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        礦井煤柱回收關(guān)鍵技術(shù)的研究

        2014-11-12 04:20:34高成良
        山西焦煤科技 2014年4期
        關(guān)鍵詞:采場煤柱頂板

        高成良

        (西山煤電股份德威礦業(yè)管理有限公司,山西 呂梁 033000)

        山西地區(qū)多數(shù)礦井采用的是房式開采,因不采煤柱,使得煤炭資源嚴(yán)重浪費,且井下滯留的煤炭在氧化過程中易自燃,而造成環(huán)境污染,所以,煤柱回收問題亟待解決。

        回收煤柱因工作面四周不全是實體煤,支架及工作面超前煤柱的穩(wěn)定性具有安全隱患,如何保證二者的穩(wěn)定性是煤柱回收的關(guān)鍵,經(jīng)過研究及實地考察,認(rèn)為采取讓壓煤柱和采場支護相結(jié)合,同時加強超前支護進行煤柱的回收是目前最有效的方法[1]。

        1 煤柱強度分析

        研究煤柱回收的前提是對影響煤柱強度的因素進行分析。由節(jié)理或裂隙切割成獨立的、互相排列與咬合的煤塊組成的煤體,具有不連續(xù)性的特點,這就是所謂的結(jié)構(gòu)面[2]。煤體與煤塊因煤體中存在結(jié)構(gòu)面使得二者力學(xué)性能存在較大差異。有時結(jié)構(gòu)面甚至可以完全決定煤柱強度。除結(jié)構(gòu)面外,煤的性質(zhì)、煤柱圍壓及寬高比也對煤柱強度有影響。

        1)煤的性質(zhì)。

        煤的性質(zhì)方面影響強度的因素較多,包括礦物程度、密度、顆粒粗細(xì)等,即使同一種煤強度也不同,一般情況下,強度與煤的密度成正比。

        2)煤柱中的結(jié)構(gòu)面。

        結(jié)構(gòu)面造成煤柱強度的各向異性和強度降低。試驗發(fā)現(xiàn),層狀煤在受到來自不同角度的單向壓縮時,隨著夾角的變化極限強度也發(fā)生改變,并且垂直層理方向的抗壓、抗剪強度大于平行層理方向加載時的相應(yīng)強度,而抗拉強度則小于平行于層理的抗拉強度,極坐標(biāo)中加載方向與結(jié)構(gòu)面夾角變化引起煤體強度變化的曲線示意圖見圖1。

        圖1 極坐標(biāo)中煤體強度變化的曲線示意圖

        由圖1可知,當(dāng)加載方向與結(jié)構(gòu)面的夾角η=0時,煤柱強度與煤塊強度等同,即強度變化曲線中的最大值σmax。在η=η1~η2范圍內(nèi),η越接近45°+φ/2,煤柱強度受結(jié)構(gòu)面影響越大;當(dāng) η=45°+φ/2時,剪切面正好與結(jié)構(gòu)面重合,此時,煤柱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切破壞,其強度就是結(jié)構(gòu)面強度,即曲線中的最小值σmin;當(dāng)η=90°時,破壞強度介于σmin和σmax之間,即為平行于結(jié)構(gòu)面受載的強度。

        3)煤柱寬高比對強度的影響。

        作為影響穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵因素,依據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)與研究成果可知,煤柱強度與其寬高比變化一致。煤柱強度與寬高比之間的關(guān)系圖見圖2。

        圖2 煤柱強度與寬高比之間的關(guān)系圖

        由圖2可知,在比值較小時,寬高比與強度幾乎成正比,變化較大。這是因為煤柱與頂?shù)装逑嗷プ饔卯a(chǎn)生的端面約束影響范圍較大,當(dāng)煤柱寬高比達到8時,若持續(xù)增加則煤柱強度基本不再增大。

