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薄煤层工作面切顶卸压自成巷技术及矿压控制研究

2023-02-22*李

当代化工研究 2023年23期
关键词:切顶离层煤柱

*李 斌

(华晋焦煤有限责任公司沙曲二号煤矿 山西 033000)

华晋焦煤沙曲二号煤矿属于煤与瓦斯突出矿井,为了更加有效地治理瓦斯和提高资源回采率,矿井于2008年从淮南矿业集团引进了沿空留巷无煤柱开采技术。经过十余年的技术积累,沙曲二号煤矿的沿空留巷工艺从初始的砌筑混凝土预制块到机械模斗充填混凝土,发展到后续的柔模袋支模、泵送混凝土充填留巷技术,实现了从薄煤层到厚煤层的成功应用,取得了一定的成果。根据统计,矿井每年留巷长度约为2000m,投入成本约4600余万元,复用时的二次维护费用投入达560余万元。针对以上问题,华晋焦煤沙曲二号煤矿在3402智能化综采工作面引进无煤柱自成巷“110工法”技术。

1.“110工法”简介

“110工法”,即“1个工作面、1条巷道、0个煤柱”,实现自动成巷,无煤柱开采。“110工法”变被动“支”为主动“切”与“支”相结合,使矿山压力变害为利。

2.工作面概况

(1)工作面位置。3402工作面是四采区的一个重要煤工作面,位于3#煤层中。它的东面与四采区集中巷道相邻,南面和西面则是尚未开掘的区域,而北面则是4401采空区。从地面的高度来看,该工作面的地面标高在+857~+950m之间,而工作面的标高则在+390~+460m之间。这个工作面的可采倾向长度是600m,而走向长度则是200m。这样的地理和地质条件决定了该工作面的开采方式和难度。

(2)工作面煤层赋存及顶底板岩性。3402工作面开采3#煤层,3#煤层厚度0.82~0.95m,平均厚度0.87m;煤层倾角3°~6°,平均倾角5°;工作面直接顶为3.48m厚细粒砂岩,老顶为3.27m厚粒砂岩;直接底为2.1m厚中粒砂岩,老底为3.6m厚砂质泥岩;煤层普氏硬度系数为1,直接顶、直接底普氏硬度系数为4。3#煤层为Ⅱ类自燃煤层,最短自然发火期为90天;煤尘具有爆炸性;地温、地压正常。

(3)工作面回采工艺。3402综采工作面为智能化开采工作面,采用倾斜长壁后退式一次采全高综合机械化采煤方法,全部垮落法管理采空区顶板;3402胶带巷实施切顶卸压沿空留巷,实现无煤柱开采技术。

(4)工作面通风系统。3402综采工作面采用两进一回沿空留巷“Y”型通风方式,3402轨道巷作为主要进风巷,进风量为792m3/min;3402胶带巷作为辅助进风巷,进风量为467m3/min;3402胶带巷采用切顶卸压沿空留巷技术,切顶留巷作为工作面回风巷,总回风量为1259m3/min。目前,工作面瓦斯体积分数为0.28%,挡矸支护处瓦斯体积分数为0.34%,回风瓦斯体积分数为0.36%。风排瓦斯涌出量为4.53m3/min,抽采量为11.54m3/min,绝对瓦斯涌出量为16.07m3/min。

3.切顶卸压施工工艺

恒阻锚索加强支护→顶板预裂爆破钻孔施工→顶板预裂爆破施工→切顶留巷挡矸→采空区封堵→留巷临时支护。

(1)恒阻锚索加强支护

为了确保在切顶过程和周期来压期间巷道的稳定性,采取预裂爆破和恒阻大变形锚索补强加固的策略。在进行顶板预裂爆破之前,使用恒阻大变形锚索对巷道进行加固。沿着锚索钻孔导向对钻孔表面进行扩孔,扩孔深度达到500mm。这样做的目的是为了便于安装恒阻器,从而更好地保持巷道的稳定性和安全性。

