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1、大倾角易燃厚煤层区段孤岛煤柱放顶煤开采技术 杨永杰刘传孝吕 福军 ( 山东矿业学院山东泰安，2 7 1 0 1 9 ) 王品 ( 新汉矿务局山东新泰，2 7 1 2 0 0 ) 滴 要 针对单家村矿大倾角易 燃厚煤层分层开采留区 段煤柱的特点， 通过注 黄泥桨、预铺金属网形成的隔离 带沿 底分层沿空掘上回风 巷， 并在正常分层开 采的同 时， 采用 放顶煤一次性回收区 段孤岛煤柱， 从而买 现了 无煤柱开采，降 低了 煤炭资源损失。这种方法不仅 技术可行，而且工艺简 单、 成本低、效率高， 为同类大倾角易燃厚煤层的合理开采提供了一条新途径 羊辘 i f天倾 5A易)9 k 厚谋层孤 L , A
2、 L 柱无煤 柱开采放顶煤 0 引言 单家村矿主采煤层为 3 4 煤， 为大 倾角易 燃厚煤层， 煤层倾角 3 0 0 ， 煤厚平均 8 . 5 m, 硬度 1 .5 - 2 . 5 , 煤层自 燃发火期 3 - 6个月， 属低沼气矿井. 煤层顶底板柱状见图 1 , 采煤 方法是岩石集中巷分层下行垮落走向长壁开采， 主要巷道 布置形式为集中下山区段岩石 集中巷，区段垂高一般为 6 0 m.区段分层运输巷为 水平式布置，回 风巷为内 错式 布置区段间留设的 煤柱为梯形，上宽 1 5 m - 2 0 m ，下宽 2 5 m - 3 0 m.由 于这些煤柱的存在，曾 造成多 次煤层自 燃，严重地 影
3、响了 矿井的正常安全生产，同时也使大量 煤炭资 源丢失， 加快了矿井提前报废.因此，合理回收区 段孤岛煤柱、实现无煤柱开采，以延长矿井服务年 限，对于单家村犷及同类矿井具有非常重要的现实 意义和 长远意义 目 前我国比较成功的厚煤层无煤柱开采技术主 柱 状 1 V a ( . , ) 岩性 幸 1 2 . 0中粗砂岩， 灰白色 . 一 . ， 二 兰 6 . 0 砂质泥岩， 深灰色 巨 竺 三 三 巨 蛋 三 - ! : 5 3 煤层， 倾角 3 0 0 , 易燃，1 = 1 . 5 - 2 .5 一6 .0砂质泥岩 任井 三 三 I= :- :- ， 一 图 、 煤层顶底板柱状图 要 有两种
4、川 二 第一 种是分层开采留小煤柱沿空掘巷;另一种是近几 年发展的 利用高水速凝 材料加歼石粉在上、下区段间构筑隔离 带技术. 但这两种技术对于单家村矿较难实现. 大 倾 角 易 燃 厚 煤层 留 小 煤 柱分 四 层开 采 巷 道 布置 及 维 护困 难， 分 层 掘 进时 易 造 成煤 炭自 燃; 对于巷旁充填， 要求技术工艺比较复杂，同时需要投人大量人力物力 针对上述问 题， 结合单家村矿大倾角留 宽柱特点， 充分利用大倾角采空区研石自滑和黄泥浆下淌的 有利因 素，在上区段开采时采取加大注浆量、煤层超前注水和撒黄土等措施，并预铺两 层金属网， 形成一 个完整的自然采空区隔离带，在此基础上
5、， 再进行下区段底分层沿空 掘上回 风巷， 并利用 单体支柱带采区 段孤岛煤 柱2 1 ， 从而实现了无煤柱开采， 提高了煤炭 资源回收率. 巷道布置形式及回采工艺 |1|.|1.|卜!eseses|seeeeeeelll，1、fl.，11伪 1 8 1 1 . 1 沿空掘巷的巷道布丑形式 4 3 5 4工作面为四采区 五区段四分层( 底分层) 工作面， 上区段为采空区， 分层运输巷 为水平布置. 五区段分四 层开采， 已开采三层，分层采高 2 . 1 m ，回风巷为内 错式，两区 段间 形成一孤岛煤柱， 煤柱倾斜长3 0 m ， 厚8 .5 m , 4 3 5 4 面 风巷是 在煤层中沿空沿
