梁洪光,沈 健,李建中

(山東省武所屯生建煤礦,山東滕州 277500)

無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)在徐莊生建煤礦的應(yīng)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(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)是采煤方法的一項(xiàng)重大技術(shù)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(jìn)行無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù),總結(jié)了該礦經(jīng)過(guò)多年的探索和使用的經(jīng)驗(yàn),使該技術(shù)日趨完善、成熟。

無(wú)煤柱開(kāi)采;沿空留巷;壓力;支護(hù)

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(shè)計(jì)生產(chǎn)能力 300kt/a,2007年核定能力為 780kt/a。目前主要開(kāi)采上石炭統(tǒng)太原組 12下煤層和 14煤層。通過(guò)地質(zhì)資料分析,12下煤層賦存穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhì)泥巖為主,平均厚度 4.43m,粉砂巖次之,平均厚度 7.29m?；卷斠苑凵皫r和細(xì)砂巖為主,其次為中砂巖,局部為砂質(zhì)泥巖及細(xì)粉砂巖互層。頂板泥巖加權(quán)平均抗壓強(qiáng)度 42.4MPa,砂質(zhì)泥巖加權(quán)平均抗壓強(qiáng)度59.0MPa。初垮步距 20～25m,周期來(lái)壓步距 8～10m,屬 3類(lèi)直接頂板,Ⅱ級(jí)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(qiáng)度 145.6MPa。

1.2 無(wú)煤柱開(kāi)采狀況

無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)是采煤方法的一項(xiàng)重大技術(shù)改革,自 20世紀(jì) 50年代,在國(guó)外就開(kāi)始無(wú)煤柱開(kāi)采試驗(yàn)和應(yīng)用,提高了煤炭采出率,增加了生產(chǎn)的連續(xù)性,改善了巷道維護(hù),降低掘進(jìn)率,對(duì)避免因煤柱和丟煤等引起的井下災(zāi)害有明顯的效果。隨著無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,使采區(qū)巷道的布置等諸多方面產(chǎn)生了相應(yīng)的變化。

沿空留巷是無(wú)煤柱開(kāi)采普遍使用的一種護(hù)巷方式。我國(guó)的沿空留巷技術(shù)主要在條件較好地薄煤層采煤工作面推廣應(yīng)用,當(dāng)前,對(duì)沿空留巷的圍巖活動(dòng)規(guī)律以及沿空留巷的支架?chē)鷰r關(guān)系已基本了解,從而為無(wú)煤柱開(kāi)采沿空留巷的支護(hù)創(chuàng)造了有利條件。根據(jù)我國(guó)無(wú)煤柱開(kāi)采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),沿空留巷比沿空掘巷有許多技術(shù)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(jīng)過(guò)多年的探索和應(yīng)用,對(duì)該技術(shù)已較好地掌握和完善,并取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2 無(wú)煤柱開(kāi)采沿空留巷方案

沿空留巷的支護(hù)方式分為 2大類(lèi),一類(lèi)為被動(dòng)支護(hù)方式,另一類(lèi)為主動(dòng)支護(hù)方式。徐莊生建煤礦的被動(dòng)支護(hù)方式選擇沿采空區(qū)壘矸石充填帶;主動(dòng)支護(hù)方式在掘進(jìn)期間選擇錨網(wǎng)、錨網(wǎng)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(yīng)用在對(duì)拉工作面和單面的材料巷。

2.1 掘進(jìn)期間留巷方案及支護(hù)方式

根據(jù)該礦巷道頂?shù)装宓囊平俊蓭偷囊平?、破壞程度等情況,設(shè)計(jì)沿空留巷的掘進(jìn)巷道為矩形斷面。

(1)對(duì)拉工作面 (面長(zhǎng)約 180m)材料巷沿空留巷 巷道規(guī)格為 2.2m ×2.2m(寬 ×高),預(yù)留0.2m的變形空間。支護(hù)方式頂板為錨網(wǎng) +矩形鋼帶支護(hù),兩幫為錨網(wǎng)支護(hù),該巷道作為下一工作面的材料巷使用。見(jiàn)圖 1。

(2)單面 (面長(zhǎng)約 150m)材料巷沿空留巷巷道規(guī)格為 3.6m ×2.6m(寬 ×高),預(yù)留 0.4m變形空間。頂板為錨網(wǎng)索支護(hù),兩幫為錨網(wǎng)支護(hù),該巷道作為下一工作面的運(yùn)輸巷使用。見(jiàn)圖 2。