补强加固:恒阻大变形锚索垂直于顶板方向顺巷布置。3402胶带巷共布设2排恒阻大变形锚索,第一排恒阻锚索距回采侧煤帮500mm,间距900mm;第二排恒阻锚索布置巷道中心线,间距1800mm,相邻锚索之间用2000mm×100mm的12#两眼圆钢钢带连接(平行于巷道)。

(2)顶板预裂爆破钻孔施工

从工作面留巷段切顶卸压施工起始位置,切顶孔采用ZDY1300LPS型煤矿用履带式全液压坑道钻机或DCA-45型自动成巷超前切缝钻机施工。

(3)顶板预裂爆破施工

图1 第一次爆破方案图

方案一:1#、3#孔,装药结构:3+2+1。

方案二:4#、6#孔,装药结构:3+1+1。

方案三:7#孔,装药结构:2+1+0。

方案四:8#、10#孔,装药结构:2+1+1。

方案五:12#~15#孔,装药结构:2+1+0。

方案六:16#~19#孔,装药结构:2+1+1。

方案七:21#~24#孔,装药结构:2+1+0。

方案八:25#~28#孔,装药结构:2+1+0。

方案九:29#~32#孔,装药结构:2+1+1。

方案十:34#~37#孔,装药结构:2+2+0。

方案十一:38#~41#孔,装药结构:3+1+0。

图2 第二次爆破方案图

根据爆破试验及窥视分析,装药量确定为3卷;装药结构:2+1+0。爆破孔口采用炮泥封孔,封孔长度2.0m。3402工作面回采期间,顶板预裂切缝爆破超前工作面不小于50m。

预裂爆破施工工艺。爆破流程:检查安全(敲帮问顶)→检查切顶孔→聚能管装药→安装聚能管→黄泥封孔→连线→爆破。作业顺序:3402胶带巷按由开切眼(A)→3402胶带巷口(B)的顺序进行施工。起爆方式:采用串联方式一次起爆。

(4)切顶留巷挡矸

随着支架的拉移或周期来压,防止顶板垮落的岩石涌入巷道,留巷侧采用可伸缩36U型钢和钢筋网、风筒布进行联合挡矸。

档矸工艺:在1#支架爆破切缝侧超前切顶线0.6m处进行挡矸支护,先铺设一层钢筋网,钢筋网顶端与顶网连接,底端与底板接触。钢筋网与钢筋网之间搭接100mm,并用14#铁丝每隔300mm捆绑一次,扭结不小于3圈。然后紧贴钢筋网铺设一层风筒布,风筒布尺寸为3600mm×2000mm,风筒布从顶板处向巷道侧折出600mm,折出部分与顶板铁丝网用14#铁丝连接,下边从底板处向巷道侧折出500mm,将折出部分折叠与36U型钢埋入底板,风筒布搭接宽度为1000mm。

挂好钢筋网和风筒布后,在沿顶板爆破切缝处采用可缩性36U型钢加强挡矸支护,36U型钢的平面侧沿切缝孔按照间距600mm布置。36U型钢采用上下两节卡缆连接,卡缆上下距36U型钢搭接端各100mm,搭接长度不小于1m,上面一节36U型钢顶端中心焊接φ22×350mm的螺纹钢,焊接150mm,外露200mm。上下固定36U型钢棚:先固定下面一节,底端采用挖柱窝埋入底板,埋入底板不小于300mm,底端使用木楔将其紧固。上面一节将外露螺纹钢插入顶板固定孔(距切缝孔140mm靠巷道侧打孔)内,插入量不小于200mm,上下两节36U型钢搭接处,上面一节靠留巷侧,下面一节靠落山侧。横向固定36U型钢:相邻两架36U型钢棚采用拉杆固定,拉杆两端采用螺栓分别固定在相邻两个卡缆上。

