張俊文,　趙景禮,　王志強,　李玉琳

(1.黑龍江科技大學 礦業(yè)工程學院, 哈爾濱 150022; 2.中國礦業(yè)大學 資源與安全工程學院, 北京 100083;3.黑龍江建筑職業(yè)技術學院 建筑工程管理學院, 哈爾濱 150025)

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厚煤層錯層位開采的實際應用

張俊文1,趙景禮2,王志強2,李玉琳3

(1.黑龍江科技大學 礦業(yè)工程學院, 哈爾濱 150022; 2.中國礦業(yè)大學 資源與安全工程學院, 北京 100083;3.黑龍江建筑職業(yè)技術學院 建筑工程管理學院, 哈爾濱 150025)

沿空留巷充填體及沿空掘巷煤柱直接支撐頂板是導致區(qū)段巷道底臌的原因之一,且維護困難,成本高昂。加之留巷充填時工藝復雜,影響了煤礦科學開采。以西山鎮(zhèn)城底礦錯層位開采為例,對其巷道布置及回采工藝進行分析。工作支架阻力及兩巷超前壓力等實測結果表明，工作面礦壓顯現(xiàn)由完全沿空進風巷至沿頂板回風巷呈單調(diào)遞減,錯層位開采進風巷超前支承壓力小于回風巷,完全沿空進風巷的變形量略大于沿頂板回風巷。其回采率顯著高于傳統(tǒng)的留保護煤柱開采方式。

錯層位開采; 現(xiàn)場觀測; 超前壓力; 圍巖變形

在煤炭安全開采中,相鄰工作面之間須留有保護煤柱或充填體。保護煤柱有寬煤柱和窄煤柱之分。寬煤柱由于處于原巖應力區(qū)而易于維護,所以被絕大多數(shù)礦山廣泛采用,但寬煤柱的煤損較大。窄煤柱和充填體護巷可以降低煤炭損失,近年來成為研究熱點并逐漸被推廣應用[1-8]。窄煤柱的寬度與煤層的地質(zhì)條件密切相關,若窄煤柱尺寸設計或支護方案不當,會引起煤柱受壓破壞,采空區(qū)透風嚴重,煤柱自燃和瓦斯爆炸事故時有發(fā)生。充填體護巷除工藝復雜外,充填體寬度增大會造成充填成本增加。當巷旁充填體寬度減小、強度不足時,充填體又會在上覆巖層作用下迅速破壞,失去支承能力,出現(xiàn)采空區(qū)漏風,引發(fā)采空區(qū)自然發(fā)火或瓦斯爆炸事故。

錯層位開采是20世紀提出的一種新的無煤柱開采方法[9]。近年來,錯層位開采得到不斷發(fā)展,已在山西西山等礦區(qū)成功應用,逐漸形成了較為完整的成套適用技術。我國厚煤層的產(chǎn)量和儲量均占總量的45%左右,山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)、山東省、安徽省等省區(qū)內(nèi)的礦區(qū)廣泛賦存類似條件的厚煤層。為此,筆者以錯層位開采在山西西山鎮(zhèn)城底礦的實踐應用為例,對該項技術進行分析,以擴大其在類似條件的煤層中推廣應用。

1　工程概況

1.1工作面布置

山西鎮(zhèn)城底煤礦工作面18111及相鄰18111-1工作面長度均為120 m。開采煤層為8#煤層,煤層賦存較為穩(wěn)定,平均煤厚5 m,平均傾角8°。工作面采用錯層位巷道布置,如圖1所示。18111為上一開采工作面,回風巷(副巷)沿頂板,進風巷(正巷)沿煤層底板布置。18111工作面開采結束待頂板垮落穩(wěn)定后,再開掘18111-1工作面的正、副巷。18111-1工作面進風巷布置于18111工作面回風巷靠近采空區(qū)一側(cè)。

圖1　錯層位開采試驗工作面布置

1.2巷道支護

18111-1工作面為錯層位開采試驗工作面。為了保證該工作面的安全開采,在距離18111工作面副巷約10 m處以5°變化率進行起坡,直到15°,形成一段三角底煤,并鋪設金屬網(wǎng)。相鄰的18111-1工作面正巷布置于此三角底煤中,頂板為18111工作面開采時鋪設的金屬網(wǎng)假頂,再上為采空區(qū)垮落矸石。18111-1工作面正巷上凈寬2.8 m,下凈寬3.6 m,凈高2.5 m。正巷支護形式為礦用11#工字鋼加工而成的金屬梯形棚,棚間距800 mm,棚梁長3 100 mm,棚腿長2 700 mm,棚腿分別向巷道兩幫外叉10°。

