阅读说明：本技术 一种大倾角煤层沿空留巷柔性护巷方法 (Large-dip-angle coal seam gob-side entry retaining flexible entry protection method ) 是由 唐建新 王艳磊 袁芳 孔令锐 李成 候阳阳 王育林 张择靖 李伟 李霜 于 2020-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大倾角煤层沿空留巷柔性护巷方法,具体是在工作面下端头采用炮掘的方式沿工作面走向方向施工长度为5～10m,宽度为3～5m的超前槽,在超前槽内通过顶底板固定锚杆布置特制钢筋网形成柔性结构,对采空区垮落下滑的矸石进行拦截包裹,形成以矸石为骨料的巷旁支护体,巷旁支护体与巷内锚网索联合支护共同作用维护留巷围岩稳定性。本发明的一种大倾角煤层沿空留巷柔性护巷方法,具有对工作面生产影响小,留巷成本低,工艺简单,留巷速度快的特点。(The invention discloses a gob-side entry retaining flexible entry retaining method for a large-dip-angle coal seam, which is characterized in that an advance groove with the length of 5-10 m and the width of 3-5 m is constructed at the lower end of a working face in the moving direction of the working face in a blasting excavation mode, a specially-made steel bar net is arranged in the advance groove through fixing an anchor rod on a top bottom plate to form a flexible structure, gangue falling down from a goaf is intercepted and wrapped to form a roadside support body taking the gangue as an aggregate, and the roadside support body and an in-lane anchor net cable jointly support the retaining surrounding rock to maintain the stability. The gob-side entry retaining flexible entry retaining method for the coal seam with the large inclination angle has the characteristics of small influence on the production of a working face, low entry retaining cost, simple process and high entry retaining speed.)

一种大倾角煤层沿空留巷柔性护巷方法

技术领域

本发明属于沿空留巷巷旁支护技术领域，具体涉及一种大倾角煤层沿空留巷柔性护巷方法。

技术背景

沿空留巷是在工作面开采后沿采空区边缘维护原回采巷道的一项技术。采用沿空留巷技术可以防治矿井因煤柱留设导致的矿井灾害，同时提高煤炭回采率、降低巷道掘进率、降低吨煤成本、缓解采掘接替紧张的矛盾。

我国煤炭资源开采条件复杂，大倾角(35°～55°)煤层煤炭产量约占全国煤炭总产量的10％左右。近年来，随着沿空留巷技术在近水平和缓倾斜煤层开采中的应用不断成熟，国内部分矿井也逐渐将沿空留巷技术应用于大倾角煤层开采。目前，国内沿空留巷巷旁支护技术通常有：矸石充填、混凝土砌块、密集支柱、膏体充填、高水充填和强制切顶等。如：发明专利CN111173511A公开了一种沿空留巷切顶方法，该技术采用定向钻机在基本顶上方布置锯线，利用线锯机带动锯线对直接顶、基本顶进行切割，当锯线穿透直接顶、基本顶后即完成沿空留巷切顶工艺。但该方法仅针对近水平或缓斜煤层坚硬顶板效果较好，在顶底板条件较差或煤层倾角较大时则不适用。发明专利CN108222938B公开了一种大倾角煤层采空区组合注浆充填开采方法，该技术在大倾角煤层工作面回风巷安设沿空留巷充填模板，通过注浆管实施注浆充填。但该技术留巷成本较高，且施工工艺较为复杂，成巷速度较慢，严重影响工作面正常回采。发明专利CN103397905A公开了一种煤层自然垮落充填、柔性护巷、完全沿空留巷系统及方法，首次提出了大倾角煤层沿空留巷柔性护巷技术。其不足是，该专利只提供了一种笼统的大倾角煤层沿空留巷柔性护巷理念，尚缺乏实际可行的施工工艺，且只能在中厚及厚煤层坚硬顶板条件下采用该方法。

