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        煤與瓦斯突出煤層切頂卸壓瓦斯治理技術(shù)研究

        2023-12-09 06:42:30李永強
        石化技術(shù) 2023年12期

        李永強

        山西新景礦煤業(yè)有限責任公司 山西 陽泉 045000

        切頂卸壓自成巷技術(shù)是一項先進的無煤柱采煤技術(shù),得到廣泛的應(yīng)用。由于巷道切頂卸壓后工作面采空區(qū)間漏風量增加,同時也增大采空區(qū)遺煤自燃的危險性,給礦井安全生產(chǎn)造成威脅。為此,本文以新景礦3216工作面為工程背景,結(jié)合礦井地質(zhì)條件,在探究巷道圍巖應(yīng)力、位移場分布特征情況下,設(shè)計煤與瓦斯協(xié)同治理技術(shù),保證礦井安全生產(chǎn)。

        1 礦井概況

        新景礦位于山西陽泉市西部,井田面積59.3 km2,礦井生產(chǎn)能力750萬t/a。3216工作面現(xiàn)在開采3#煤層,煤層透氣性系數(shù)為0.0188~0.1377 m2/MPa2·d,煤層平均瓦斯含量為18.17m3/t,屬煤與瓦斯突出礦井。3216工作面東面為四采區(qū)集中巷道,南面為3403軌道巷、西面為未開掘區(qū),北面為3216軌道巷,工作面沿3#煤層頂板掘進,煤層厚約0.87m,地面標高857~950 m,工作面標高380~ 450m,本次切頂留巷設(shè)計3#煤層的3216工作面運輸巷,留巷長度為600m。

        2 工作面切頂卸壓自成巷技術(shù)

        2.1 切頂卸壓技術(shù)基本原理

        在工作面推進過程中,采空區(qū)頂板巖層的破斷 垮落形成砌體梁結(jié)構(gòu) , 其產(chǎn)生的鉸接應(yīng)力主要分為兩部分,一部分應(yīng)力將沿工作面回采方向向深部煤體傳播,即為工作面超前應(yīng)力; 另一部分應(yīng)力沿工作面傾向向兩側(cè)巷道煤(巖)層傳播,使得巷道側(cè)實 體煤柱應(yīng)力重新分布,并形成新的穩(wěn)定應(yīng)力區(qū),而此時垮落巖層所傳遞的鉸接應(yīng)力將會使巷道上方巖層應(yīng)力增大,可能造成巷道頂板突然來壓、偏幫甚至巷道頂板變形等影響。

        切頂卸壓自成巷技術(shù)是以“切頂短壁梁”理論為基礎(chǔ),采用聚能定向爆破、以實現(xiàn)定向預(yù)裂切斷巷道上覆巖層與采空區(qū)上方垮落巖層之間的鉸接物理聯(lián)系,使得采空區(qū)頂板巖層“自由”破斷垮落,減小采空區(qū)頂板破斷對巷道頂板巖層鉸接拉拽的擾動影響,同時進一步切 斷巷道與采空區(qū)頂板巖層間的砌體梁應(yīng)力傳遞的途徑,從而改善巷道頂板巖層的應(yīng)力環(huán)境。根據(jù)工作面切頂卸壓自成巷技術(shù)原理可知,在3216工作面推進過程中,不同位置巷道受采動影響程度不同。在工作面超前段會受到超前壓力的影響; 工作面開采后,頂板開采垮落,且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時間;而隨著工作面繼續(xù)推進,當巷道距工作面較遠時,頂板運動基本會趨于穩(wěn)定。因此將切頂卸壓側(cè)工作面采空區(qū)劃分為三個區(qū)域:超前支護區(qū)、超后臨時支護區(qū)和成巷穩(wěn)定區(qū)[1]。

        2.2 工作面切頂卸壓技術(shù)參數(shù)設(shè)計

        2.2.1 理論分析

        (1)切割縫角度。切割縫角度是指巷道切頂切割縫方向與垂直于頂板方向間夾角(圖1中的角a),在工作面回采前通過采用預(yù)裂爆破或水力割縫等措施對巷道頂板巖層進行預(yù)裂切割,使得工作面回采后采空區(qū)頂板巖層沿著割裂縫處發(fā)生破斷滑落。切頂卸壓技術(shù)切割逢角度一般為15°~20為宜,可避免巷道頂板大面積冒頂。結(jié)合地質(zhì)條件,最終將切頂卸壓切割逢角度確定為15°。

        圖1 3216工作面切頂卸壓示意

        2)切割縫長度巷道頂板最佳的切割縫長度應(yīng)滿足頂板切割垮落的巖層能最大程度的充盈整個采空區(qū)(圖1), 因此理想狀態(tài)下頂板切割縫長度Lc存在以下關(guān)系:

        式中,Lc-頂板切割縫長度,m;Hc為頂板切頂卸壓時定向預(yù)裂切割縫位置與頂板水平方向間的垂直高度,m;H-煤層厚度, m;k-巖層的碎脹系數(shù),1.3~1.8;a-切割縫角度,(°)。故根據(jù)3216工作面條件及現(xiàn)場實測結(jié)果,H=0.89m ,k=1.3,a=15°,計算預(yù)裂切割縫長度Lc≥3.07m。

