無煤柱開采技術在徐莊生建煤礦的應用

梁洪光,沈 健,李建中

(山東省武所屯生建煤礦,山東滕州 277500)

無煤柱開采技術在徐莊生建煤礦的應用

梁洪光,沈 健,李建中

(山東省武所屯生建煤礦,山東滕州 277500)

無煤柱開采技術是采煤方法的一項重大技術改革,在棗莊地區(qū)已獲得廣泛的使用。論述了徐莊生建煤礦采用沿空留巷的方式進行無煤柱開采技術,總結了該礦經過多年的探索和使用的經驗,使該技術日趨完善、成熟。

無煤柱開采;沿空留巷;壓力;支護

Application of Non-pillar Mining Technology in Xuzhuang Colliery

1 概況

1.1 礦井概況

山東省徐莊生建煤礦設計生產能力 300kt/a,2007年核定能力為 780kt/a。目前主要開采上石炭統太原組 12下煤層和 14煤層。通過地質資料分析,12下煤層賦存穩(wěn)定,結構簡單,厚度平均約 1.3m,煤層傾角 2～8°。

12下煤層直接頂板以泥巖、砂質泥巖為主,平均厚度 4.43m,粉砂巖次之,平均厚度 7.29m。基本頂以粉砂巖和細砂巖為主,其次為中砂巖,局部為砂質泥巖及細粉砂巖互層。頂板泥巖加權平均抗壓強度 42.4MPa,砂質泥巖加權平均抗壓強度59.0MPa。初垮步距 20～25m,周期來壓步距 8～10m,屬 3類直接頂板,Ⅱ級基本頂。頂板處理方法為自然垮落法。

直接底板以八灰為主,厚度平均 2.21m,煤層與八灰之間,常具一層泥巖,厚度 0.02～0.40m,平均 0.18m。底板八灰平均抗壓強度 145.6MPa。

1.2 無煤柱開采狀況

無煤柱開采技術是采煤方法的一項重大技術改革,自 20世紀 50年代,在國外就開始無煤柱開采試驗和應用,提高了煤炭采出率,增加了生產的連續(xù)性,改善了巷道維護,降低掘進率,對避免因煤柱和丟煤等引起的井下災害有明顯的效果。隨著無煤柱開采技術的應用和發(fā)展,使采區(qū)巷道的布置等諸多方面產生了相應的變化。

沿空留巷是無煤柱開采普遍使用的一種護巷方式。我國的沿空留巷技術主要在條件較好地薄煤層采煤工作面推廣應用,當前,對沿空留巷的圍巖活動規(guī)律以及沿空留巷的支架圍巖關系已基本了解,從而為無煤柱開采沿空留巷的支護創(chuàng)造了有利條件。根據我國無煤柱開采的實踐經驗,沿空留巷比沿空掘巷有許多技術優(yōu)越性,徐莊生建煤礦 12下煤層采用沿空留巷的方式布置回采巷道已得到全面推廣使用,經過多年的探索和應用,對該技術已較好地掌握和完善,并取得了可觀的經濟效益。

2 無煤柱開采沿空留巷方案

沿空留巷的支護方式分為 2大類,一類為被動支護方式,另一類為主動支護方式。徐莊生建煤礦的被動支護方式選擇沿采空區(qū)壘矸石充填帶;主動支護方式在掘進期間選擇錨網、錨網索 +矩形鋼帶,采煤期間選擇工字鋼棚和工字鋼梁加單體液壓支柱 2種方式,均采用木料接頂。沿空留巷主要應用在對拉工作面和單面的材料巷。

2.1 掘進期間留巷方案及支護方式

根據該礦巷道頂底板的移近量、兩幫的移近量、破壞程度等情況,設計沿空留巷的掘進巷道為矩形斷面。

(1)對拉工作面 (面長約 180m)材料巷沿空留巷 巷道規(guī)格為 2.2m ×2.2m(寬 ×高),預留0.2m的變形空間。支護方式頂板為錨網 +矩形鋼帶支護,兩幫為錨網支護,該巷道作為下一工作面的材料巷使用。見圖 1。

(2)單面 (面長約 150m)材料巷沿空留巷巷道規(guī)格為 3.6m ×2.6m(寬 ×高),預留 0.4m變形空間。頂板為錨網索支護,兩幫為錨網支護,該巷道作為下一工作面的運輸巷使用。見圖 2。