18111-1工作面副巷布置于實體煤中,巷道頂板為巖層,兩幫為實體煤。巷道斷面形狀為矩形,凈寬3.2 m,凈高2.8 m。巷道兩幫及頂板均為左旋螺紋鋼錨桿支護形式。兩幫錨桿每排各為三根,錨桿尺寸為φ18 mm×1 800 mm,間排距0.9 m×0.9 m。副巷頂板的錨桿尺寸為φ20 mm×2 200 mm,間排距1.0 m×0.9 m。巷道頂板局部錨索補強,錨索間排距1.5 m×3.6 m。

2　開采工藝

鎮(zhèn)城底礦錯層位開采采用三段式回采工藝,即放頂煤、分層采的上分層鋪網(wǎng)和下分層網(wǎng)下回采工藝。三種工藝分別應用于工作面的不同位置,三段式回采工藝布置如圖2所示。

圖2　三段式回采工藝示意

圖2中a段為鋪網(wǎng)工藝段,采用分層采的上分層回采方法。在該工藝中,有一段距離需要鋪網(wǎng),鋪網(wǎng)寬度按能覆蓋下一工作面進風巷道和過渡支架來設計,鋪網(wǎng)長度約為10 m。鋪網(wǎng)的目的是為18111-1巷道的掘進與回采作準備,鋪網(wǎng)適宜鋪頂網(wǎng),支架頂梁的前端留有一定的圓角,防止刮壞金屬網(wǎng)。18111-1工作面副巷的位置也需鋪網(wǎng),并向巷幫留有一定的搭接余量。對于相鄰的下一個工作面,這將是過渡支架所處的位置,鋪網(wǎng)的目的是防止割煤后架前漏矸。與此相鄰的18111-1工作面過渡支架段,其下將在冒落矸石穩(wěn)定后掘進下一工作面的正巷,需要注意聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量,該部分的鋪網(wǎng)長度須留有一定的余量,以保證相鄰工作面巷道的掘進。在網(wǎng)上回采工藝中,考慮到既節(jié)省材料又節(jié)省工時,同時兼顧網(wǎng)下回采時頂板維護與防止漏矸,鋪網(wǎng)長度為10 m。圖中c段為網(wǎng)下回采工藝段,這一段不需要鋪網(wǎng),但需要控制好采煤機割煤高度,防止割破金屬網(wǎng)而漏矸。在上一區(qū)段鋪網(wǎng)段下,考慮巷道和端頭支護距離,網(wǎng)下回采工藝計算寬度為8.5 m。圖中b段為放頂煤段,即除去以上兩部分外,在工作面中部采用放頂煤回采工藝。這是在工作面上部端頭放煤的第一道支架,應注意頂煤一側(cè)的混矸。如果上一個工作面鋪網(wǎng)的質(zhì)量好,可減輕這種混矸。

3　現(xiàn)場實測與分析

3.1工作面支架阻力

圖3　18111-1工作面支架工作阻力

現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn),該工作面周期來壓不明顯,來壓強度不大,每隔15～20個采煤循環(huán)有一次,周期來壓步距為9～12 m,礦壓顯現(xiàn)比較緩和。通過分析現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):采用錯層位巷道布置,首采工作面礦壓顯現(xiàn)較普通綜放面變化不明顯,在工作面各段分布比較均勻;接續(xù)工作面礦壓顯現(xiàn)與首采工作面相比有明顯變化,靠近采空區(qū)一側(cè)的壓力明顯高于工作面其他部分,而且向區(qū)段回風巷一側(cè)逐漸降低,呈單調(diào)遞減趨勢。分析其原因，可能是由于取消了區(qū)段煤柱,相鄰工作面之間形成了一個整體,靠近采空區(qū)一側(cè)反而處于一個超長工作面的中部位置。

3.2兩巷超前壓力

表1兩巷超前壓力觀測數(shù)據(jù)

Table 1Observation datas of advanced pressure

由表1可以發(fā)現(xiàn),進風巷(沿空巷道)超前支承壓力平均值小于回風巷,其原因是18111-1進風巷處于應力降低區(qū)中,進風巷所處的位置是煤層的底板,巷道上方為冒落矸石,吸收并耗散了來自老頂產(chǎn)生的能量,使得壓力顯現(xiàn)不明顯。對比于沿煤層頂板布置的回風巷,進風巷壓力還小于回風巷的支承壓力。由此可見,布置于采空區(qū)下的進風巷所承受的壓力較低,巷道也易于維護。圖4為18111-1進風巷(a)與回風巷(b)支護效果。

圖4　進風巷與回風巷支護效果

3.3兩巷圍巖變形

巷道圍巖變形采用“十字觀測法”,如圖5所示。鎮(zhèn)城底礦18111-1工作面進風巷圍巖變形觀測數(shù)據(jù)見表2。為了對比分析,將回風巷的圍巖變形觀測數(shù)據(jù)進行整理，見表3。