综合分析现有技术可知，当前广泛采用的沿空留巷巷旁支护方式多适用于近水平或缓斜煤层开采，且施工工艺较为复杂，如果直接应用于大倾角煤层时存在一定的困难，需要改进工艺和设备。与此同时，大倾角煤层采空区垮落矸石的下滑冲击力将对刚性巷旁支护技术产生极大的考验，矸石的冲击作用将导致刚性支护体失稳甚至引发灾变。因此，如何处理采空区垮落下滑的矸石体，成为大倾角煤层沿空留巷成功与否的关键。根据大倾角煤层采场及其特殊的矿压分布及围岩运移规律。在留巷过程中要求巷旁支护体能够抵挡矸石滚落产生的巨大冲击力，同时能为顶板关键断裂块体提供足够的支护阻力，限制其旋转下沉。

发明内容

针对现有沿空留巷技术工艺复杂、护巷成本高、影响工作面正常生产等技术难点，本发明提供了一种大倾角煤层沿空留巷柔性护巷方法，该方法是在巷内工作面前方施工一定尺寸的超前槽，超前槽内通过顶底板固定锚杆布置钢筋网形成柔性结构，拦截包裹采空区垮落下滑的矸石，形成以垮落矸石为骨料的巷旁支护体，由巷旁支护体与巷内锚网索联合支护共同作用维护留巷围岩的稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种大倾角煤层沿空留巷柔性护巷方法，具体是在工作面下端头采用炮掘的方式沿工作面走向方向施工长度为5～10m，宽度为3～5m的超前槽，在超前槽内通过顶底板固定锚杆布置钢筋网形成柔性结构，对采空区垮落下滑的矸石进行拦截包裹，形成以矸石为骨料的巷旁支护体，巷旁支护体与巷内锚网索联合支护共同作用维护留巷围岩稳定性。沿空留巷柔性护巷方法流程如图1所示，图2为沿空留巷柔性护巷工作面示意图，图3为图2中采空区A-A剖面示意图，具体技术方案如下：

一种大倾角煤层沿空留巷柔性护巷方法，该方法包括如下步骤：

1)护巷钢筋网制作

护巷钢筋网包括主筋和副筋。主筋位于四周，副筋位于主筋的内部，副筋包括纵向分布的副筋和横向分布的副筋，所述纵向分布的副筋和横向分布的副筋之间的交点通过焊接的方式连接，两类副筋之间形成交差网状结构；所述纵向和横向分布的副筋与主筋之间则均通过副筋外伸弯折焊接的方式进行连接。主筋的四个角向外延伸出钢筋网且外伸段通过弯折焊接形成固定钢环。不同护巷钢筋网之间通过箍筋对接，在本实施例中，相邻护巷钢筋网的连接处通过Φ3.0mm的箍筋铰接，钢筋网结构如图4所示。为了防止主筋和副筋相互错动，对每个钢筋节点进行焊接固定，钢筋网焊接区域放大视图如图5(A)、图5(B)、图5(C)和图5(D)所示，其中，图5(A)是图4中A处的放大图，图5(B)是图4中B处的放大图，图5(C)是图4中C处的放大图，图5(D)是图4中D处的放大图。钢筋网网孔规格根据垮落矸石块体大小来确定，通常为200mm×200mm。同时，为了解决矸石墙承载体形成前小于网孔孔径的矸石穿过钢筋网，可在钢筋网内铺设一层小孔径的铁丝网。

根据不同矿井工作面的采高及顶底板条件，选择四种不同类型的钢筋网，不同类型钢筋网的结构如图6(A)、图6(B)、图6(C)和图6(D)所示，分别为：

针对采高<3.5m，顶底板坚硬的工作面，选用1字型钢筋网，护巷钢筋网为一平面钢筋网，主筋的四个角的外伸段垂直于护巷钢筋网，如图6(A)。

针对采高>3.5m，顶底板坚硬的工作面，选用波浪型钢筋网，护巷钢筋网为波浪型，主筋的四个角的外伸段垂直于护巷钢筋网两端的直线边，如图6(B)。

针对采高<3.5m，顶底板软弱破碎的工作面，选用L型钢筋网，护巷钢筋网由竖直平面钢筋网和水平面钢筋网组成的L型，主筋的四个角的外伸段垂直于竖直平面钢筋网，如图6(C)。

针对采高>3.5m，顶底板软弱破碎的工作面，选用L-波浪型钢筋网，护巷钢筋网由竖直波浪面钢筋网和水平面钢筋网组成的L-波浪型，主筋的四个角的外伸段垂直于L-波浪型钢筋网两端的直线边，如图6(D)。