圖1 對(duì)拉面沿空留巷

圖2 單面沿空留巷

2.2 采煤期間支護(hù)方式

2.2.1 被動(dòng)支護(hù)

該礦的被動(dòng)支護(hù)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(mǎn)接實(shí),要壘成直線,大塊矸石在外,小塊矸石在內(nèi),矸石帶必須砌接到頂,頂板和垛墻的縫隙應(yīng)用石塊塞緊,使之有足夠的支撐力。

2.2.2 主動(dòng)支護(hù)

(1)對(duì)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(yùn)送材料和回風(fēng) 2種功用,服務(wù)于 2個(gè)工作面,服務(wù)年限為 2～3a,掘進(jìn)期間只采用錨網(wǎng) +矩形鋼帶支護(hù),由于該巷道在沿空留巷期間必然要經(jīng)歷一次動(dòng)壓影響,為滿(mǎn)足接續(xù)工作面 (102工作面)的回采要求,在該巷道內(nèi)采用工字鋼架棚支護(hù),超前回采工作面 40m架棚,棚距 0.8m,棚梁長(zhǎng) 2.0m,棚腿長(zhǎng) 1.8m,棚上方采用木料接頂。同時(shí)超前支護(hù)支設(shè)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(fēng)巷,202工作面回采期間該巷道作為 202工作面的運(yùn)輸巷和進(jìn)風(fēng)巷。由于該采區(qū)采用綜掘機(jī)掘進(jìn),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(lái)的工字鋼架棚支護(hù)已不能滿(mǎn)足該巷道的支護(hù)要求,經(jīng)過(guò)反復(fù)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(lián)合架棚的支護(hù)方式,單體液壓支柱型號(hào)為 DW31-180/100X。排距1.0m,棚距 0.8m,棚梁長(zhǎng) 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(hù)材料和支護(hù)參數(shù)

2.3.1 頂板支護(hù)

對(duì)拉工作面材料巷沿空留巷 采用錨網(wǎng) +矩形鋼帶支護(hù)。錨桿為無(wú)縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼樹(shù)脂錨桿,規(guī)格為 φ16mm×1800mm,每排 5根,間排距800mm×800mm,采用 K2350型樹(shù)脂錨固劑錨固,錨固力不小于 50kN,錨桿外露長(zhǎng)度為 15～50mm。錨桿托盤(pán)為高強(qiáng)度拱形,規(guī)格為 125mm×125mm×10mm(長(zhǎng) ×寬 ×厚),由鋼板壓制而成。網(wǎng)采用金屬菱形網(wǎng),絲徑 4.0mm,網(wǎng)格 80mm×80mm,網(wǎng)片規(guī)格為 3600mm ×1000mm(長(zhǎng) ×寬)。鋼帶采用 φ8-14mm的鋼筋焊接而成,鋼帶規(guī)格為2200mm×50mm(長(zhǎng) ×寬),用錨桿托盤(pán)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(wǎng)索支護(hù)。錨桿為高強(qiáng)度螺紋鋼樹(shù)脂錨桿,規(guī)格為 φ18mm×1800mm,每排 5根,間排距 900mm ×900mm。采用 K2350型樹(shù)脂錨固劑錨固,錨固力不小于 50kN。采用金屬菱形網(wǎng),網(wǎng)片規(guī)格 3800mm×1000mm(長(zhǎng) ×寬),網(wǎng)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(hù)

對(duì)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(wǎng)使用雙抗網(wǎng),型號(hào)為 JDPP30MS40mm×40mm,規(guī)格 3000mm×1800mm(長(zhǎng) ×寬)。網(wǎng)要壓茬連接,搭接長(zhǎng)度不小于100mm,相鄰兩塊網(wǎng)之間要用 12～14號(hào)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(wǎng)使用雙抗網(wǎng),規(guī)格為2700mm×1500mm(長(zhǎng) ×寬)。型號(hào)和鋪網(wǎng)要求與對(duì)拉工作面材料巷沿空留巷相同。

2.4 施工工藝

采用MQT型風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)打頂板錨桿眼,Z MS型風(fēng)煤鉆打兩幫錨桿眼,采用 K2350型樹(shù)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(dòng)力。

