快速施工在浅埋易自燃煤层的应用

宫全红

（同煤集团 金庄煤业有限责任公司，山西 大同 037001）

快速施工在浅埋易自燃煤层的应用

宫全红

（同煤集团 金庄煤业有限责任公司，山西 大同 037001）

通过理论分析和数值模拟，从快速掘进、快速开采、快速搬家三个技术方面分析了快速施工应用于浅埋自燃煤层时的防灭火作用。研究表明：采用快速掘进并快速支护，可以有效地减少巷道掘进头处发火的次数、降低其发火概率；采用快速开采能够减少工作面的来压次数，缩短“散热带”发火期；采用快速搬家技术后，可以快速封闭采空区，降低发火概率。这些工艺满足现代化矿井中高效、安全的生产要求。

快速掘进；快速开采；快速搬家；防灭火；浅埋煤层

在现代化高产高效矿井中，快速施工已经成为保证安全、高效生产重要手段。快速施工包括快速掘进、快速开采、快速搬家、快速封闭等手段。其在保证产量的同时，还可以在浅埋易自燃的煤层特定开采条件下起到良好的防灭火作用。黄庆享[1-2]和钱鸣高[3]等对浅埋煤层进行了定义，即定义埋深为150 m之内、Jz（基载比）小于1、顶板周期来压出现明显动载现象的煤层。文献[4]对煤层的自然发火倾向性进行了定义和测定。

李政[5]对浅埋综放工作面的的初次和周期来压强度进行了简要的分析，得出来压的参数，从而推导出松散覆岩浅埋深的工作面的支架快速计算公式。王开[6]对浅埋综放面的不同裂隙的分布和方位角对放顶煤的效率进行了分析。刘新德[7]对浅埋深采空区自燃“三带”进行了研究，主要是通过对采空区的氧气含量和温度变化规律来推测“三带”的范围。张福成[8]对神东地区浅埋易自燃煤层进行了防灭火的研究。杜江明[9]对煤与瓦斯突出矿井的掘进速度进行了合理的估计，刘克生[10]使用3DEC软件对浅埋工作面的开采速度进行了研究，得出开采速度的加快有益于端面的稳定和来压强度的降低。

以上研究主要为浅埋深工作面的来压规律、对比浅埋深和中等深度的来压规律、考虑开采速度或掘进速度对来压规律的影响等方面，对整个掘进、开采、搬家等系统使用快速施工方法的研究较少，本文则对快速施工法对防灭火的影响进行了研究。

1 快速掘进技术

快速掘进是快速开采的保障和基础。为了确保采掘均衡，连续采煤机应用于煤巷掘进，逐步取代了以综掘机为主体的成套掘进生产线，设备布置图和掘进工艺见图1。

图1 连续采煤机双巷掘进设备布置及掘进工艺

从图1可以看出，快速掘进系统已经形成，掘进、运煤、支护三个工序相互衔接，互不干扰，在双巷掘进的过程中，两巷间煤柱留设宽度为20 m～25 m，每隔50 m～60 m开掘1个联络巷，当连续采煤机在回风顺槽工作时，锚杆机在运输顺槽进行支护，在煤层顶板较好的情况下，空顶距可以达到5 m，然后两组机器调换位置，连续采煤机换运输顺槽进行掘进，锚杆机在回风顺槽进行支护，实现了及时支护，有效减少了顶板的离层量。两种工序互不影响，保证了掘进的快速不间断进行。

采用快速掘进技术后，满足了采掘的衔接，但对于高产高效矿井而言，则最大可能地加大了工作面推进长度，部分已经超过了5 000 m，这种超长距离大断面掘进面临以下的通风问题：挂接风筒多，局部漏风造成通风阻力大；多台局部通风机供风管理难度大，风量利用率不高。这直接导致了掘进工作面的风量达不到设计要求，引起工作面气候条件恶化，有害气体浓度不能及时降低，煤尘浓度超标，影响到掘进工效，甚至整个矿井的安全。为此在这种双巷掘进的系统中，采取全风压与局部通风结合的快速掘进通风，见图2。

图2 快速双巷掘进系统结合通风系统示意图

这种通风方式很好地解决了上述的问题，使掘进头处的通风能够与整个矿井的通风系统结合起来，解决了局部风机的供风量不足的问题，但是需要在后面的联巷设置封闭门或封闭墙，对其要求较高，一方面能够保证门或墙体的严密性，防止发生漏风、跑风的现象，另一方面需要在快速掘进的前提下，保证墙体在50 m～60 m（2 d～3 d）之间能够快速地构筑。

2 快速开采技术

2.1 快速开采对工作面应力的影响

快速开采指工作面的快速推进，有关文献指出工作面的推进速度和应力的分布规律[11-12]：

式中：σ为工作面前方的应力，MPa；h为煤厚，m；t为开采时间，d。其他参数为试验获得。从式（1）中可看出，随着推进速度的增加，即t减少，工作面前方的应力增加，这意味着速度不能一直增大，推进速度的选择，既要考虑设备的工作能力，还要考虑前方应力的释放。不同推进速度下工作面的应力分布见图3。

图3 不同推进速度下工作面的应力分布

从图3可看出，随着工作面推进速度的不断增大，工作面前方的应力不断增大，但是应力的范围不断减少，和理论计算相一致。

式中：v为推进速度，m/d；x为周期来压步距，m。

由式（2）知，为了提高推进速度，可以非线性地增大工作面的来压步距，在同样长度的工作面情况下，能够减少工作面的来压次数。

2.2 快速开采对工作面自燃发火的影响

根据采空区自燃发火的情况分为了三带：散热带Ⅰ（宽度为L1），自热带Ⅱ（宽度为L2），窒息带Ⅲ（不自燃带），见图4。

式中：v为工作面推进速度，m/d；ts为极限自燃发火期，d。

当ts≤（L1+L2）/v时，在工作面的推进过程中，采空区有自燃危险。由此可见，加快工作面推进速度，减小ΔL，可以在不使用注浆等防灭火手段下有效降低自燃发火的概率。