2)确定钢筋网主筋直径

根据钢筋网结构特征，单张钢筋网抗拉强度主要由上下两条主筋控制；钢筋网主筋直径按下述步骤进行确定：

2.1)计算垮落矸石冲击速度v₃

如图7所示，矸石垮落后的运动分为三个阶段，分别为：自由落体阶段、滑动阶段和滚动阶段，矸石块体最终以滚动冲击的形式作用在巷旁支护体上；

(1)自由落体阶段

矸石垮落后自由落体阶段的长度h₁按下式计算：

h₁＝h_m/cosα；

其中，α为煤层倾角，h_m为煤层厚度；

根据动力学原理，任意高度处自由落体运动的物体，其速度为:

式中，g为重力加速度；

矸石垮落经自由落体阶段后与工作面底板成一定角度接触并发生碰撞；碰撞后沿工作面底板法向和切向的速度均发生不同程度的改变，矸石发生碰撞前速度在法向和切向方向的分量为：

式中，e_n、e_τ分别为矸石与底板接触后速度分量的恢复系数(无量纲)，v_1n、v_1τ分别为矸石发生碰撞前其速度在法向和切向方向的分量，v_2n、v_2t分别为矸石发生碰撞后其速度在法向和切向方向的分量。

矸石受底板的约束，矸石在底板法向方向上速度为零，因此矸石与底板发生碰撞后，进入滑动阶段时的初速度v_2τ为：

v_2τ＝e_τv₁ sin α

(2)滑动阶段

大倾角煤层工作面岩层倾角大于矸石的自然安息角，同时受矸石初速度影响，矸石以加速下滑形式运动，其末速度v₂公式为：

式中，μ为矸石与底板之间的滑动摩擦因数；x₁为矸石滑动距离；

(3)滚动阶段

在自重应力、摩擦力的共同作用下，矸石运动方式由滑动转变为滚动，此时矸石将具有平动速度及滚动速度：

式中，m为矸石块体的质量，x₂为矸石滚动距离；v₃为矸石平动速度；w₃为矸石滚动速度；f为矸石与底板的滚动摩擦力；r为矸石半径，J_z为矸石的转动惯量；

假设矸石为纯滚动运动，则有：

因此，矸石在滚动阶段的末速度v₃按下式计算：

2.2)计算垮落矸石最大冲击力p_max

滚动下滑矸石块体对矸石垫层的冲击如图8所示，当矸石块体撞击矸石垫层瞬间，产生的冲击力p_c按下式计算：

式中，σ_z为矸石垫层受到的冲击应力；s为滚动矸石与矸石垫层的接触面积；

将滚动矸石简化为圆柱体，则其接触段单位长度的冲击力为：

式中，S_l为滚动矸石与矸石垫层接触段弧长，u为接触段最大位移；r为垮矸半径；

滚动矸石与矸石垫层接触后，接触点的应变ε₀为：

ε₀＝u₀/h_l

式中，u₀为接触段平均位移；h_l为垫层厚度；

由几何关系可得：

u₀＝u-r(1-cos α)

式中，α为圆弧对应的圆心角；

可近似认为弧长等于弦长，上式可改为：

综合可得矸石垫层所受的冲击力为：

式中，E₀为矸石垫层的瞬时弹性模量，y是矸石垫层受矸石冲击所产生的压缩量；

根据功能关系，在忽略重力影响的条件下，滚动矸石冲击矸石垫层的瞬时速度满足下式：

钢筋网与矸石垫层组成的巷旁支护体可视为柔性挡矸结构，滚动矸石不存在回弹现象，因此，v₄＝0，则滚动矸石的位移值为：

由此得滚动矸石平均冲击力的计算公式为：

最大冲击力计算公式为：

p_max＝np_c

式中，n为冲击力放大系数，其值与法向恢复系数e_n有关：

恢复系数e_n与材料自身性质有关，底板越坚硬回弹能力越强，恢复系数越大；

由上述可知，滚动矸石与矸石垫层接触瞬间的冲击速度和最大冲击力为：

2.3)计算钢筋网主筋直径φ

当滚动矸石冲击矸石垫层时，由多张钢筋网共同受力，单张钢筋网上下两条主筋的强度应满足下式：

式中，[σ]为材料强度；φ为主筋直径，n为同时承载的钢筋网数；

材料强度由主筋型号确定，由此可确定钢筋网主筋直径：

3)开挖超前槽并支护

如图9所示，在工作面回采过程中，采用炮掘的方式在工作面下端头沿工作面走向方向施工长度为5～10m的超前槽，超前槽宽为3～5m，同时采用单体支柱加铰接顶梁对超前槽揭露顶板进行支护，单体支柱间排距为1.0m×0.75m；超前槽上部煤壁侧采用一排单体支柱加竹笆进行护壁，单体支柱排距1.0m；超前槽的剖面如图10所示。