        煤柱壓縮變形與寬高比之間的關(guān)系見圖3。

        圖3 煤柱壓縮變形與寬高比之間的關(guān)系圖

        由圖3可知,煤柱壓縮變形變化也是隨著煤柱寬高比增大而增大。同樣,當(dāng)比值達到8以上時,煤柱壓縮變形量也幾乎不變,其變形量不超過10 mm/m。

        2 讓壓煤柱的定義及其作用

        2.1 讓壓煤柱

        回收煤柱時,在工作面后方預(yù)留的一定量的小煤柱,即為讓壓煤柱。在工作面推進時,這種煤柱因頂板作用力過大而被迫損壞,但是在這個過程中,會產(chǎn)生一定的抵抗力而最終保持穩(wěn)定。其作用曲線見圖4。

        由圖4可知,煤柱雖然變形大,但仍能保持一定的支撐力。這樣可以利用支撐力使得煤柱回收工作面更加安全。工作面推進后,隨著頂板壓力的增大,這種煤柱會自動破壞、填埋到采空區(qū)中。煤柱大小可根據(jù)理論研究和現(xiàn)場實踐進行留設(shè)。

        圖4 巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

        2.2 讓壓煤柱的作用

        預(yù)留的讓壓煤柱降低了回收煤柱的危險,其作用主要有以下3點:

        1)讓壓煤柱可以暫時支撐頂板,為支架的搬移留出時間。

        2)因頂板的運動在回收煤柱時具有不穩(wěn)定性、隨機的特點,所以應(yīng)對這一過程進行監(jiān)測,而留下的讓壓煤柱不僅可以監(jiān)測頂板的位移量,還可以作為信號柱來預(yù)測頂板的來壓。

        3)讓壓煤柱可以延緩基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn),避免采場超前煤柱因受剪力過大而破壞,保證采場的安全[3]。

        3 煤柱回收采場的支護

        3.1 液壓支架的選型要求

        根據(jù)經(jīng)驗和礦井實際情況,煤柱回收使用的支架應(yīng)考慮以下幾點:

        1)支架具有和井下煤柱相匹配的高度。

        2)支架應(yīng)具有較大的初撐力及支護強度。

        3)支架的初撐力與工作阻力需保持合理關(guān)系。

        4)支架需有較強承受水平推力及側(cè)向力的能力。

        預(yù)留煤柱四周不是實體煤,承受水平推力的能力差。所以,所選支架應(yīng)具有較強的承受水平推力及側(cè)向力的能力。當(dāng)煤層傾角較大時,還應(yīng)加強支架的橫向防倒防滑能力,以保證綜放工作面正常生產(chǎn)。

        3.2 采場支護方式

        回收四周均已成自由空間的煤柱,要考慮煤柱的受壓,如果煤柱受力超過其抗壓強度就會破壞。除此之外,還應(yīng)考慮老頂回轉(zhuǎn)的影響,老頂回轉(zhuǎn)使得煤柱受剪力,剪力過大也會影響煤柱的穩(wěn)定。

        以平舒礦實際情況為例,對井下預(yù)留煤柱回收中,采用加大支護強度和留設(shè)小煤柱的方法,煤柱順利實現(xiàn)了回收。

        平舒礦11062工作面煤柱回收中,同時回收3個煤柱,見圖5。經(jīng)過實際跟蹤,工作面長52 m,支架跨度為2.2 m,經(jīng)計算可知:上下端頭所用21架支架,工作面采場的超前支護需要30架,回采工作面需要23架。超前煤柱被采動影響的范圍是40 m。所以,必須維護采場走向上的3個煤柱。

        圖5 回收1、2、3號煤柱之前采場支護系統(tǒng)圖

        對標(biāo)注的煤柱利用深孔爆破法在支架支護好后,進行回采,根據(jù)平舒礦的情況,在沿讓壓煤柱走向留余2 m,可以滿足要求。三煤柱回收后的工作面布置見圖6。

        圖6 回收1、2、3號煤柱后采場支護系統(tǒng)圖

        回收完1、2、3號煤柱后,在進行移架時,要做好保護所有煤柱的準(zhǔn)備工作,之后再對4、5、6號煤柱進行下一輪的回采。液壓支架移設(shè)完后的狀態(tài)見圖7。