圖5　巷道十字觀測法示意

分析表2及表3數(shù)據(jù),進風平巷位移數(shù)據(jù)明顯小于回風平巷。進風巷圍巖表面變形經(jīng)歷了四個階段:第一階段巷道圍巖表面位移開始明顯加快,該階段距離觀測站約為21.0m;第二階段巷道圍巖表面位移明顯加快,該階段距離觀測站約為18.0m;第三階段兩幫及頂板位移進一步加快,該階段距離工作面約8.2m;第四階段巷道及兩幫圍巖變形量減小,該階段靠近工作面附近。

回風巷圍巖表面變形經(jīng)歷了三個階段:第一階段巷道圍巖表面位移開始變化,該階段距離工作面26.0m左右;第二階段巷道圍巖表面位移速度明顯加快,該階段距離工作面20.0m左右;第三階段兩幫及頂板位移進一步加快,該階段距離工作面10.7m左右。但巷道兩幫片幫的范圍進風巷大,頂板變形比進風巷小,究其原因,可能是回風巷頂板為堅硬巖石,進風巷頂板為垮落矸石,垮落矸石在給定較小支撐力的條件下,容易下沉,但壓力較小。因此,在實際工程中,完全沿空的進風巷在支護時只需考慮防止漏矸即可。

表2　進風巷圍巖變形觀測數(shù)據(jù)

表3　18111-1工作面回風巷圍巖變形觀測數(shù)據(jù)

現(xiàn)場礦壓觀測結果表明,錯層位開采兩巷同樣具有超前壓力影響范圍,大約在距離工作面26 m處。在距工作面約8 m處,支承壓力達到峰值,巷道變形量在此處的變化速度也達到最大,進、回風巷都出現(xiàn)了不同程度的片幫現(xiàn)象。總體看來,巷道壓力顯現(xiàn)及位移比較緩和,呈現(xiàn)出進風巷道壓力比較緩和,回風平巷壓力雖高,但容易維護的特點。

4　技術經(jīng)濟分析

鎮(zhèn)城底礦8#煤層平均厚度5 m,18111-1工作面長度為120 m,推進距離600 m。18111工作面與18111-1工作面巷道采用了錯層位布置,取消了原留設的10 m區(qū)段煤柱,工作面回采率提高了11.52%。由于實際地質(zhì)條件不同,類似礦區(qū)傳統(tǒng)放頂煤區(qū)段煤柱的寬度一般為20～30 m,若按20 m考慮,損失煤炭所占比例為23.6%,錯層位巷道布置與其進行對比,回采率可提高19.86%。

從凈增經(jīng)濟效益來看,增加值按每噸煤700元計算,18111-1工作面比分層開采凈增經(jīng)濟效益5.13億元,新增利稅2.31億元,比沿煤層底板巷道布置放頂煤凈增經(jīng)濟效益2.50億元。

從掘進成本來看,18111-1工作面應用錯層位巷道布置回采,比沿煤層底板巷道布置共計節(jié)省掘進費用246.02萬元。

5　結束語

錯層位開采采用三段式,即放頂煤、分層的上分層鋪網(wǎng)和下分層網(wǎng)下三種回采工藝,三種工藝用于工作面的不同位置。錯層位開采條件下的接續(xù)工作面礦壓顯現(xiàn)與首采工作面相比有明顯變化,靠近采空區(qū)一側(cè)的壓力明顯高于工作面其他部分,而且向區(qū)段回風巷一側(cè)逐漸降低,呈單調(diào)遞減趨勢。生產(chǎn)實踐表明,錯層位開采不僅可以消除相鄰工作面間留有的區(qū)段煤柱自然發(fā)火,還可以降低工作面兩巷的掘進及維護成本,更重要的是,錯層位開采可顯著提高工作面回采率。

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(編輯徐巖)

Application of stagger arrangement mining for thick coal

ZHANGJunwen1,ZHAOJingli2,WANGZhiqiang2,LIYulin3

(1.School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.School of Resources & Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China; 3.College of Construction Engineering Management, Heilongjiang College of Construction, Harbin 150025, China)

This paper is devoted to an alternative to backfill for gob-side entry retaining and coal pillar supporting roof directly for gob-side entry driving, which suffers from disadvantages, such as, greater floor heave vulnerability, more difficult support, higher cost of section roadway, and more complicated filling technology when retaining roadway, affecting science mining. The paper is based on the case of Xishanzhenchengdi which applies stagger arrangement mining, and describes roadway arrangement and mining technology and field observation of support working resistance and pilot support pressure. The results show that coal pressure appearance is the monotone decreasing from gob-side intake airflow roadway to return airflow roadway along roof; that pilot support pressure is smaller; that displacement in gob-side entry is little more than in roadway along roof; and that mining rate is higher than when coal pillars remain for mining as in traditional way.

stagger arrangement mining; pressure observation; pilot support pressure; surrounding rock displacement

2013-05-15

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12531570)

張俊文(1977-)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)涼城人，副教授，博士，研究方向：礦山壓力與巖層控制,E-mail：zhangjunwen1977@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.002

TD823

1671-0118(2013)04-0324-05

A