3 沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律監(jiān)測(cè)與分析

未經(jīng)采動(dòng)的巖體內(nèi)應(yīng)力處于平衡狀態(tài)。工作面回采時(shí),打破了巖石原有應(yīng)力分布狀態(tài),從而使開(kāi)采空間處于高應(yīng)力狀態(tài),隨著采空范圍的增大,上覆巖層產(chǎn)生變形撓曲直至破壞冒落后,巖體內(nèi)的應(yīng)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(jìn)而不斷向前移動(dòng),其峰值的位置可深入煤體內(nèi) 2～10m,其影響范圍可達(dá)工作面前方 90～100m。回采工作面周?chē)С袎毫Ψ植既鐖D 3所示。

圖3 回采工作面周?chē)С袎毫Ψ植?/p>

為了確定上覆巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)沿空留巷巷道變形與破壞的影響,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析。

3.1 單體液壓支柱載荷監(jiān)測(cè)與分析

在 101工作面上材料巷中對(duì)工作面超前支護(hù)的單體液壓支柱每隔 2m設(shè) 1測(cè)點(diǎn),共設(shè)點(diǎn) 10個(gè),對(duì)超前支護(hù) 20m范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并隨工作面推進(jìn)依次增補(bǔ)前移測(cè)點(diǎn)。

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

3.2 圍巖表面位移監(jiān)測(cè)與分析

在 101工作面上材料巷中每隔 5m設(shè)置 1個(gè)表面位移測(cè)站,用于監(jiān)測(cè)頂?shù)装逑鄬?duì)移近量、兩幫相對(duì)移近量,監(jiān)測(cè)范圍 30m,共設(shè) 6個(gè)測(cè)點(diǎn),并隨工作面推進(jìn)依次增補(bǔ)前移測(cè)點(diǎn)。

通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),當(dāng)處于頂板來(lái)壓期間,超前巷道內(nèi)頂?shù)装逑鄬?duì)移近量平均達(dá) 35mm,兩幫累計(jì)移近量 35mm;而非來(lái)壓期間,超前巷道內(nèi)頂?shù)装逑鄬?duì)移近量平均 20mm,兩幫累計(jì)移近量 10mm。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),巷道位移超前明顯范圍為 10m左右,超前 10m以遠(yuǎn)處,巷道表面位移很小。

3.3 巷道頂板離層監(jiān)測(cè)與分析

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

通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),頂板離層主要發(fā)生在直接頂和基本頂之間、直接頂內(nèi)部 2個(gè)位置,當(dāng)超前工作面20m以遠(yuǎn),直接頂與基本頂之間有微弱離層;在超前工作面 20m范圍內(nèi)時(shí),不僅直接頂與基本頂之間離層程度增強(qiáng),且直接頂內(nèi)部也將產(chǎn)生離層。

3.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

綜合監(jiān)測(cè)結(jié)果,沿空留巷能夠滿(mǎn)足下一工作面回采的需要,同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況,采取了一些加強(qiáng)和調(diào)整措施,如在個(gè)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(shù)的使用日趨成熟。

4 無(wú)煤柱開(kāi)采沿空留巷效果分析

4.1 技術(shù)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(jìn)率,縮短采區(qū)、工作面接續(xù)準(zhǔn)備時(shí)間。

(3)通過(guò)監(jiān)測(cè),可以基本掌握沿空留巷巷道的受力狀況,巷道的維護(hù)維修較為安全與簡(jiǎn)單。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益顯著

近 10年來(lái),徐莊生建煤礦通過(guò)無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用,減少巷道掘進(jìn)約 6400m,多回收煤炭(煤柱)約 75kt,增加經(jīng)濟(jì)效益達(dá) 2500萬(wàn)元。其中減少掘進(jìn)費(fèi)用約 300萬(wàn)元,回收煤炭 (煤柱)效益約 2200萬(wàn)元。同時(shí)沿空留巷所用支護(hù)材料可回收后重復(fù)利用,工字鋼 100%回收,木料回收80%,進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。

5 結(jié)論

無(wú)煤柱開(kāi)采沿空留巷技術(shù)具有掘進(jìn)率低、采出率高等優(yōu)點(diǎn),在徐莊生建煤礦使用效果良好,對(duì)條件適宜的礦井有一定的推廣價(jià)值。

[1]張榮立,何國(guó)偉,李 鐸,等 .采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2003.

[責(zé)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(jí)工程師,總工程師,一直從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。