        圖7 回收4、5、6號煤柱之前采場支護系統(tǒng)圖

        煤柱回收過程中不但要做好礦壓的觀測及來壓前的準(zhǔn)備工作,還要讓煤柱回收后令頂板自由垮落。若頂板懸頂跨距過大,需強制對頂板進行放頂。

        4 煤柱回收方法

        4.1 深孔爆破落煤

        在井下巷道的上下平巷及平行采面的煤壁上鉆出一個或一組與采面長度相等的深孔,實現(xiàn)同時爆落的方法,即為深孔爆破采煤法[4]。采用深孔爆破回收煤柱,在單個的煤柱上、下平巷內(nèi)打眼、裝藥和爆破,可降低工作面打眼的危險性。

        平舒礦煤柱的鉆孔采用的是調(diào)用定向?qū)к壍妮p型鉆機,保證其鉆孔方位。將導(dǎo)引藥包和爆索的尼龍繩由煤柱的一側(cè)引至另一側(cè)。爆轟波將通過導(dǎo)爆索通向炮孔深處,瞬間完成整個采面深孔的爆破。

        在爆破實踐中發(fā)現(xiàn)存在以下3點關(guān)鍵:1)在爆破中如果裝藥量與管道不耦合將產(chǎn)生管道效應(yīng)。2)爆破參數(shù)確定的合理與否將影響爆破的經(jīng)濟效益好壞。3)要選擇好適用于回采作業(yè)條件的鉆孔機。

        4.2 深孔爆破中管道效應(yīng)

        采用深孔爆破,因鉆孔過程、藥卷制造過程等多方面因素,會使藥卷與炮眼孔壁之間存在間隙,如果裝藥的長度大于臨界值,有很大幾率會發(fā)生爆轟中斷現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為管道效應(yīng)。

        管道效應(yīng)的存在,使爆藥的傳播不能順利進行,過程不穩(wěn)定,這樣便不能充分利用爆炸能量來破碎巖石,降低了爆破效果。

        通過試驗和沖擊波理論可以證明管道效應(yīng)的存在,根據(jù)爆破機理的試驗結(jié)果,可得出以下幾點結(jié)論:

        1)管道效應(yīng)的表現(xiàn)復(fù)雜多樣,并不只是某些炸藥中途熄爆。

        2)裝藥直徑、管壁的厚度與粗糙度、炸藥品種以及徑向氣隙厚度決定著超前空氣沖擊波的產(chǎn)生。

        3)管道效應(yīng)具有普遍性,試驗過的炸藥在特定條件下幾乎都存在。

        現(xiàn)階段主要采用增大裝藥直徑、加阻塞圈和研制新型炸藥等方法來克服管道效應(yīng)。對于20 m以下的深孔效果良好,但深度較長時便不易操作,平舒礦利用提高爆速的方法克服管道效應(yīng),應(yīng)用后發(fā)現(xiàn),爆破效果良好,幾乎克服了管道效應(yīng)。

        5 結(jié)語

        1)煤柱強度及煤柱壓縮變形變化隨著煤柱寬高比的增大而增大,當(dāng)比值達到8以上時,煤柱強度、煤柱壓縮變形量幾乎不變。

        2)利用讓壓煤柱進行煤柱回收,不僅保證了支架移動的時間,而且避免了煤柱的剪壞。

        3)采用深孔爆破降低了工作面打眼的危險性,爆破中產(chǎn)生的管道效應(yīng)利用提高爆速的方法可以解決。

        [1]張?zhí)烊?,魏棟梁,王悅?煤柱回收可行性分析[J].中國礦業(yè),2010(06):82-84.

        [2]高巖法.礦山巖體力學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2002:35-40.

        [3]李敬民,張忠敏,鄭秋生.采區(qū)下山煤柱回收方法的研究與應(yīng)用[J].華北科技學(xué)院學(xué)報,2003(01):23-25.

        [4]劉進曉,翟德元.房柱式開采體系煤柱回收關(guān)鍵技術(shù)研究[M].山東:山東科技大學(xué),2006:55-56.

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