圖1 對拉面沿空留巷

圖2 單面沿空留巷

2.2 采煤期間支護方式

2.2.1 被動支護

該礦的被動支護方式選擇壘矸石充填帶的方式,自切眼起,沿采空區(qū)隨推采方向壘砌矸石充填帶,寬 4.0m。要求：矸石帶要筑成上下一樣寬,中間填滿接實,要壘成直線,大塊矸石在外,小塊矸石在內,矸石帶必須砌接到頂,頂板和垛墻的縫隙應用石塊塞緊,使之有足夠的支撐力。

2.2.2 主動支護

(1)對拉工作面材料巷沿空留巷 101上材料巷作為 101工作面和 102工作面共用的一條材料巷,兼有運送材料和回風 2種功用,服務于 2個工作面,服務年限為 2～3a,掘進期間只采用錨網 +矩形鋼帶支護,由于該巷道在沿空留巷期間必然要經歷一次動壓影響,為滿足接續(xù)工作面 (102工作面)的回采要求,在該巷道內采用工字鋼架棚支護,超前回采工作面 40m架棚,棚距 0.8m,棚梁長 2.0m,棚腿長 1.8m,棚上方采用木料接頂。同時超前支護支設的一排單體液壓支柱拖后回采工作面 40m,待留巷頂板壓力穩(wěn)定后回撤。

(2)單面材料巷沿空留巷 在單面回采條件下,201材料巷 (軌道巷)作為 201工作面和 202工作面之間共用的巷道,201工作面回采期間作為201工作面的材料巷和回風巷,202工作面回采期間該巷道作為 202工作面的運輸巷和進風巷。由于該采區(qū)采用綜掘機掘進,要求該巷道斷面較大,凈寬不低于 3.2m,增加了沿空留巷的難度。原來的工字鋼架棚支護已不能滿足該巷道的支護要求,經過反復論證,將工字鋼棚腿更換為 3排單體液壓支柱,采用單體液壓支柱與工字鋼聯合架棚的支護方式,單體液壓支柱型號為 DW31-180/100X。排距1.0m,棚距 0.8m,棚梁長 3.0m,棚上方采用木料接頂,單體液壓支柱壓力不小于 6.4MPa(50kN)。

2.3 支護材料和支護參數

2.3.1 頂板支護

對拉工作面材料巷沿空留巷 采用錨網 +矩形鋼帶支護。錨桿為無縱筋高強度螺紋鋼樹脂錨桿,規(guī)格為 φ16mm×1800mm,每排 5根,間排距800mm×800mm,采用 K2350型樹脂錨固劑錨固,錨固力不小于 50kN,錨桿外露長度為 15～50mm。錨桿托盤為高強度拱形,規(guī)格為 125mm×125mm×10mm(長 ×寬 ×厚),由鋼板壓制而成。網采用金屬菱形網,絲徑 4.0mm,網格 80mm×80mm,網片規(guī)格為 3600mm ×1000mm(長 ×寬)。鋼帶采用 φ8-14mm的鋼筋焊接而成,鋼帶規(guī)格為2200mm×50mm(長 ×寬),用錨桿托盤固定,鋼帶不得翹起,并垂直巷道中心線布置。

單面材料巷沿空留巷 采用錨網索支護。錨桿為高強度螺紋鋼樹脂錨桿,規(guī)格為 φ18mm×1800mm,每排 5根,間排距 900mm ×900mm。采用 K2350型樹脂錨固劑錨固,錨固力不小于 50kN。采用金屬菱形網,網片規(guī)格 3800mm×1000mm(長 ×寬),網格 100mm ×100mm。錨索規(guī)格為φ15.24mm×5000mm,三花眼布置,排距 2.7m。

2.3.2 兩幫支護

對拉工作面材料巷沿空留巷 兩幫采用的錨桿和頂部的規(guī)格相同,兩幫各布置 2排,間排距800mm×900mm。兩幫網使用雙抗網,型號為 JDPP30MS40mm×40mm,規(guī)格 3000mm×1800mm(長 ×寬)。網要壓茬連接,搭接長度不小于100mm,相鄰兩塊網之間要用 12～14號雙股鐵絲連接。

單面材料巷沿空留巷 兩幫采用玻璃鋼錨桿,規(guī)格為 φ20mm×2000mm,兩幫各布置 3排,間排距 900mm×900mm。兩幫網使用雙抗網,規(guī)格為2700mm×1500mm(長 ×寬)。型號和鋪網要求與對拉工作面材料巷沿空留巷相同。

2.4 施工工藝

采用MQT型風動錨桿鉆機打頂板錨桿眼,Z MS型風煤鉆打兩幫錨桿眼,采用 K2350型樹脂錨固劑手工錨固。用 XRB2B(A)型乳化泵為單面沿空留巷回采期間架棚使用的單體液壓支柱提供液壓動力。

