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1、曲堤煤业33011与31011工作面之间下分层煤柱安全开采可行性报告沁和能源集团有限公司中 国 矿 业 大 学二一一年十月23目 录1生产地质条件12充填方案42.131011瓦斯尾巷充填方案42.231011回风顺槽和33011回风顺槽充填方案63下分层顶板稳定性分析与顶板管理83.1下分层顶板稳定性分析83.2液压支架工作阻力计算103.2.1液压支架工作状态的确定103.2.2液压支架工作阻力计算113.3下部煤层开采辅助技术123.3.1下部煤层架前顶板冒落问题及对策123.3.2下分层煤层片帮问题及对策134瓦斯管理145充填材料与工艺165.1高水充填材料简介165.2充填工艺18
2、5.3充填过程注意事项195.4人员配备206准备事项及经济效益核算216.1需要准备的材料及设备216.2成本概算211 生产地质条件曲堤煤业为煤与瓦斯突出矿井，开采的煤层为二叠系山西组下部的3#煤层，煤层埋深平均310m，煤层属特低硫、低灰分、高发热量无烟煤。煤层结构简单，厚度稳定，平均厚5.19m，煤层倾角35，容重1.45t/ m3，煤层中局部夹14层泥岩夹矸，厚度稳定，结构简单。采用分层开采，先采上分层。 为降低上分层工作面上隅角和回风巷的瓦斯浓度，在增加上分层工作面配风量的同时，额外配备一条专用瓦斯尾巷，形成“U+L”通风方式，距33011工作面回风顺槽7m、距31011工作面回风
3、顺槽20m布置1条31011瓦斯尾巷，供33011工作面和31011工作面排放瓦斯，这两个工作面于2010年前回采完毕。目前，已经掘进了下分层33012工作面回风顺槽和31012工作面胶带顺槽，为了提高资源回收率，准备将33012工作面回风顺槽和31012工作面胶带顺槽组合成33012工作面，其巷道布置示意图见图11所示。图11 33012工作面布置示意图33012工作面煤层顶底板岩性特征见表11所示。表11 31012工作面煤层顶底板特征顶底板名称岩石名称厚度（m）特 征基本顶中粒砂岩7.45深灰色，质地较坚硬，一般不易冒落。直接顶泥岩、粉砂岩5.0深灰色，开采达一定范围后开始冒落。伪顶炭质
4、泥岩0.2黑色薄层，随开采过程极易冒落底板砂质泥岩1.5深灰色，局部较软弱，开采时围压条件改变后可能产生底鼓现象。为了提高煤炭回收率、提高矿井生产效率，33012工作面（下分层）与上分层工作面呈外错型布置方式，如图11所示。在回采上分层31011和33011工作面时，为加强31011瓦斯尾巷支护，在31011瓦斯尾巷布置了大量木垛，因此，31011瓦斯尾巷存在空洞；31011和33011工作面的顺槽随工作面推进基本垮落，但这2条顺槽顶底板可能存在空隙，这对安全开采31011和33011工作面之间下分层煤柱存在以下影响：1）由于曲堤煤矿3#煤层为高瓦斯煤层，空洞、空隙内会聚积大量瓦斯，在下分层工
5、作面开采过程中，如果积聚的大量瓦斯突然释放，会影响安全开采；2）3条顺槽正下方液压支架不接顶，移架困难。为了解决以上问题，山西沁和能源集团有限公司、曲堤煤业有限公司与中国矿业大学合作，拟采取高水充填材料充填31011瓦斯尾巷、33011回风顺槽及31011回风顺槽，将空洞、空隙内积聚的瓦斯挤出、同时胶结冒落、松散的煤岩体，提高顶板稳定性，为开采31011和33011工作面之间下分层煤柱提供安全保障。拟采取以下方案：（1）采用高水充填材料充填满31011瓦斯尾巷，在33011回风顺槽及31011回风顺槽采用高水充填材料充填后形成0.5m厚胶结顶板；（2）在进行下分层工作面31012工作面回采时，