4)钢筋网铺设

超前槽支护结束后，首先清理超前槽内破碎顶板和底板浮煤浮矸，同时根据钢筋网尺寸标注顶底板固定锚杆的安装位置，按照锚杆的施工顺序安装顶底板固定锚杆；然后铺设钢筋网，采用锚杆紧固装置将钢筋网的四角钢环与锚杆进行连接；最后在机巷内靠近钢筋网一侧架设一排单体密集支柱，间距1.0m；上述工序完成后，钢筋网铺设成功，钢筋网铺设后的结构如图11所示。钢筋网的铺设、顶底板固定锚杆的安装、超前槽内单体支柱的回撤和机巷内单体密集支柱的安装，以上工序均与工作面的推进同步进行。

5)工作面回采，下放矸石，形成柔性护巷结构

钢筋网与矸石垫层组合形成柔性护巷结构，采空区大量矸石瞬间冲击钢筋网则极易导致钢筋网失效；因此，必须利用液压支架的挡矸装置对采空区矸石进行分步下放，即首先下放少量块径较小的矸石，在钢筋网内形成0.3～1.0m的矸石垫层，使钢筋网与矸石垫层组成的柔性护巷结构能够有效的缓解大块径矸石的冲击；然后液压支架前移，下放其余矸石。

6)回撤机巷内密集支柱

沿空留巷巷内单体密集支柱必须等巷道围岩变形稳定(即钢筋网受力变形趋于稳定)后才可进行回撤，单体密集支柱回撤滞后距离应根据现场沿空留巷情况而定，一般不小于60m，巷内密集支柱回撤后如果巷道围岩变形处于可控范围内则表示留巷成功，留巷的结构如图12所示。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1、本发明提供的一种大倾角煤层沿空留巷柔性护巷方法相比于矸石充填、混凝土砌块、膏体充填和高水充填等留巷工艺，具有对工作面生产影响小，留巷成本低，工艺简单，留巷速度快的特点。

2、在沿空留巷采空区侧采用钢筋网、固定锚杆和密集支柱形成的柔性护巷结构，能够有效地控制巷道围岩变形；同时拦截包裹采空区垮落下滑矸石，形成以垮落矸石为骨料的巷旁支护体，防止采空区矸石滑落产生的下滑冲击力造成巷道或工作面人员伤亡、设备损毁，同时可实现对大倾角煤层沿空留巷快速、有效支护。

3、大倾角煤层沿空留巷柔性护巷技术能够提高煤炭回收率、降低巷道掘进率、降低吨煤成本、缓解采掘接替紧张的局面。

附图说明

图1是沿空留巷柔性支护方法的流程图；

图2是沿空留巷柔性护巷工作面示意图；

图3是图2中采空区A-A剖面示意图；

图4是组合L型钢筋网的结构示意图；

图5(A)是图4中A处的放大图；

图5(B)是图4中B处的放大图；

图5(C)是图4中C处的放大图；

图5(D)是图4中D处的放大图；

图6(A)是1字型钢筋网的结构示意图；

图6(B)是波浪型钢筋网的结构示意图；

图6(C)是L型钢筋网的结构示意图；

图6(D)是L-波浪型钢筋网的结构示意图；

图7是图2中采空区矸石运动状态图；

图8是矸石垫层受力示意图；

图9是沿空留巷柔性护巷作业平面图；

图10是图9中超前槽沿B-B方向的剖面示意图；

图11是图9中沿空留巷支护段C-C方向的剖面示意图；

图12是图9中沿空留巷滞后段D-D方向的剖面示意图。

图中：1、钢筋网；11、主筋；111、主横筋；112、主纵筋；12、副筋；121、横筋；122、纵筋；13、固定钢环；14、箍筋；15、顶板固定锚杆；16、底板固定锚杆；2、超前槽；21、单体支柱；22、密集支柱；23、铰接顶梁；24、竹笆；3、垮落矸石块体；31、压实矸石体；32、矸石垫层；4、工作面；41、机巷；42、风巷；43、液压支架；44、压实区；45、过渡区；46、自由垮落堆积区；47、采空区；48、顶板岩层；49、底板岩层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