3 沿空留巷礦壓顯現規(guī)律監(jiān)測與分析

未經采動的巖體內應力處于平衡狀態(tài)。工作面回采時,打破了巖石原有應力分布狀態(tài),從而使開采空間處于高應力狀態(tài),隨著采空范圍的增大,上覆巖層產生變形撓曲直至破壞冒落后,巖體內的應力將重新分布,并不斷趨于新的平衡狀態(tài)。回采工作面支承壓力常以其分布的范圍、形式和峰值的大小表示其特征。采煤工作面煤壁前方形成的支承壓力隨著工作面的推進而不斷向前移動,其峰值的位置可深入煤體內 2～10m,其影響范圍可達工作面前方 90～100m?；夭晒ぷ髅嬷車С袎毫Ψ植既鐖D 3所示。

圖3 回采工作面周圍支承壓力分布

為了確定上覆巖層運動對沿空留巷巷道變形與破壞的影響,進行現場監(jiān)測與分析。

3.1 單體液壓支柱載荷監(jiān)測與分析

在 101工作面上材料巷中對工作面超前支護的單體液壓支柱每隔 2m設 1測點,共設點 10個,對超前支護 20m范圍內進行監(jiān)測,并隨工作面推進依次增補前移測點。

通過監(jiān)測發(fā)現,隨著工作面的推進,單體液壓支柱載荷也呈周期性變化,反映了隨工作面推進直接頂周期垮落及超前支護壓力集中區(qū)情況。

3.2 圍巖表面位移監(jiān)測與分析

在 101工作面上材料巷中每隔 5m設置 1個表面位移測站,用于監(jiān)測頂底板相對移近量、兩幫相對移近量,監(jiān)測范圍 30m,共設 6個測點,并隨工作面推進依次增補前移測點。

通過監(jiān)測發(fā)現,當處于頂板來壓期間,超前巷道內頂底板相對移近量平均達 35mm,兩幫累計移近量 35mm;而非來壓期間,超前巷道內頂底板相對移近量平均 20mm,兩幫累計移近量 10mm。同時還發(fā)現,巷道位移超前明顯范圍為 10m左右,超前 10m以遠處,巷道表面位移很小。

3.3 巷道頂板離層監(jiān)測與分析

在 101工作面上材料巷中每隔 20m設置 1個頂板離層儀。由于直接頂厚度為 4.43m,為了監(jiān)測直接頂與基本頂界面離層情況,設置深基點 5m,淺基點 3m。

通過監(jiān)測發(fā)現,頂板離層主要發(fā)生在直接頂和基本頂之間、直接頂內部 2個位置,當超前工作面20m以遠,直接頂與基本頂之間有微弱離層;在超前工作面 20m范圍內時,不僅直接頂與基本頂之間離層程度增強,且直接頂內部也將產生離層。

3.4 監(jiān)測結果分析

綜合監(jiān)測結果,沿空留巷能夠滿足下一工作面回采的需要,同時結合現場監(jiān)測情況,采取了一些加強和調整措施,如在個別頂板壓力較大的范圍加密工字鋼棚,并采取臥底的方式使留巷高度符合要求等,使該技術的使用日趨成熟。

4 無煤柱開采沿空留巷效果分析

4.1 技術上具有很大的優(yōu)越性

(1)沿空留巷可以取消工作面區(qū)段煤柱,有效地提高資源采出率。

(2)沿空留巷可以大幅度地降低掘進率,縮短采區(qū)、工作面接續(xù)準備時間。

(3)通過監(jiān)測,可以基本掌握沿空留巷巷道的受力狀況,巷道的維護維修較為安全與簡單。

4.2 經濟效益顯著

近 10年來,徐莊生建煤礦通過無煤柱開采技術的應用,減少巷道掘進約 6400m,多回收煤炭(煤柱)約 75kt,增加經濟效益達 2500萬元。其中減少掘進費用約 300萬元,回收煤炭 (煤柱)效益約 2200萬元。同時沿空留巷所用支護材料可回收后重復利用,工字鋼 100%回收,木料回收80%,進一步降低了生產成本。

5 結論

無煤柱開采沿空留巷技術具有掘進率低、采出率高等優(yōu)點,在徐莊生建煤礦使用效果良好,對條件適宜的礦井有一定的推廣價值。

[1]張榮立,何國偉,李 鐸,等 .采礦工程設計手冊 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2003.

[責任編輯：周景林 ]

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1006-6225(2011)02-0035-03

2010-06-08

梁洪光 (1968-),男,山東鄒平人,高級工程師,總工程師,一直從事煤礦生產技術管理工作。