(5)巷道支护

①超前支护区(煤壁前方0~30m)。这段巷道位于工作面的超前采动影响区域内,因此需要进行超前加强支护。3402胶带巷超前维护,从工作面切眼开始采用三根DW31.5-200/100单体液压支柱配合4m“π”型梁进行支护,形成“一梁三柱”支护形式。即在3402胶带巷距采帮侧0.4m处支设一根单体液压支柱,在距煤柱帮侧0.2m处支设一根单体液压支柱,中间一排单体液压支柱在距采帮侧1m处支设(中间一排支柱紧跟破碎机支设),排距为0.9m,两边两排支护长度不少于30m。后期超前支护引进超前液压支架支护。

②留巷临时支护区(架后0~200m)。留巷临时支护主要采用DW31.5-200/100单体液压支柱配合4m“π”型梁进行支护,排距为900mm,形成“一梁四柱”支护形式,沿空留巷架后临时支护剖面图。后期留巷滞后支护引进门式支架支护,并配备无轨胶轮车运输支架。

③成巷稳定区(架后200m之后)。根据矿压监测分析结果和现场实际情况,此段巷道受采动影响较小,当留巷顶、底板及两帮变形量每月大于10mm/m时,继续采用“一梁四柱”支护形式,维护顶板。后期利用门式支架支护后区段、逐架交替进行支护与前移及回撤。

4.留巷矿压监测及效果分析

(1)巷道表面位移监测分析。巷道围岩变形观测采用十字观测法,初采期间在留巷内每隔20m设置一个观测点,正常回采期间每隔50m设置一个观测点。根据留巷50m内的测点监测数据分析,两帮相对移近量在0~10mm,平均4mm,主要为留巷16~32m段煤柱帮有8~10mm移近量。顶底板相对移近量在0~216mm,顶板下沉量监测为0~6mm,平均下沉量为4mm;底鼓量在0~210mm,平均底鼓量为90mm,主要为留巷16~32m段巷道底板有80~210mm底鼓量,分析主要受初采初放动压影响。留巷矿压显现主要表现为底鼓,随着回采的推进,预计留巷底鼓量将进一步加大。

(2)巷道顶板离层监测。巷道顶板离层监测采用顶板离层仪,留巷内每隔20m安设一组。根据顶板离层监测数据,1#顶板离层量浅部基点最大变化值为3mm,深部基点变化值为1mm;2#顶板离层量浅部基点最大变化值为4mm,深部基点变化值为1mm;3#顶板离层量浅部基点最大变化值为7mm,深部基点变化值为4mm;4#顶板离层量浅部基点最大变化值为8mm,深部基点最大变化值为9mm;尤其4#测点正处于工作面机头1#支架处。

5.经济社会效益

采用“110工法”取消了区段煤柱,矿井每年可多回采3#工作面煤柱储量5.1万吨,多回采4#工作面煤柱储量12.4万吨,总计多回采煤炭区段煤柱资源17.5万吨,折算精煤11.4万吨,按照目前精煤销售价格1450元/吨计算,价值近1.65亿元。对促进煤炭开采技术升级、提高企业安全高效发展具有深远意义。

6.结论

(1)对于类似条件下的薄煤层开采工作面,切缝孔深度6.0m,切缝面与铅垂线夹角为15°,切缝孔间距500mm,装药结构2+1+0,可实现较好的切顶卸压效果。(2)留巷内架后200m巷道矿压显现已稳定,可对临时支护单体“π”型梁进行回撤复用,实现高效生产。(3)留巷挡矸支护根据巷道矿压监测分析,挡矸支护间距可增加至0.8m,以减少材料投入,并降低留巷支护工程量及职工劳动强度,复用巷道时,挡矸U型钢可全部回收复用。(4)沿空留巷构造影响区矿压显现主要表现为巷道底鼓,分析与预裂爆破后聚能流的集中张拉应力有关,与形成的预裂面有关,直接影响切顶效果。

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