缓倾斜炮采工作面沿空留巷技术的探讨与应用

缓倾斜煤层炮采工作面沿空留巷技术的探讨与应用摘要：介绍了***矿在缓倾斜炮采工作面采用砌筑矸石墙和留小护巷煤柱两种方式实行沿空留巷的工程实践。沿空留巷技术能够减少巷道工程量，缓解采掘接替紧张的矛盾，提高煤炭回收率，具有明显的技术经济效果。为类似条件的煤矿沿空留巷提供了有益的借鉴。关键词：缓倾斜煤层炮采沿空留巷沿空留巷是在工作面后方沿采空区边界维护巷道。沿空留巷能合理开发煤炭资源、提高煤炭资源采出率，减少巷道掘进量、缓解采掘接替矛盾，有利于矿井安全生产和提高矿井技术经济效果。因此，沿空留巷技术受到研究部门和生产部门的高度重视。上世纪60年代英国、德国开始采用。这些发达国家非常重视这种一次性能源的开采。分别采用前进式和后退式的工作面沿空留巷方法以实现无煤柱开采。现在基本普及无煤柱开采。国外目前主要以无机有机混合结构形式结合钢结构骨架实施沿空留巷隔墙。我国上世纪70年代引进使用，那时候因为经济基础等因素影响，所采用的方法都没有广泛适应性。后期出现的“高水材料”成本过高、强度和耐久性不足、特别是没有掌握矿山压力规律，从根本上扭转巷道维护困难的局面而没有得到推广。湖南华润煤业****在开采实践中，探讨应用了沿空留巷技术，并取得了较好的技术经济效果。1、沿空留巷理论简述沿空留巷技术是人们对采场矿压和岩移进行了大量研究后的应用结果，人们对采场矿压和岩移从各个方面进行了研究，提出了十余种假说，这些理论从不同方面解决了现场问题，比较一致的将采场进行了区带划分。采场地围岩从底板到地表，按照各部分岩体移动规律的特点，划分为四个区，三个带（如图1所示）。沿空留巷技术充分利用应力降低区，减轻矿压对巷道的影响。图1采场岩移与矿压的区带划分示意图(1)弹性区(2)塑性区(3)铰接拱梁区(4)压缩下沉区(A)冒落带()裂隙带()弯曲下沉带UA=UmaxABUB=Umax应力降低区应力升高区原岩应力区稳压区矿压U=U（x、y、z）tUA=常量UA=常量1.1、各个区的基本特点在横的方面上，按照岩移、应力、矿压的特点，整个采场围岩可划分为四个区域。1.1.1、弹性区：岩体处于原岩应力场里，垂直方向上的应力бy≈γ.H，其中γ为岩体平均容重，H为煤层埋深度；其矿压U接近等于一个常量；岩体主要表现为弹性性质。这个区域受到采动影响很小。1.1.2、塑性区：岩体处于爱采动影响的应力场里，受到集中应力作用，垂直方向上的应力бy，一般可升高2～5倍，矿压U是三维空间（x,y,z）和时间的函数。这个区域里的岩体受到高应力和高矿压的作用，发生以塑性变形为主的变形；其中水平方向的变形大于垂直方向上的变形。岩体由于塑性变形，还会产生许多肉眼看不到的滑移面，其形状和密度是岩体，应力场，采掘生产因素综合作用的结果，是一种十分重要的弱面。1.1.3、铰接拱梁区：这个区域位于控顶区斜上方不大的一个范围里。这个区域的主要特点是破断岩块能够依靠触点上的挤压力和摩擦力，相互铰接起来，形成三铰供式平衡。其平衡条件和失稳，这个区域里的岩块，都位于岩层下沉曲线的拐点附近，各个不同岩层之间离层现象最严重。这个区域应力最低，但矿压的绝对值都很大，岩体在塑性区域已出现许多滑移面，强度大大降低，到这个区域里又受到很大的矿压作用，因此破坏更为严重。1.1.4压缩下沉区：这个区域位于岩层下沉曲线拐点岩块以后的范围里，主要特点是被开采破坏了的岩体，在重力作用下受到压缩，由采动产生的裂缝开始闭合，主要作下沉运动。在这个区域里，离开采面的距离愈远，岩体受到的应力愈大，而矿压U愈小；所以，离采面距离逾远，岩体下沉的速度愈小；当应力恢复到原口岸岩应力状态时，矿压趋近一个常量，下沉速度变为0，岩体被压实。1.2、各个带的基本特点由下向上，直到地表，采空区的围岩可划分成三个带：冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。