图4 采空区三带分布示意图

2.3 快速开采对浅埋工作面发火的影响

根据本矿区的地质钻孔分布，在有两层(组)老顶的条件下mB1、mB2，低位老顶作为“小结构”，对支架以及煤壁前方产生作用，产生的内应力场的应力曲线见图5。高位的老顶作为主要的承载结构承载上部的松散层，其发生破坏的间距较大，两层老顶可能会发生离层作用。当工作面推至极限垮落步距时，CB1、CB2为周期垮落步距，在上覆松散层的载荷的作用下，以剪切破断为主。

图5 两个关键层的顶板结构

采空区具有长度显著的“散热带”和“窒息带”，而自热带发育不明显。主要原因是顶板难以形成类似一般工作面的“砌体梁”结构，在靠近工作面的附近，顶板未冒落，风量较大，为散热带；靠近采空区由于顶板整体下沉的剪切作用，采空区被紧密压实，形成窒息带。因此加快工作面的推进，可以在发火期之内实现快速通过散热带。

3 工作面快速搬家技术

工作面停采线附近为易发火的位置，主要原因一方面是由于停采线残留的浮煤较多，处于风量的汇集处，满足自燃的条件；另一方面是由于工作面的搬家速度慢，据统计，回撤3 000 t的综采工作面设备到全部安装到位，约需30 d左右才能实现。

采用预掘工作面的多通道系统，来完成工作面的快速搬家见图6。此工序打破了传统的搬家流程，首先在运输方式上由灵活的无轨胶轮车代替电机车，实现设备的快速运行，其次在回撤通道的构建中，预掘回撤通道、回撤辅巷及中间的联络巷，回撤通道起调节支架方向的作用，回撤辅巷起撤架的作用，由于中间的联络巷较多，可以实现多方向的撤架，从运输顺槽和回风顺槽同时进行搬家，搬家的顺序为回撤采煤机→回撤输送机→回撤液压支架（从中部到两边）。根据现场搬家的时间统计如表1所示。

图6 快速搬家多通道工艺

表1 工作面搬家时间统计

因此，按照工作面的自燃发火期20 d进行估算，传统的搬家大部分会发生发火事件，采用快速搬家的技术后，可以快速封闭采空区，降低发火的概率。

4 结束语

1）采用快速掘进并快速支护，可以有效地减少巷道掘进头处发火的次数、降低其概率；采用快速开采能够减少工作面的来压次数，缩短“散热带”发火期；采用快速搬家技术后，可以快速封闭采空区，降低发火的概率。

2）在浅埋深矿井中，顶板难以形成类似一般工作面的“砌体梁”结构，采空区具有“散热带”和“窒息带”，而自热带不明显。

3）使用辅巷多通道的快速搬家工艺，可以在自燃发火期之内完成工作面的搬家任务，降低发火的概率。

[1] 黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义[J].岩石力学与工程学报,2002,21(8):1174-1177.

[2]朱川曲,陈良棚.浅埋煤层采场老顶周期来压的结构分析[J].煤炭学报,1999,24(6):581-585.

[3]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,2003.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T20104-2006《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》[S].北京：中国标准出版社，2006.

[5]李政,康天合,黄志明,等.浅埋综放工作面矿压特征及支护强度实测研究[J].煤炭科学技术，2015,43(5):42-45.

[6] 王开,张彬,康天合,等.浅埋综放开采煤层裂隙与工作面方位匹配的物理模拟与应用.[J]煤炭学报，2013,38(12):2100-2105.

[7]刘新德,王昕.浅埋深煤层长综放面采空区自燃“三带”研究[J].煤炭科学技术，2013(8):182-188.

[8] 张福成.浅埋易自燃煤层防灭火关键技术[J].煤矿安全.2011,42（2）:35-38.

[9]杜江明,徐晓萌,李振,等.煤与瓦斯突出工作面掘进速度的合理控制[J].煤炭科学技术,2013,41(12):43-45.

[10] 刘克生,郭建军,王禹,等.浅埋深工作面开采速度对上覆岩层活动影响规律[J].科技资讯,2012(34):91-92.

[11]谢广祥.综放采场围岩三维力学特征[M].北京：煤炭工业出版社,2007.

[12] 陈通.综采工作面推进速度与周期来压步距关系分析［J］.煤矿开采，1999,34(1):33-35.

（编辑：李森森）

Application of Rapid Construction in Shallow-buried and Spontaneous Combustion Coal Seams

GONG Quanhong
(Jinzhuang Coal Co.,Ltd.,Datong Coal Mine Group,Datong 037001,China)

With theoretical analysis and numerical simulation,the fire prevention effects of rapid construction on shallow-buried and spontaneous combustion coal seams are analyzed in terms of rapid excavation,rapid mining,and rapid moving.The results show that the rapid excavation and supporting could effectively reduce the frequency and probability of firing at the endpoints of the roadways.The rapid mining could reduce weighting frequency of the working face and firing time of radiator strip.In addition, the rapid moving could quickly seal goaf and reduce the firing probability.The techniques could meet the requirements ofefficient and safe production in modern mines.

rapid excavation;rapid mining;rapid moving;fire preventing and extinguishing; shallow-buried coal seam

TD823

A

1672-5050（2016）04-023-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.007

2016-03-29

宫全红（1967-），男，山西繁峙人，本科，工程师，从事煤矿开采技术、井巷支护等方面的研究。