下）、大断面（留巷8m2以上） 按墙体材料：木垛、密集支柱、矸石、高水材料、砼 按充填墙体的位置：原位、半原位、巷内 按巷道的初始支护形式：被动支护（架棚）、主动支护（锚杆类）
应力/MPa
40 35 30 25 20 15 10
5 0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 悬臂长度/m
21
1）坚硬特厚直覆顶板
悬臂长度增加，巷道变形递增； 最大悬顶状态，帮部变形为悬臂
10m 时 的 2.28 倍 和 20m 时 的 1.25 倍 ； 最大悬顶状态，顶板变形为悬臂
4.1 晋城凤凰山矿沿空留巷：厚层坚硬顶板直接覆盖 4.2 淮北朱庄矿沿空留巷：巨厚特硬顶板直接覆盖 4.3 铁法小青矿沿空留巷：薄层直接顶条件 4.4 华晋沙曲矿沿空留巷：特厚直接顶条件 4.5 汾西中兴矿沿空留巷：厚层复合顶板条件 4.6 华晋沙曲矿沿空留巷：4.2m大采高条件
39
4.1 晋城凤凰山矿沿空留巷：厚层坚硬顶板直接覆盖
18
2.3 沿空留巷区域应力优化原理
K2γH
γ墙H 体应力集中与k2γ直H 接顶板厚度的关系K？2'γH
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
θ2
预
悬坚臂硬顶越板小越块体有A 利吗？
裂 线
块体B
煤体 直接底
实体煤
留巷
墙体
采空区
块体C
块体B：转角大、来压强； 墙体支撑力不足以控制顶板活动； 悬臂对墙体载荷有决定性影响。
19
1）坚硬特厚直覆顶板