1.2.1、冒落带：冒落带通常是由伪顶构成的，主要特点是在控顶区后面岩层受到最严重破坏，破碎岩块成杂乱无意排列，或者虽成层排列，但岩块之间无水平力联系，不能形成三铰拱结构，同时碎胀系数最大。冒落带对裂隙带起支撑作用，具有散体性质。1.2.2、裂隙带：通常由老顶和老顶上面部分分岩层构成。主要特点：在绞接拱岩梁区域里，能形成三铰拱结构，当自身能平衡时，保护控顶区只有失稳时，才对控顶区产生强烈的来压影响。1.2.3、弯曲下沉带：位于裂隙带之上的岩层。主要特点，岩层只发生塑性弯曲下沉，在下沉曲线拐点附近，虽出现少数裂隙和离层，但导水，透气性极差。岩层下沉曲线非常平缓。2、沿空留巷工程实践2．1、工程概况2.1.1、矿井概况****矿井开拓方式为反向穿层斜井开拓，井口标高＋150m通风方式为中央边界式。矿井设计能力为300kt/a，核定生产能力为300kt/a。井筒落底至-200m水平，然后以一对暗斜井延深至二水平—-450m水平。矿井共划分为二个水平开采。井田主要含煤地层为中生界三迭系上三迭统杨梅垅组，共含一、二、三、付三、四五个煤层，主要开采二煤及四煤层。煤层属低沼气煤层，绝对瓦斯涌出量0.59m3/min，相对瓦斯涌出量1.0m3/t日。煤层无自燃现象，但煤尘有爆炸危险，煤尘爆炸指数：二煤28.71%，四煤24.69%，均超过了15%，属易爆煤层。2.1.2、工作面概况八一矿井在21414及上2244工作面采有了沿空留巷技术，21414工作面位于上21采区，开采四煤层，工作面斜长80m,对应地面标高＋150米～＋200米，工作面上顺槽（回风巷）水平标高为－399m；下顺槽（进风巷）水平标高为－375m，回采工作面到地表的垂直深度为525m～599m。工作面煤层平均厚度1.8m，平均倾角24°，平均倾斜长60m。21414工作面的接替工作面为21416工作面，两工作面是21采区的最后两个紧邻的同煤层工作面，考虑接替的原因，采用了沿空留巷技术，将21414工作面下顺槽留作了21416工作面的上顺槽。上2244工作面位于上22采区，背斜的东西两翼，分为上、下两个块段，开采四煤层，上、下块段共用一条风巷。工作面对应地面标高＋150m～＋200m，工作面上顺槽（回风巷）水平标高为－358m；下顺槽（进风巷）水平标高为－361m～-357m，回采工作面到地表的垂直深度为507m～561m。工作面煤层平均厚度2.0m，平均倾角14°，上块段平均倾斜长120m，下块段平均斜长70m。上2244工作面上、下块段开采采用了沿空留巷技术，将上块段上顺槽留作了下块段的上顺槽。四煤老顶为细沙岩，厚度3.2米，灰色石英细沙岩，硅质胶结，致密坚硬。直接顶为砂质泥岩,厚度4.03米，深灰色，贝壳状断口，含植物化石及菱铁质结核。无伪顶。直接底为沙质泥岩，厚度2.10米深灰色、夹菱铁质结核，含植物根部化石碎屑。老底为灰黑色，含菱铁质结核，石英细脉。根据实际测压资料，四煤工作面的矿压显现规律为：工作面的初次垮落步距为11～20m左右，垮落前支柱最大工作阻力为161.7KN，活柱最大压缩量13mm。初次来压步距为18～22m，顶板下沉量为100～200mm，147mm/h，支柱工作阻力为123.2KN。周期来压步距为10～15m，顶板下沉量为60～100mm，55mm/h，支柱工作阻力为120.5KN。超前压力影响范围12～20m，最强烈为8～12m。2．2、沿空留巷方式确定2.2.1、沿空留巷的型式及分析国内在应用沿空留巷时，绝大多数都要设置巷旁支护。国内应用广的巷旁支护主要有:木垛巷旁支护、密集支柱巷旁支护、矸石带巷旁支护、人造砌巷旁支护以及巷旁泵充填支护技术等，也有少数矿井尝试用锚杆作为沿空留巷巷内支护。木垛巷旁支护我国过去木垛巷旁支护应用较广，其形式一般是单排木垛。木垛作为巷旁支护优点:支撑面积大，稳定性好，用以挡矸比较有效，后期支承能力大。其缺点是:木材消耗量大，木垛属于支承支架，早期支承能力太低，木垛可缩量大，通常可以压缩到只有原始高度的40%-50%，而不能起到切断采空区顶板的作用。