高河矿E1302综放工作面柔模支护沿空留巷设计.docx

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高河矿E1302综放工作面柔模支护沿空留巷设计

※※※※※※※※※※※※※※※※※※※潞安矿区柔模支护完全开采技术应用研究※

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高河矿E1302综放工作

面柔模支护沿空留巷设计

山西潞安环保能源开发股份有限公司

西安科技大学

二O一三年五月

1概述

柔模泵注混凝土沿空留巷就是紧跟工作面回采，在工作面端头支护效应消失前，在支架或单体支柱掩护及支撑下，将可调凝调强自密实混凝土泵入一次性柔性模板内，在采空区与顺槽之间砌筑一道密闭的柔模混凝土连续墙，弥补回采造成的巷道一帮的缺失，与原有巷道内的支护形成一个整体，共同承担回采动压及其它的巷道压力，维护巷道稳定，并隔绝瓦斯等有害气体，防止采空区自然发火，以便该巷用于下一个工作面回采。

1.1立项背景

（1）中国能源结构的需要

《煤炭工业发展“十二五”规划》中指出：

我国是世界第一产煤大国，同时煤炭又是我国的主体能源，在一次能源结构中占70%左右，在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。

1989~2011年我国煤炭在能源生产和消费中的比重分别见图1.1和1.2。

图1.1中国煤炭在能源生产中的比重图1.2中国煤炭在能源消费中的比重

《中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究》中提出2030年和2050年控制能源总需求45~50亿吨和50~60亿吨标准煤的建议，到那时煤炭在中国能源结构中的比例仍占半壁江山。

煤炭比石油、天然气更具有资源优势，可以主要立足于国内，煤炭作为能源的投资强度低，周期较短，效率较高，是最为易得的大规模一次能源。

由此可知，煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。

（2）煤炭行业政策导向的需要

《国家煤炭科技“十二五”规划》发展目标明确提出，到2015年，产、学、研结合的煤炭工业技术创新体系基本建成，科技进步成为煤炭产业提升生产力水平和市场核心竞争能力的主要因素，全行业科学技术对经济发展贡献率达到45%以上。

山西潞安环保能源开发股份有限公司是山西省煤炭企业中唯一一个高新技术企业，对高新技术的开发和推广责无旁贷。

《国家煤炭科技“十二五”规划》明确提出，十二五的主要任务之一就是研究沿空留巷支护材料、支护设备、巷旁充填材料及设备，潞安矿区深受瓦斯和和低回收率问题困扰，采用先进的柔模泵注混凝土沿空留巷技术，实现工作面Y型通风和无煤柱开采，从本质上解决发展中存在的问题。

2012年山西省煤炭工业厅印发的《山西省煤矿五个标准》规定，现代化矿井坚持开发与保护并重的原则，合理确定开采顺序，不断优化矿井开采和采区设计，科学合理开发煤炭资源。

对稀缺和特殊煤种实行保护性开发。

积极推广采煤新工艺、新技术，积极探索应用无煤柱开采、小煤柱开采、充填式开采和沿空留巷技术。

（3）煤矿安全生产的需要

中国煤炭资源总量5.57万亿t，其中埋深在1000米以下的为2.95万亿t，占煤炭资源总量的53%，而深部开采又是我国煤矿安全事故的重灾区。

我国煤矿地质条件复杂，瓦斯含量高，水害严重，开采难度大。

我国现有生产矿井只有1/3符合安全先进矿井生产条件；1/3的煤矿有可能经过重组和技术改造，形成安全高效生产能力；其余有1/3矿井实际达不到安全生产条件，基本没有改造成安全高效矿井的条件。

经过几十年的不懈努力，我国煤矿每年发生灾害的次数及因灾死亡人数都在不断下降，但每年发生的矿井灾害仍然不断，2012年中国煤炭总产量36.5亿吨，百万吨死亡率仍高达0.374，是美国的10倍，安全生产形势严峻。

中国煤矿历年百万吨死亡率统计见图1.3。

图1.3中国煤矿历年百万吨死亡率

（4）煤炭完全开采的需要

美国、澳大利亚、德国和加拿大等发达国家，煤炭资源回收率能达到80％左右，他们每采1吨煤只消耗1.2~1.3吨资源。

平均而言，中国的煤炭回收率只有30％，不到国际先进水平的一半。

据《2007中国能源发展报告》蓝皮书数据，中国在1980~2000年的20年间，煤炭资源就浪费了280亿吨，这20年间浪费的煤炭资源可以保证中国2001~2018年间全国的煤炭供应。