6、在瓦斯尾巷处超前循环探测，若发现空隙，再采用高水充填材料将空隙充填满，解决瓦斯尾巷正下方综采支架移架困难和瓦斯突然释放的难题；（3）在下分层回采过程中，加强工作面顶板管理和瓦斯管理。2 充填方案2.1 31011瓦斯尾巷充填方案从31012胶带顺槽（下分层）向31011瓦斯尾巷钻孔进行充填，如图21所示，首先从31012胶带顺槽垂直向31011瓦斯尾巷布置6个孔（等距离，每孔间距86m），孔径78mm，先从31012胶带顺槽通过钻孔将直径为70mm左右的PVC塑料管送到瓦斯尾巷附近，然后采用直径为3英寸、长度3m的钢管与直径为70mm左右的PVC塑料管连接、钢管做封孔管，采用瓦斯钻孔封孔材料进
7、行封孔，封孔长度为1.5m2.0m，钢管外端焊接一个快速接头，与充填高压胶管能够快速联结。（a）钻孔布置平面图（b）钻孔布置剖面图（图中单位：m）图21 瓦斯尾巷充填钻孔布置示意图施工步骤：（1）从31012胶带顺槽底板以上0.75m向上倾斜钻孔（角度6）对31011瓦斯尾巷进行钻孔直达该巷顶部，需打6孔（见实蓝线所示）；（2）向孔内塞入直径为70mm、长度为32m左右的PVC管；（3）向PVC管内塞入3英寸的钢管；（4）钢管与PVC管用封孔材料进行封孔，保证在充填时不跑浆液；（5）进行充填，依次通过6孔将31011瓦斯尾巷全部充填满，充满的标准是充填压力达到3MPa，充填量达到后面的预计量，
8、具体充填工艺见后面详细说明；（6）再在已充填的孔中间补打钻孔（见图虚蓝线所示位置），采用钻孔窥视仪观看第一次充填情况，采用以上步骤再进行补充填。为了进一步保证安全，在工作面回采期间从瓦斯尾巷下方的下分层工作面向前打探测孔，采用钻孔窥视仪观察瓦斯尾巷充填情况，若还存在较大空隙，再从工作面打孔充填，可保证瓦斯尾巷空隙充填满及消除瓦斯尾巷正下方移架困难，见图图22所示。图22 瓦斯尾巷工作面前方探孔布置示意图步骤：（1）工作面检修班期间，与工作面推进方向一致，每隔10m打一个水平长度15m的向上孔探测31011瓦斯尾巷充填情况；（2）采用钻孔窥视仪观察瓦斯尾巷充填情况；（3）根据观察情况，决定是否进
9、行充填；（4）若进行充填，采用水灰比为3：1的高水充填材料再进行充填，能快速凝固，不影响工作面回采；（5）重复以上步骤（1）（4），始终保持工作面煤壁前方5m的安全循环探测距离。2.2 31011回风顺槽和33011回风顺槽充填方案31011回风顺槽与33011回风顺槽充填孔布置见图23所示。图23 31011回风顺槽与33011回风顺槽充填孔布置示意图与瓦斯尾巷施工方案、步骤基本相同，在此不再详述。主要不同点在于：（1）从31012胶带顺槽打孔进行充填，充填固结厚度达到0.5m即可，保持能形成比较稳定的“假顶”。（2）高水充填材料水灰比为5：1，能胶结形成强度达到2MPa的固结体。3 下分层
10、顶板稳定性分析与顶板管理3.1 下分层顶板稳定性分析根据顶板结构及应力分布可沿倾斜方向将31012工作面顶板分为四种：煤柱下方顶板、上分层巷道下方顶板、采空区下方顶板、瓦斯尾巷下方顶板。下面分析这四种顶板的结构特征及对其稳定的影响。（1）煤柱下方顶板结构特征及稳定性煤柱两侧的上分层工作面回采后，在采空区侧向支承压力作用下煤柱两侧煤体的完整性相对差一点，一般顶板岩层结构较好，但支承压力较大，易发生片帮，顶板稳定性较好，现场应采取紧跟前滚筒移架、确保支架有较高的初撑力等方法来保持顶板稳定。（2）上分层巷道下方顶板结构特征及稳定性上分层工作面回采以后，两顺槽顶板基本垮落，但由于煤柱的支撑作用，靠近煤