6、底掘进. 巷道 布置形式见图2 . 1 430 Il 厂 汗 一 之 、 二 二 二 ，. 一 ， 住 l 刀r = 二 一 _ 1 二 二 “ 钱 ! / I ; 9 区 段间 孤岛 煤住 邝 二 二 二 二 二 二二 二二 二二 二 二二 二 4 3 5 4工作面 r 4- 4 一 几 尸 ， 二二 犷 二 ， ， 二书 一 一 一一 J 匕 A 1 一岩石集中回风巷 2 一岩石集中运输巷 3 一回风联络巷 4 一运输联络巷 5 一4 3 5 4沿空上回风巷 6 一4 3 5 4 运输巷 7 一 4 3 0一分层回风卷 8 一 4 3 5一分层回风巷 图2 4 3 5 4 工作面巷道布置平
7、剖面图 由于煤层倾角大，各 分层采过后， 冒落研石沿烦向 分别 充满各分层运输巷及其附近， _ _ 4 3 5 4 z 作 面 上 、 下 巷 均 沿 煤 底 掘 进 ， 支 护 采 用 矿 用 1 1 工 字 钢 棚 工 作 面 长 1 2 5 m , A 2 .3 5 m , 其中包括煤 柱长 3 0 m, 厚 8 . 5 m, 回收煤柱采用单体液压支 柱配铰接顶梁放 1 8 2 顶煤工艺.采用4 - 5 排控顶、 排距 l m， 柱距。 .6 m ，煤柱段 铺设经纬金属网，工 作面在双 层金属网假顶下采煤. 工作面采用 爆破落煤，塑料溜槽运输 全部陷落法管理顶 板， 控顶距最大 4 .8
8、 m ，最 小3 .8 m ， 放顶距 l m . 孤岛煤柱放顶煤是在最大控顶排时放 准 备班清浮煤后， 将 切顶线 上的U棚、 丛柱由第五控顶排移到第四排上，再在两排间铺设溜槽进行放 顶煤. 放煤顺 序自 上而下， 放煤口 间距1 . 2 m 放煤步距 l m .由于煤柱已 经多次反 复支撑，放煤非常顺 利. 2 矿压显现分析及安全技术措施 2 . 1孤岛 煤柱矿压显 现特点 4 3 5 4工 作面放顶煤所采煤柱是由 于上、 下区 段分层开采形成的3 0 m宽的 孤岛 煤柱， 煤 柱 两侧 顶 板垮 落已 十分 充 分 煤 柱 经 历上、 下 两 个区 段 上 面 几个 分 层 的 重 复采
9、 动， 在 。迭加支承压力的作用下使煤柱大部分或 全部 变为塑性区 而使支承压力向煤 柱内部转移3 1 见图 3所示 由于煤柱大部或全部被压酥，使顶煤比 较破碎，裂隙发育， 采用放 顶煤开 采非常有利。 同时，由于沿空上回风 巷处于老顶运动稳定后的低应力 区，因而矿压显现 较轻，有利于巷道维护. 1 一 4 3 0 区 段回 采时在煤柱上 引起的 支承压力分布 2 -4 3 5区段上面三个分层回采时在 煤柱上引起的支承压力分布 3 一煤柱上迭加支承压力分布 图3 孤岛煤柱支承压力分布示意图 2 2 沿空 上巷围 岩变 形分析 2 . 2 . 1 沿空上 巷掘进期问的围 岩变形 沿空上 巷掘进时
10、， 巷道避开了支承压力高峰的影响. 观测表明，掘进期间巷道围岩 变形量不大，见图4 所示. 由图中曲线可知，巷道掘进期间的围岩移近速度随 着时间的延长而呈负指数衰减， 其 过 程 可分 为 三 个 阶段 : ( 1 ) 变 形 强 烈阶 段， 掘 后 I d - 3 d ， 此 阶 段围 岩 变形 较 剧 烈， 顶底 板移近速度平均 变形减弱阶段， 掘后 4 d - 1 5 d , 顶底板移近速度下降到4 .8 m m l d 、 水平移近速度下降 到 3 . 8 m m l d ; 变形 稳定阶段， 巷道掘 1 8 了 一L 出 1 5 d后， 围岩变形趋于稳 定， 顶底板移近速度稳定在 2
11、 ,4 m m / d左右， 水平移近速度稳 定在 1 . 4 mm/d左右. 巷道掘进 期间围岩变形量不大， 顶底板总移近量 1 2 5 m m ，水平总移近量 l 0 6 m m. 说 证实了沿空掘巷处于低应力状态比较好 动动 掘出时间( 哟 4080加 日三目月泌湘应 明沿空上回 风巷在掘进期间一直保持稳定状态， 维护的结 论. 2 .2 . 2 沿空上 巷受采动影响 期间的围 岩变 形 随着工作面的 推进，煤 柱将承受本工作面 采动支承压力和上、下区段回采时在煤柱内形 成的固定支承压力相迭加的 作用， 使煤体深部 支承压力值进一 步升高， 煤体进一 步破碎，其 优点是利于放顶煤，不足之
