大倾角急倾斜煤层自然跨落充填护巷无煤柱开采技术刘训

大倾角急倾斜煤层自然跨落充填护巷无煤柱开采技术刘训

刘训

四川开江县开丰煤矿四川达州636253

摘要：本文以开丰煤矿3121采煤工作面为工程背景，采用理论分析、数值计算分析和现场试验相结合的方法对渣子龙煤层展开大倾角急倾斜煤层自然跨落充填护巷无煤柱开采技术研究，并获得成功。

关键词：大倾角；自然跨落；无煤柱开采

1引言

开封煤矿开采中山背斜东西两翼的三叠系煤层，可采和局部可采煤层共5层，煤层倾角总体在0◦～90◦之间，其中倾角大于35◦的大倾角和急倾斜煤层的储量占整个储量的50%左右。以往在开采这类煤层时，回采巷道都是采用留设保护煤柱护巷，巷内采用工字钢梯形棚支护，其结果是造成煤炭损失量大，巷道变形量大，吨煤掘进和支护的成本高，采掘接替紧张。为此，开封煤矿相关工程技术人员对该矿井展开大倾角急倾斜煤层自然跨落充填护巷无煤柱开采技术研究。

2开封煤矿煤层顶板活动特点

(1)工作面直接顶的垮落和老顶的周期来压在工作面倾斜方向的上、中、下部不同步，实验与现场实测表明，在一般情况下，工作面倾斜中上部先垮落或先周期来压，倾斜下部滞后于上部；沿倾斜上方的直接顶垮落后，会沿工作面倾斜方向滚(滑)动，最后堆积于工作面下部；工作面顶板的运移不对称，在工作面倾斜中上方较大，下方较小；工作面倾斜上部岩层的破坏方式表现为拉剪破坏，在下部表现为压剪破坏。

(2)上覆岩层的运移是一个空间问题，包括了上覆岩层垂直于层面的弯曲下沉、破断、回转，还包括沿工作面倾斜方向和垂直于工作面倾斜方向的运移；在破断之前主要表现为弯曲下沉，在破断之后主要表现为沿工作面倾斜方向的滚(滑)动。

(3)工作面开采具有初次来压和周期来压现象，初次来压和周期来压强度(显现程度)取决于顶板岩层中“主承载结构”(采场空间上覆未破坏的“似壳结构”与破坏的“倾斜砌体结构”的总称，是大倾角煤层采场特有的结构)的岩性、厚度(组合厚度)、上覆岩层荷载、“结构”极限稳定跨距以及“主承载结构”形成的层位(距煤层的距离)等。与缓倾斜煤层开采时相比，在顶板条件相同时，老顶来压的步距较大，持续时间较长，但来压强度较同样岩性及生产技术条件下的缓倾斜煤层要小。

3煤层顶板稳定性分析

3.1直接顶稳定性分析

由于大倾角、急倾斜煤层直接顶冒落沿倾斜方向是由上往下发展，采空区中上部冒落的直接顶矸石沿底板下滑，将采空区下部充填饱满，因此采空区下部的直接顶不会冒落，虽断裂但会受矸石的支承作用而处于稳定状态。对巷道上帮而言支护理念和原则是护而不是支，更不是切顶，只要能防治采空区的矸石不串入巷道内就行了。

对于巷道内的直接顶板，由于原生结构面和矿压裂隙的影响，可能造成离层和冒落，因此这部分直接顶的载荷应由支护物全部承担，其支护理念和原则是维持直接顶的完整性，尽量减少直接顶之间和直接顶与老顶之间的离层，使直接顶与老顶同步运动，因此应支、护并重，最好采用主动的联合的支护方式。

3.2老顶稳定性分析

随着采空区下部矸石的逐渐压实，老顶岩梁以下帮煤壁附近为支承点发生弯曲、折断，并向采空区方向回转下沉。由于采空区被矸石充填饱满，而矸石的初始碎胀系数只有1.3左右，因此老顶断裂岩梁在采空区一端的下沉量最多只是采高的30%，按相似三角形原理，在巷道高帮处的顶板下沉量会小许多，若老顶断裂岩梁的跨度越大则巷道高帮处的顶板下沉量会越小。因此煤层倾角越大、采高越小、老顶越厚、老顶强度越高、沿空留巷的顶板下沉量越小。