一种大倾角煤层沿空留巷柔性护巷方法，该方法包括如下步骤：

1)护巷钢筋网制作

试验地点选择四川省某矿3153工作面4，工作面采煤方法为俯伪斜走向长壁综合机械化采煤法，伪斜倾角35°，采用自然垮落法处理采空区47。试验段工作面4埋深552～582m，工作面4倾向长度110m，走向长度900m，平均采高2.6m，煤层平均倾角46°。工作面4的顶板岩层48和底板岩层49均为炭质泥岩，岩性较软。因此，根据护巷钢筋网1的选型原则，选择L型钢筋网，钢筋网1长度参数a×b×c分别为：1m×2.6m×0.8m，钢筋网1结构如图4所示。

2)计算钢筋网主筋直径

钢筋网1材料选择普通碳素钢筋，抗拉强度450MPa，矸石垫层32厚度取最小值0.3m，通过钢筋网1主筋11直径计算公式可得，当钢筋网1的主筋11直径大于等于9.53mm时，钢筋网1强度满足要求。实际上，随着工作面4开采，钢筋网1内侧大量矸石块体3垮落堆积，形成的矸石垫层31厚度远大于0.3m。因而，选择主筋11直径Φ为10mm的钢筋网1能够满足现场护巷的要求。同时考虑到普通碳素钢筋的规格，钢筋网1的主筋11直径Φ最终确定为10mm，副筋12直径Φ确定为8mm，网孔规格为200mm×200mm。

3)开挖超前槽并支护

在3153工作面4回采过程中，采用炮掘的方式在工作面下端头沿工作面4走向方向施工长为8m，宽为3m的超前槽2。超前槽2施工过程中，采用单体支柱21加铰接顶梁23对揭露顶板进行支护，单体支柱间排距为1.2m×0.75m。超前槽上部煤壁侧采用一排单体支柱加竹笆进行护壁，排距1.2m，如图9所示。

4)钢筋网的铺设

超前槽2开挖支护结束后，首先清理超前槽2内破碎顶板和底板浮煤浮矸，根据钢筋网1尺寸标注顶板固定锚杆15和板固定锚杆底16的安装位置，按照锚杆的施工顺序(钻孔→安装树脂锚固剂→搅拌锚固剂→紧固锚杆)安装顶板固定锚杆15和底板固定锚杆16；然后铺设钢筋网1，采用锚杆紧固装置将钢筋网1的固定钢环13与锚杆进行连接；最后在机巷41内靠近钢筋网1一侧架设一排单体密集支柱22。上述工序完成后，钢筋网1铺设成功。

5)工作面回采，下放矸石，形成柔性护巷结构

利用液压支架43后的挡矸装置对采空区47矸石3进行分步下放，首先下放少量块径较小的矸石3，在钢筋网1内形成0.5m厚的矸石垫层32，使钢筋网1与矸石垫层32组成柔性护巷结构；然后液压支架前移，下放其余矸石。

6)回撤机巷内密集支柱

钢筋网1滞后工作面4后方25m的受力变形逐渐趋于稳定，由此确定巷内单体密集支柱22回撤滞后工作面的距离为30m。对钢筋网1进行定期监测，发现钢筋网1最大变形速率发生在钢筋网1受力前期，钢筋网1受力变形后呈“C”字形，其中，钢筋网1中部变形量最大，为370mm，上部与下部变形量相对较小，分别为200mm和180mm。钢筋网1内矸石充填密实，对顶板提供了足够的支撑力。此外，密集单体支柱有效的限制了钢筋网的变形。

由以上分析可知，采用柔性护巷方法对3153工作面4进行沿空留巷的现场实施效果很好，巷旁支护体能够有效的控制巷道围岩变形，满足工作面安全生产的需要。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。