东河煤矿2206工作面无煤柱自成巷关键技术研究及应用

杨正纲

(太原煤气化集团有限责任公司 东河煤矿,山西 蒲县 041207)

近年来,随着煤炭开采技术及采煤设备自动化水平地不断提高,我国每年的煤炭产量在全球范围内占据前列。传统采煤采用留设煤柱的开采方法,极易造成煤炭资源的浪费,而且还需增加掘进巷道的数量。沿空留巷无煤柱开采技术不仅避免了开采过程中煤炭资源的浪费,还在一定程度上减少了巷道的掘进作业[1]。本文以东河煤矿2206工作面为工程背景,重点研究无煤柱自成巷关键技术在该工作面的应用效果。

1 工程概况

太原煤炭气化(集团)有限责任公司东河煤矿为太原煤炭气化(集团)有限责任公司下属煤炭企业,矿井生产能力为90万t/a,批准开采2号煤层,井田面积13.320 4 km2。

2206运输顺槽上覆岩层依次为9.20 m的泥岩、4.69 m的粉砂砂岩,底板岩层为6.49 m的泥岩。工作面柱状图如图1所示。

图1 工作面柱状图

2 无煤柱自成巷开采技术研究

无煤柱自成巷开采技术在采掘模式和留巷方式上具有先天的优势,将成为煤炭开采的主流技术[2]。无煤柱自成巷开采与传统沿空留巷开采的区别如图2所示。

2-a 沿空留巷开采

2-b 无煤柱自成巷开采

由图2可知,无煤柱自成巷开采技术与沿空留巷开采技术的主要区别在于:

1)沿空留巷开采尽管取消了区段煤柱,但是增加了人工填充材料,而无煤柱自成巷开采取消了煤柱和巷旁充填,解决了煤柱或巷旁充填集中的问题。

2)无煤柱自成巷开采提升了巷道围岩的稳定性。

3)无煤柱自成巷开采技术的顶板切缝切断了采空区与巷道顶板之间的联系,避免了生产中的跨落物对巷道顶板造成冲击,进而对巷道围岩造成损伤[3]。

3 无煤柱自成巷关键技术

无煤柱自成巷采煤的关键技术为聚能切缝技术,预裂切缝爆破能够将工作面局部范围内的应力传递阻隔,在一定程度上避免了顶板来压对工作面的影响,确保巷道的顶板得到有效保护。

3.1 顶板预裂切缝的设计

工作面顶板预裂切缝是基于聚能切缝技术实现的,该工艺具有操作简单的优势。在实际生产过程中,仅需将炸药采用双向聚能装置置于预裂线所开的钻孔中即可[4]。由于采用了双向聚能装置,在实际爆破过程中不会对巷道周围的岩体造成损伤。

根据以往切顶卸压沿空留巷经验及《无煤柱自成巷110工法规范》,合理的预裂切缝深度(Hf)设计一般应大于2.6倍采高,即Hf≥2.6Hm。

另外预裂切缝钻孔深度与采高、顶板下沉量及底臌量有关,一般通过如下方式确定:

Hf=(Hm-ΔH1-ΔH2)/(k-1).

(1)

式中:Hm为工作面采高,m;ΔH1为顶板下沉量,m;ΔH2为底臌量,m;k为碎胀系数,1.3～1.5。

采空区顶板冒落煤矸石碎胀系数取1.35,在不考虑底臌及顶板下沉的情况下,工作面采高Hm为2.1 m时,计算得Hf=7.0 m。综合考虑上述计算结果及顶板岩性沿走向变化情况,确定留巷顺槽里段200 m切顶深度为8 m,剩余225 m顺槽切顶深度为7 m。

根据以往经验,切缝孔位于巷道顶板与正帮夹角处,与水平方向夹角为75°,倾向于回采工作面一侧,切缝孔间距为500 mm。切缝钻孔布置剖面图见图3。

3.2 顶板预裂爆破工艺

从工作面切眼位置开始施工定向预裂爆破钻孔,爆破原理如图4所示。

爆破钻孔参数为:间距500 mm,深度7 000 mm,与垂直方向夹角为15°；爆破时,每个爆破钻孔安设4根聚能管,其中聚能管长度为1.5 m,孔口封泥长度为1.5 m,具体装药量及爆破方式根据现场试验效果确定。为了确保预裂切缝线能够稳定形成,一般情况下常将爆破方向设定为工作面的推进方向,在巷道完成生产任务的同时完成预裂切缝的爆破任务[5]。

3-a 里段200 m切顶设计断面

3-b 外段225 m切顶设计断面

图4 聚能爆破示意图

根据相关要求,需要对长度为425 m巷道内预裂切缝采用单孔或者多孔的爆破方式完成,并参考连孔爆破试验的参数完成对顶板预裂切缝爆破参数的设置。具体爆破预裂切缝的工艺流程如下:

1)将爆破所需的聚能管置于预先设置的爆破钻孔内,注意应将聚能管置于钻孔的底部,以确保后续预裂切缝的爆破效果。

2)爆破预裂切缝所采用的炸药为三级乳化炸药,爆破前应根据相关试验结果确定聚能管中所填充的炸药量。为确保最终的爆破效果,应将三级乳化炸药通过聚能管底部填充,并按照相关标准要求安装雷管及引线,将彼此相邻的聚能管采用专用连接件进行连接,要求每个需要装炸药的聚能管安装对应的雷管。

3)根据相关标准及规范要求爆破钻孔采用炮泥进行封堵,且炮泥封堵的长度最小为1.5 m。

4)根据《煤炭安全规程》的相关标准要求确定爆破预裂切缝线的安全距离,并按照规范组织爆破。

5)当爆破完成后应组织专人对爆破效果进行验收,并对现场情况进行监测分析。当现场预裂切缝线的完成率达到75%时,视为此次爆破效果合格。具体实施方法是在爆破前对炮孔进行逐个编号,爆破完成后对炮孔裂缝的状态和情况进行评估,最后建立对应炮孔的相关档案。

4 成巷效果分析

将无煤柱自成巷开采技术应用于东河煤矿2206工作面,现场留巷的效果见图5。

图5 现场留巷效果图

如图5所示,由于无煤柱自成巷采煤技术的应用,东河煤矿2206工作面将工作面辅助运输顺槽保留下来并供相邻工作面回采使用。

在留巷过程中对2206工作面巷道顶板和底板的移近量、顶板的下沉量以及底臌量进行监测。具体监测监测结果见图6。

如图6所示,2260工作面顶底板的移近量值近似为150 mm;顶板的移近量近似约为110 mm;工作面底板移近量为40 mm。

图6 现场监测数据

5 结束语

综采设备自动化程度的不断提升,对煤炭开采技术提出了更高的要求和挑战。无煤柱自成巷开采技术由于其独特的优势将成为煤炭开采的主流技术,加强对无煤柱自成巷采煤技术,尤其是其关键技术的研究对提高工作面采煤效率和安全系数具有现实意义。