因此，中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。

我国煤炭人均可采储量少，仅为世界的三分之二；开发规模大，储采比不足世界平均水平的三分之一；资源回采率低，部分大矿采肥丢瘦、小矿乱采滥挖，资源破坏浪费严重；消费量大，约占世界的48%。

资源开发和利用方式难以支撑经济社会长远发展。

针对煤炭资源低回收率问题，在多年科学研究及工程实践的基础上，西安科技大学王晓利教授于2012年正式提出了“中国煤炭柔模支护完全开采”的理念和配套技术。

柔模支护完全开采的本质就是以柔模支护技术为手段，把地下有限的煤炭资源全部开采出来，更好地造福子孙后代。

“中国煤炭柔模支护完全开采”的技术体系见图1.4。

本课题属“中国煤炭柔模支护完全开采技术”的一个子课题。

图1.4中国煤炭柔模支护完全开采技术体系

（5）高河煤矿科学开采的需要

瓦斯问题严重制约着高河煤矿的快速发展。

为了解决瓦斯问题，回采工作面采用双U型通风方式，一个工作面需要布置4条煤巷顺槽，加上开切眼共计5条，掘进工程量大，潜在掘进安全问题突出；每个回采工作面布置5条煤巷，掘进量大，吨煤成本高；由于掘进量大，导致矿井采掘接续紧张；双U型通风方式仍然没有从根本上解决了上隅角瓦斯超限问题，回采推进度慢，日平均推进度为3m，严重制约着矿井的高产高效。

低回收率问题严重制约着高河煤矿的可持续发展。

双U型通风方式使每个回采工作面至少浪费掉50m煤柱，工作面长度按照200m计算，回收率不足80%，严重消耗着矿井的可采储量，矿井服务年限至少缩短1/5的服务年限，不利于矿井的可持续发展。

基于上述背景，研究决定在高河煤矿进行“综放工作面柔模支护沿空留巷Y型通风研究”，从根源上解决高河煤矿生产发展中遇到的重大科学与工程技术问题。

项目的成功实施可以为潞安集团的科学发展提供技术支撑。

1.2沿空留巷的意义

柔模混凝土沿空留巷的技术、经济和社会效益如下：

（1）少掘巷道，降低巷道掘进率，缓解矿井采掘矛盾。

高河煤矿采用沿空留巷技术以后，除采区首采面以外，后续每个回采工作面只需要掘进1条顺槽。

回采工作面万吨掘进由双U型通风时的23.8m，降低到Y型通风时的5.95m，万吨巷道掘进率直降75%，有力缓解矿井的采掘接续矛盾。

（2）取消区段护巷煤柱，提高煤炭资源回收率，延长矿井服务年限。

每个回采工作面可以减少50m区段护巷煤柱，煤炭资源回收率提高20%，相当于为矿井增加了1/5的可采储量，延长了矿井的服务年限。

（3）改善矿井安全生产条件。

回采工作面采用Y型通风方式代替目前的双U型通风，解决了U型通风工作面上隅角瓦斯积聚超限难题，实现了工作面回风流瓦斯浓度降至1%以下，为杜绝煤矿瓦斯爆炸事故创造了前提条件；回采巷道掘进率降低75%，从根源上降低了瓦斯爆炸事故的几率。

（4）改善矿井生产技术条件，变跳采为连续开采，有利于生产的集中化。

（5）实现无煤柱开采，没有煤柱影响区的应力集中，煤与瓦斯突出危险威胁消除，被保护层巷道维护容易。

煤柱护巷和无煤柱护巷保护层开采卸压范围见图1.5和1.6。

（6）Y型通风条件下，采空区内的热量通过沿空巷道直接进入外U回风巷；机电设备和机械等产生的热量，通过进风流带入沿空巷道进入到外U回风巷；两巷进风，工作面人员全部位于进风流，作业环境大大改善。

（7）留巷埋管瓦斯抽放代替了高位钻孔抽放和顶底板的高、低抽放岩巷，少掘岩巷效益更加显著。

（8）留巷埋管抽放的高浓度卸压瓦斯可以直接在地面用来燃烧、发电等，降低空气中的有害气体浓度，即实现了节能减排。

图1.5煤柱护巷保护层卸压范围图1.6无煤柱护巷保护层卸压范围

1.3沿空留巷国内外研究现状

1.3.1沿空留巷围岩活动规律研究现状

中国矿业大学陆士良在实测基础上，提出了沿空留巷顶板下沉量主要取决于“裂隙带岩层取得平衡前的强烈沉降”的观点。

煤炭科学研究院朱德仁提出了长壁工作面端头顶板可能形成“三角形悬板”结构的观点，建立的采场顶板结构力学模型为后人研究沿空留巷矿压规律提供了研究思路。

安徽理工大学何廷峻根据MARCUS板的简化计算法，把“三角形悬板”看成由若干伪倾斜条梁组成的板，尝试预测三角形悬顶在沿空留巷中破断的位置和时间，为确定滞后工作面临时加强支护的范围和时间提供了依据。