老顶岩梁在下帮煤壁附近断裂后，因岩层的下滑分力随倾角增大而增大，在断裂面上岩梁的倾斜推力比同样顶板条件下的缓斜和近水平煤层要大许多，而断裂面上岩梁的法向下滑分力却比同样顶板条件下的缓斜和近水平煤层要小许多。按剪切失稳分析老顶岩梁断裂后的稳定性，则稳定性系数为：

K=TtanФ/R

式中：

K—老顶岩梁断裂后的稳定性系数；

T—在断裂面上岩梁沿倾斜方向的推力；

R—在断裂面上岩梁沿岩层法向的下滑力；

Ф—断裂面摩擦角。

由上分析可见，大倾角、急倾斜煤层在沿空留巷条件下老顶岩梁的稳定性远远高于缓斜和近水平煤层。因此对老顶稳定性的控制理念和原则是，可以不考虑支护物对老顶的作用。但因顶板的倾斜分力较大，下帮煤体的应力集中程度较大，应加强对下帮煤壁的支撑，防治片帮并尽量减小煤体破碎带的宽度。

43121采煤工作面沿空留巷围岩控制方法

技术公关小组提出了3121工作面沿空留巷的5种控制方案，并用UDEC离散元程序对每种围岩控制方案进行数值分析，计算了巷道的破坏变形量及巷道围岩的应力分布情况，通过对比分析选出最佳围岩控制方案及相应的支护选型和支护参数。

巷内采用锚网索（杆）加工字钢联合支护，巷旁采用单排密集废旧钢轨支柱挡矸，采空区矸石自然跨落充填的护巷方式，具体尺寸位置如下图所示：

图3.5方案五巷旁支护方案示意图

5结语

（1）通过对大倾角、急倾斜煤层顶板活动特点的分析，得出倾斜中上部的直接顶跨落后会自然下滑将采空区下部空间充填饱满，采空区下部直接顶不会冒落只能是大块度断裂后在充填矸石支承下取得平衡。

（2）随着采空区下部矸石的逐渐压实，老顶岩梁会在下帮煤壁附近断裂而回转下沉，但回转下沉量比缓斜、近水平煤层小许多，它取决于采高、矸石初始碎胀系数以及老顶断裂岩梁的长度，采高越大、矸石初始碎胀系数越大以及老顶断裂岩梁的长度越短，则老顶回转下沉量越大，沿空留巷的顶板下沉量越大，这是一个给定变形量。

（3）由于原生结构面和矿压裂隙的影响，在沿空留巷控顶区的范围内直接顶的完整性受到了较大破坏，这部分直接顶可能产生离层和冒落，因此这部分直接顶载荷应由支护物全部承担。

（4）随着岩层倾角增大，顶板的倾斜分力增大、法向分力减小，老顶在下帮煤壁附近断裂后，在断裂面上的摩擦阻力增大、剪力减小，老顶断裂岩梁易于取得平衡，其稳定性系数远远大于相同顶板条件下的缓斜和近水平煤层顶板。

（5）经现场试验和矿压观测得到-1113（21）工作面沿空留巷顶底板的平均最大移近量为160mm，两帮平均最大移近量为450mm，锚索平均最大受力为7.3MPa，直接顶下位2m范围内平均总的离层量为5mm，工作面前方40m以远没有明显的矿压显现，工作面后方0~100m范围内为沿空留巷围岩的明显活动区，工作面后方100m以后沿空留巷围岩活动趋于稳定。这些观测结果说明大倾角、急倾斜煤层自然跨落充填护巷无煤柱开采技术在铁山南煤矿-1113（21）工作面取得圆满成功，所设计的支护型式及支护参数是合理的。

参考文献：

[1]复合顶板切顶缷压自动成巷超前补强支护方式选择[J].张龙辉.山东煤炭科技.2018(02)

[2]深部中厚煤层切顶留巷围岩变形规律与控制研究[J].马资敏,等.煤炭科学技术.2018(02)

[3]无煤柱自成巷聚能切缝技术研究[J].刘晨康,杨晓杰,王二雨,于美鲁,张家宾.煤炭技术.2018(02)

作者简介

刘训（1986-10-16），男，汉族，籍贯：四川省达州市渠县，学历：本科，专业：采矿工程