密集支柱作为巷旁支护是指随工作面推过之后，在采空区边缘新架设的密支柱，所用支柱有木支柱和金属支柱。密集支柱属于中强度、有限可缩量的窄幅巷支护类型。密集支柱比木垛省材，早期支撑性能好，可以进行切顶，架设方便，容易过改变架设密度而调节其承载能力，但密集支柱当顶板或底板较软时，集支柱易于插入顶板进行卸载，失去支撑和切顶作用，稳定性较差。矸石带巷旁支护，用矸石带作为巷旁支护是煤矿多年来一直采用的。矸石带属于宽幅大可缩量、支承巷旁支护类型。矸石带巷旁支护方式的最大的优点是它利用了本来是废料的天然矸石作支护料，从而可以节约大量的其它支护材料和相应的费用，对于顶板较稳定的巷道，只要能随工作面推进及时砌带，并保证砌筑质量，则沿空留下的巷道后期仍可起到较好的护巷效果。由于矸石带垒砌不易致密，故它在初期一般不承载，在工作面后方约20m以远阻力才逐渐上升。矸石带的压缩量可达原始高度40%-60%，压实后支承能力可以提高。在我国一些薄煤层矿矸石带的应用仍然不少。人造砌块巷旁支护。人造砌块作为巷旁支护，是为了节约木材、克服木垛可缩量大和承载晚等缺点发展起来的。这种支护形式的优点是材料来源广，价格低廉，可节约木材和金属支护材料，承载能力较大而可缩量不大，压缩2%就达到最大载荷。其缺点是受载超过抗压时砌垛(带)呈脆性破坏，一旦发生破坏承载能力迅速下降；此外砌垛(带)的稳定性较差，不宜用于高大的煤层。巷旁泵充填支护技术。巷旁泵充填支护技术是近年来发展起来的一种新型巷旁支护技术，包括硬石膏力输送充填技术和高水材料泵充填技术。德国的硬石膏充填材料主要由硬石膏和普通硅酸盐水泥组成。高水材料是一种新型的特种水泥混合材料，具有用量大(水体积比可达90%以上)、固体料用量少、凝固体韧性好等特点是一种理想煤矿井下巷旁充填材料。可基本上实现了机械化作业，大大轻工人体力劳动，提高工作的安全性。但目前由于该材料价格相对比较高，加之充填时必需使用抗静电、阻燃、增强塑料充填袋，费用较高，这样就限制了该材料在煤矿中大批量的进行巷旁充填应用。2.2.2、沿空留巷方式的确定根据对上述已有的沿空留巷型式分析，结合八一矿井工作面的实际条件及劳动组合情况，22414工作面下顺槽采用砌筑矸墙和在下顺槽抬双路抬棚的方式，矸石墙的主要作用是挡住采面采空区的矸石进入下顺槽并承受一定的顶板压力，下顺槽的双路抬棚的主要作用是承受顶板静压及开采动压。上2244工作面由于煤层倾角较小，煤层稳定，采用留设3～5m护巷煤柱，顺槽内抬双路棚的方式，护巷煤柱的作用类似于巷旁充填，主要起承压作用，双抬棚主要起承受动压作用。护巷煤柱下块段开采时回收，2．3、沿空留巷实践2.3.1、沿空留巷工艺22414及上2244工作面均炮采工作面，回采工作面采用打眼放炮方式落煤，可弯曲刮板运输机运煤。DZ型单体液压支柱配π型钢梁支护顶板。采用“三三控顶”方式，最大控顶距离2.8m，最小控顶距离2.8m，采用全部陷落法管理顶板。采用多循环作业方式，两班采煤，一班整修。上、下顺槽都使用方矿用11号工字钢支护，梯形断面。沿空留巷工艺；下顺槽超前支护→采煤放顶→砌筑矸石墙（留设护巷煤柱）→下顺槽采后修理。沿空留巷后，21414下顺槽顶底板相对移近量为0.3～0.6m,相对压缩率为15%～31%：两帮相对移近量为0.3～0.5m，相对移近率15%～25%。上2244上块段护巷煤柱支撑顶板的效果较好，顶底板的相对移近量为0.2～0.4m,相对移近率10%～21%，两帮相对移近量较小。2.3.2、主要技术措施在开采前方实行超前支护，支护抬棚棚梁使用木子，棚腿使用单体液压支柱，超前回采工作面30m以上。单体液压支柱支护在原掘进工字钢梁的下方。超前支护的单体液压支柱的初撑力达60KN以上。砌筑矸石墙滞后回采面切顶线3～5m，矸石墙下宽0.8m，上宽0.6m，矸石尽量采用块径0.2m以上的矸石，砌筑时尽量接顶严实。见图2。留设护巷煤柱时，煤柱倾向宽度3～5m，走向每隔20m与顺槽连通。禁止煤柱倾向宽度小于3m使煤柱失去支撑力。不允许煤柱宽度大于5m增加了煤柱量。见图3。180026001