        2.2.2 工作面切頂卸壓技術(shù)參數(shù)值分析

        根據(jù)以上理論分析可知,切割縫長度對于巷道頂板穩(wěn)定性及采空區(qū)矸石填充效果有著顯著影響。故為了確定3216工作面合理的切割縫長度,根據(jù)工作面的地質(zhì)條件及預(yù)裂切割縫理論長度Lc≥3.07m,采用FLAC3D數(shù)值分析方法,分別建立了切割縫長度為0,3,6m的切頂卸壓數(shù)值模型。

        通過對比可知:切割縫長度對于圍巖的卸壓程度顯著影響,如切割縫長度為0,3,6m時,巷道實體煤側(cè)應(yīng)力集中區(qū)的峰值分別為40,27.5,22.5MPa,表明切割縫長度增大(Lc=6m)時,切斷了采空區(qū)與巷道頂板巖層的應(yīng)力傳遞,降低了巷道實體煤側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)值峰值大小,與未采用切頂卸壓技術(shù)相比,切割縫長度Lc=6 m時,實體煤側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)值峰值大小下降了約56.25%,有效地控制了巷道變形;當切割縫長度為0,3,6m時,巷道頂板巖層的垂直位移最大值分別為150,120,60 mm,表明切割縫長度越大(Lc=6m)時,越能及時切斷采空區(qū)垮落巖層與巷道頂板巖層的鉸接聯(lián)系,使得采空區(qū)矸石沿著切割線垮落下滑,有效地控制了頂板的下沉量,減少了巷道支護成本的投入[2]。

        綜上分析可知,切割縫長度Lc=6m時,實體煤側(cè)應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力峰值較小,應(yīng)力峰值下降程度較大,巷道頂板巖層垂直位移最大值越小,有效地控制了頂板的下沉量因此,綜合確定了新景礦3216工作面運輸巷切頂卸壓技術(shù)參數(shù)為:切割角度為15°,切割縫長度Lc=6m。

        3 復(fù)合災(zāi)害治理技術(shù)的實踐

        3.1 切頂留巷技術(shù)工程實踐

        從3216工作面留巷段切頂卸壓施工起始位置,切頂孔采用自動成巷超前切縫鉆機施工,切頂孔沿3216運輸巷進行施工,距巷道采幫側(cè)100mm,切縫面與鉛垂線夾角為15°,切縫孔間距為500mm,孔深6000mm,隨后在施工完的爆破鉆孔中安裝BTC-1500型聚能管, 外徑42mm,內(nèi)徑36.5mm,管長1500mm,每鉆孔安裝聚能管,其中4.5m(3 根×1.5m)聚能管捅到孔底,封泥長度1.5m。

        3.2 切頂后封閉采空區(qū)防滅火技術(shù)

        易自燃煤層中,在煤體一定距離的深部,風流速度適中,煤氧化放熱量大于散熱量,煤體溫度不斷升高,最終自燃。為了防控切頂卸壓后采空區(qū)瓦斯大量涌向采掘空間及防止進風巷風流通過運輸巷 擋矸支架氧化采空區(qū)遺煤,故采用噴涂堵漏高分子材料(A、B料)按重量1∶1進行配比,對留巷側(cè)擋矸支護進行噴涂,主要對留巷側(cè)接頂處、檔矸底部及風筒布連接間進行噴涂堵漏,噴涂厚度為100mm。

        為了解決瓦斯抽采帶來漏風增加而導致自燃威脅增大的問題,在封閉采空區(qū)時增加擋風簾,同時通過對切頂后運輸巷噴涂高分子堵漏材料,進而抑制采空區(qū)瓦斯涌向采掘空間,阻隔遺煤與空氣接觸。

        在噴涂高分子堵漏材料之前,受到采空區(qū)采動垮落影響,大量瓦斯通過漏風流涌向采掘空間, 因此回風流中瓦斯?jié)舛燃帮L排瓦斯量變化浮動較大,且其值整體較高; 在向切頂留巷段噴涂高分子堵漏材料時,在堵漏材料經(jīng)過成型、固化、密封之后,回風流中的瓦斯?jié)舛群惋L排瓦斯量逐漸降低,最后回風流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.36%~0.41%。表明在切頂卸壓留巷后及時噴涂堵漏材料能及時切斷采空區(qū)瓦斯越流通道, 且封閉采空區(qū)效果較好。

        4 結(jié)論

        (1)根據(jù)巷道切頂卸壓后實體煤側(cè)應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力峰值及頂板巖層垂直位移分布特征,綜合確定了新景礦3216工作面運輸巷切頂卸壓技術(shù)參數(shù)為:切割角度為15°, 切割縫長度Lc=6m。

        (2)3216運輸巷留巷段噴涂高分子堵漏材料后及時切斷了采空區(qū)瓦斯越流通道,采空區(qū)往采掘空間滲漏瓦斯量大大降低,采空區(qū)封閉效果較好,有效降低瓦斯?jié)舛取?/p>

        由于瓦斯與火災(zāi)治理存在矛盾,減小配量、降低抽采負壓等有利于防火但不利于瓦斯防治,因此在突出易自燃煤層地質(zhì)條件下切頂卸壓自成巷技術(shù)應(yīng)以“以防為主、防滅結(jié)合、高度協(xié)同”防控思路為指導, 實現(xiàn)卸壓后及時切斷越流通道、采空區(qū)內(nèi)瓦斯精準高效抽出、同步噴灑霧化阻化劑, 即堵-抽-注協(xié)同治理。

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