中国矿业大学漆泰岳应用弹性基础梁理论和数值模拟方法证明，沿空留巷的老顶断裂不会发生在靠巷道煤帮侧的边沿的上方，而是在煤层内的上方，老顶断裂深度随围岩级类的提高而加大；煤层和直接顶的刚度对护巷带的稳定性影响较大，刚度越大护巷带切顶效果越好，为本文研究留巷支护与围岩刚度匹配关系提供了启示。

安徽理工大学涂敏运用Winker弹性地基理论，把沿空留巷上方顶板看成弹性薄板条，建立了顶板运动力学模型，导出了顶板挠曲运动方程，分析了顶板内应力分布的特征。

中国矿业大学孙恒虎通过相似材料立体模型试验，提出并讨论了支护前期作用和后期作用问题，指出支护前期作用对控制顶板下沉的效果是显著的，而对控制顶板平移下沉的效果不明显。

前期支护应坚持以顶为主，“顶、让兼顾”的支护原则。

设计支护最大载荷以前期为主。

后期支护应坚持以让为主，“让、顶兼顾”的支护原则。

设计支护最大变形以后期为主。

上述论断对我国后来的沿空留巷支护设计起到了指导性作用。

河南理工大学李化敏认为巷旁支护不能改变老顶“大结构”的形态，只需保持直接顶的完整和与老顶的紧贴，不能改变顶板岩层过渡期活动时顶板下沉量的大小，也不能约束顶板岩层后期活动而引起的平行下沉。

明确了顶板岩层运动各阶段巷旁支护的作用，根据巷旁支护与顶板相互作用原理，确定了各阶段沿空留巷巷旁充填体支护阻力的控制设计原则，并建立了相应的支护阻力及合理压缩量数学模型。

湖南科技大学王卫军根据砌体梁理论，应用能量原理分析了巷道围岩的变形机理，建立了巷道顶煤的力学模型，运用变分法对老顶给定变形下顶煤的变形进行了初步求解，并对顶煤下沉量与支护阻力、煤体弹性模量、巷道宽度的关系进行了探讨，所得结论对本文研究提供了启示。

中国矿业大学谢文兵在工程实践基础上，采用UDEC离散元软件建立了相应的数值分析模型，详细分析了沿空留巷的围岩运动规律。

研究结果表明，在保证顶煤及顶板稳定的前提下，合理利用围岩运动规律，确定合理的充填方式和充填体强度，既能保证充填体稳定，又能达到很好的留巷效果。

安徽理工大学华心祝建立了考虑巷帮煤体承载作用和巷旁锚索加强作用的沿空留巷力学模型，分析了巷内锚杆支护和巷旁锚索加强支护作用机理，该研究成果为沿空留巷支护设计提供了有力的理论支撑。

湖南科技大学朱川曲建立了综放沿空留巷支护结构可靠性分析模型，认为通过合理选择锚杆支护类型、加大锚杆支护密度、改善锚固体及充填材料力学性能等措施，可提高综放沿空留巷支护结构的可靠性。

重庆大学唐建新论述了在锚网主动支护条件下顶板离层与顶板变形形态的关系，阐述了沿空留巷顶板离层机理。

中国矿业大学柏建彪采用数值模拟分析了巷内支护与围岩变形、应力分布的关系，揭示了沿空留巷巷内支护机理：

采用高阻让压支护，提高沿空留巷围岩承载能力和抗变形能力，适应沿空留巷阶段性围岩大变形与应力调整。

煤炭科学研究院康红普基于数值模拟与井下试验研究成果，分析巷内基本支护、加强支护与巷旁支护的相互关系，指出深部沿空留巷在顶板断裂位置、老顶回转及围岩长期蠕变等方面与浅部留巷有很大区别，并提出深部沿空留巷支护设计原则，为深部开采条件下的沿空留巷提供了借鉴。

中国矿业大学阚甲广采用理论分析、三维数值模拟计算、物理模拟实验和工业性试验相结合的方法，系统研究了三种典型顶板条件下的巷旁充填体支护阻力、顶板垮落规律与变形特征和围岩应力演化规律，提出沿空留巷“三位一体”围岩强化控制技术，研究成果深化了人们对沿空留巷顶板活动规律的认识，但是所得公式理论性较强，可操作性差。