11、柱附近的巷道下方可能存在空隙，因此采用高水充填材料充填空隙、胶结冒落的煤岩体，充填、胶结高度达到0.5m，因此，该范围顶板管理比采空区下方破碎顶板好管理、压力小于煤柱下方顶板，但由于胶结顶板强度还是小于原生顶板，现场应采取紧跟前滚筒移架、确保支架有较高的初撑力等方法来保持顶板稳定。（3）采空区下方工作面顶板结构特征及稳定性采空区下方顶板结构可归为碎裂顶板，顶板压力不大、周期来压不明显，但顶板破碎、下沉量较大，该范围顶板管理不在本课题研究范围内，根据以往经验，该范围现场顶板管理应当采取紧跟前滚筒移架、严格控制采高、采用较大的支架初撑力等方法来确保顶板的稳定性。（4）瓦斯尾巷下方工作面顶板结构特征
12、及稳定性位于瓦斯尾巷下方的顶板通过高水充填材料充填后，顶板稳定性比上分层巷道下方顶板好、比煤柱下方顶板差，但压力小于煤柱下方，回采时紧跟前滚筒移架、采用较大的支架初撑力等方法来确保顶板的稳定性。总之，上分层回采后改变了下层煤开采时的覆岩破断和移动特征；上分层采过后由于上覆岩层已遭受了大范围的破断和运动，整体性和稳定性已经发生了变化，故在下分层开采时，覆岩破断和移动特征发生了明显的变化。因此在31012工作面回采过程中其矿山压力显现和单一煤层工作面的开采不同。主要表现为：没有周期来压或者周期来压不明显、工作面超前支承压力较小、应力集中程度降低、支承压力分布平缓，但是端面顶板冒落较多、顶板下沉量较
13、大、煤柱下方工作面顶板压力较大等现象。回采时及时移架（紧跟前滚筒移架）、维修好乳化液管路和液压支架的液压系统，保持乳化液管理不漏液，保证支架初撑力达到额定工作阻力的80%，支架能达到额定工作阻力，确保顶板的稳定性。3.2 液压支架工作阻力计算3.2.1 液压支架工作状态的确定处于支架与围岩相互作用体系中的支架工作状态是支架与围岩关系的综合反映，也是基本顶的位态、直接顶、支架以及底板力学特性的综合体现。分析掌握支架的工作状态，对于及时调整和保持支架良好的工作状况、良好的支架与围岩关系具有重要意义。支架与围岩的工作状态有三种情况，分别是给定变形、给定载荷和处于这两种情况之间。当直接顶坚硬时，支架围
14、岩体系的变形量主要由支架承担。因此，可把直接顶视为似刚性体，此时，支架的工作状态为“给定变形”工作状态，即基本顶的“给定变形”经直接顶全部传到支架上，因此，顶板的下沉量由基本顶的回转量决定。 当直接顶软弱、破碎时，支架与围岩体系的变形量主要由直接顶来承担，相比之下，可视直接顶的刚度为零。此时，基本顶的“回转变形压力”被直接顶的变形所吸收，支架所承受的载荷为直接顶的重量。支架处在“给定载荷”工作状态。当直接顶介于软弱到坚硬时。支架与围岩体系的变形量是由直接顶和支架共同分配的。支架的工作状态是处于“结定变形”状态还是处于“给定载荷”状态，是由直接顶刚度和支架刚度的相对变化决定的。当支架处在“给定变
15、形”工作状态时，支架应具有足够的支护强度和可缩量；当支架处在“给定载荷”工作状态时，支架应具有足够的稳定性。33011工作面回风顺槽与31011工作面回风顺槽之间煤柱下方的工作面顶板好于软弱型顶板、但算不了坚硬，采空区下方顶板属于软弱破碎顶板。可以将其看成是似零刚度的直接顶，33012工作面液压支架的工作状态为“给定载荷”状态。3.2.2 液压支架工作阻力计算根据矿压理论，工作面支架承受的最大压力为4-8倍采高的顶板岩石重量，周期来压强烈时取较大倍数，周期来压不强烈时取较小倍数，煤柱下方工作面支架取最大倍数即取8倍采高的顶板岩石重量计算。P4=4hrl控bg=42.52.63.81.59.8=1453KNP8=4hrl控bg=82.52.63.81.59.8=2904KN试中：P4、P8工作面上覆4倍、8倍采高岩石所需支护强度； h工作面采高，2.6m； r煤层顶板岩石容重，取2.5t/m3；l控工作面最大控顶距，3.8m；