12、处是巷道变形大， 支柱承载大， 钻底严重 观测结果表明， 顶板 来压时， 工作面支柱载荷 最大可达 2 3 8 k N ，是 平常的 2倍左右， 支柱钻 底量 达 2 8 8 m m ，片 帮也明显加剧沿空上巷在采动影响期间，顶 底 板 移近 量达 2 4 7 .8 m m ， 约为 掘进 期间 的 3 倍;两帮水平移近量在采动影响期间达 5 4 3 . 8 m m ，约为掘进期间的4 倍 2 . 3 沿空上巷支架维护状况 在掘进期间， 巷道顶板完整， 支架顶梁未 见明显弯曲变形，支架完好无损， 但个别支架 上帮棚腿下部有内移现象尤其受回采影响 ，巴已划划阅艳琳图 图4 沿空上巷掘进期间围岩变
13、形曲线 时，在断层等地质构造附近， 沿空上巷两帮出现鼓帮，棚腿下部内移现象明显，个别地 段出现顶梁及棚腿弯曲， 腿梁结合部亲口 处错位 在工作面前方2 0 m - 6 0 m范围内， 有些 支架变 形压裂， 个别出 现折损; 在工作 面前2 0 m范围为严重影响区， 此间围岩变形剧烈， 支 架大量折损 此区间内支柱受压平均为 6 0 k N - 7 O k N ，因此虽然巷道围岩变形较严重， 但支护 强度能够满足控制巷道变形的目 的. 2 .4 主要安全枝术措施 ( 1 ) 为了 防 止 无 煤 柱开 采 采 空 区 漏 风 而引 起 煤 层自 燃， 上 区 段 分层 开 采时， 应 设有 完
14、 善的采后灌浆系统、 并严格检查灌浆质量，同 时要求分层运输巷沿上 帮底板铺设双层金 属网首先， 在上区段 分层回采时， 在风巷埋设注浆管， 并自上而下沿切顶线向冒落区 灌水， 使冒 落歼石尽快胶 结形成再生顶板， 避免采 空区漏风，防止遗煤自燃另外，在 工作面洒水是为了使浮 煤饱含水份， 被冒落研石压实后， 对形成再生顶板和防止浮煤自 燃都有重要作用。其次， 下区 段开采时，沿回风巷每隔3 m - 5 m向 煤柱打眼超前注水， 既 可减缓超前支承压力， 又利用 顶煤破碎，减少 煤尘，此外、 还可有效地防止 下区段各分 层回风巷煤柱接触面的自 燃， 也有利于此处控顶， ( 2 ) 沿 空 掘
15、巷 时， 要 在 四 分 层 假顶 下 跟 底 掘 进， 要 避 免 上 漂 和下 扎， 支 护及 时 ， 并 刹 好帮顶，以 缩短空顶、空 帮时间，使支架尽 快发 挥工作 阻力 1 8 4 ( 3 ) 回 采时，应尽量加快推进速度，月进度不低于 5 0 m ，使采空区残留煤未达到氧化 条件便进人 窒息带内， 并在放顶煤段向 采空区洒水， 进一 步防止遗煤自 燃。 ( 4 ) 采高不低 于 2 .2 m， 以利于顶煤的回收。 放顶煤遇周期来压时，片 帮严重， 放炮后 应及时挂梁，并支设临时柱， 支柱采用中悬梁，并严格二次注液措施，保证支柱初撑力 不低于8 0 K N, 使支柱尽早承载以利于支架
16、的稳定性. 3 技术经济效益分析 3 . 1 技术工艺简单， 成本低 沿空上巷利用上、 下区段倾斜分层采空区垮落充分的砰石， 通过注黄泥浆、预铺金 属网等， 形成一 个自 然研石隔离带， 简化了厚煤层无煤柱开采采用的小煤柱、充填等措 施， 在正常 分层开采的同时，一次 性回收煤 柱， 其工艺简 单、成本低、见 效 快 3 2 提高了 采区回采率，降低了 煤炭 损失 单家村矿实施这项新技术工艺以来， 在不增加 矿并其它负担的情况下， 通过计算煤 柱回收 率达8 5 %以上，仅4 3 5 一个区段便多回 收煤炭 1 0 5万吨， 创产值 1 1 5 8 . 7 万元. 从 而大大提高了采区回采率，减少煤炭资源损失、延长了矿井服务年限 3 . 3 巷道压力小，维
