无煤柱开采(采矿新技术之二)

无煤柱开采技术---采矿新技术之二目录1.无煤柱开采的概念2.无煤柱开采的意义3.沿空掘巷的位置与时间4.沿空留巷适应性分析5.预留变形巷旁充填技术6.充填开采技术7.实例1.无煤柱开采的概念无煤柱开采区段平巷无煤柱“充填开采”无煤柱沿空掘巷沿空留巷采空区完全充填局部充填回风大巷采空区区段小煤柱轨道顺槽沿空掘巷回风大巷采空区巷旁充填体轨道顺槽沿空掘巷回风大巷水平大巷采空区沿空留巷轨道顺槽工作面巷旁充填采空区完全充填矸石充填似膏体充填高水材料充填建筑垃圾充填采空区局部充填采空区局部充填2.无煤柱开采的意义无煤柱开采技术区段平巷无煤柱“充填开采”无煤柱冲击地压瓦斯与煤突出煤柱发火资源回收率采空区瓦斯抽放采掘关系资源回收率水资源地表环境承压开采水体下开采3.沿空掘巷的位置与时间沿空留巷巷旁充填沿空掘巷小煤柱护巷沿空掘巷大煤柱护巷外应力场掘巷原始应力场掘巷采空区矸石s0沿空送巷的位置沿空送巷的时间(a)(b)(c)(d)相对稳定阶段相对显著运动阶段覆岩稳定阶段老顶(基本顶)岩梁触矸是在内应力场中送巷受力和维护状况比沿空留巷优越的先决条件。若掘巷时基本顶岩梁尚未触矸，即掘巷滞后回采工作面的距离过短，则在内应力场中送巷的受力和变形就与留巷差别不大了。可见，送巷的位置由内应力场的范围决定，送巷的时间由基本顶运动的发展过程决定。回风大巷采空区区段煤柱轨道顺槽沿空送巷滞后距离L0回风大巷采空区轨道顺槽相向推进回风大巷采空区轨道顺槽`提前掘进4.沿空留巷适应性分析沿空留巷成功的关键技术之一是留巷的稳定性，即在地应力和采动引起的动态支承压力的作用下，所留巷道的围岩（包括顶板、底板、一侧煤体和一侧巷旁充填体）基本保持稳定，总体变形量有限且在允许的范围内，巷道形状和断面积满足工作面通风、运输和行人的基本要求。沿空留巷围岩稳定是在地应力和采动支承压力的共同作用下，巷道围岩结构（强度）与巷道支护体互相作用，最终达到力学平衡的结果。因此，沿空留巷围岩稳定性是由：(1)应力环境（地应力和采动支承压力）(2)围岩结构(3)巷道支护体三者组成的一个力学系统的平衡状态决定的。其中，1.地应力是由煤层埋藏深度和构造运动决定的；2.采动支承压力是由覆岩结构及工作面采动参数决定的；3.围岩结构是由煤层所处的层位及其沉积环境决定的；4.而巷道支护体的形式和强度是由目前的技术水平决定的深部矿井开采过程中，很多矿区进行了沿空留巷工程试验，既有成功的经验，也有失败的教训。大量的案例证明：在深部矿井开采中，并不是所有的矿井地质与采动条件都适合于沿空留巷，也就是说:沿空留巷技术的应用是有条件的。因此，①对沿空留巷的围岩稳定性进行分类；②确定适宜进行沿空留巷的地质条件；③研究一种（几种）适应沿空留巷覆岩运动特点的留巷工艺；是保证在全国范围内推广沿空留巷成功的必要途径。沿空留巷围岩结构的主要特点是：（1）巷道顶板、底板和一侧煤体经历了本工作面采动形成的动态支承压力影响，整体强度降低；（2）沿本工作面侧的巷帮为人工充填体。因此，应在研究不同地应力场和采动支承压力场动态耦合规律的基础上，分别对巷道顶板、底板、煤体和巷旁充填体的结构稳定性进行分析，以围岩变形量为控制指标，对沿空留巷的整体稳定性进行评价和分类。沿空留巷稳定性分类类别稳定性程度顶板底板煤层坚固系数f节理层理直接顶初次垮落平均步距(m)顶底板岩石类型(MPa)岩石类型(MPa)移近率(%)移近量(mm)Ⅰ非常稳定砂岩石灰岩泥页岩68～120平均96.5砂岩粉砂岩砂质泥岩20～90中硬以上1.5～4.02.58不发育25340Ⅱ稳定砂页岩砂质泥岩22.4～78平均49.7砂页岩砂质泥岩泥岩15～55中硬1.25～2.7平均1.88不太发育155～10Ⅲ中等稳定页岩砂页岩10～110平均45.8页岩砂页岩10～110中硬0.7～2.5平均1.38中等发育1010～20200Ⅳ不稳定粉砂岩砂质泥岩页岩22～78平均55.2粉砂岩砂质泥岩页岩12.4～55中硬0.7-3.0平均1.88发育1220～35Ⅴ极不稳定泥岩页岩25～29平均34,7泥岩页岩9～35平均1.0软弱0.8～1.25平均1.0发育1035预留变形巷旁充填技术预留变形量巷旁充填风囊阻风（瓦斯）单体液压支柱切顶后方卧底扩巷5.预留变形巷旁充填技术在深部矿井，由于地应力高，围岩强度呈现“高应力软岩”特征，区段平巷在第一个工作面超前支承压力的作用下往往会产生很大的变形甚至破坏。在第一个工作面后方侧向老顶岩梁回转下沉过程中，在老顶岩梁及直接顶岩层的共同作用下，沿空留巷承受的压力急剧增大，留巷变形剧烈，表现为底板鼓起和充填体被压坏等现象，不能满足下一个工作面回采时的通风、设备运输及行人的要求。因此，提出了“预留变形巷旁充填沿空留巷技术”。①根据沿空留巷变形量预计结果，设计巷旁充填体的高度为巷道原始高度与预计的巷旁充填体的最大变形量之差；该技术的核心思想是：hhrhch:巷道高度；hr:风囊高度；hc:充填高度该技术的核心思想是：②采用柔性恒阻让压风囊安装在充填体上部，阻断采空区的瓦斯。风囊的高度等于充填体预留的高度。在老顶岩梁回转下沉过程中，风囊在保持一定阻力的情况下可以随着老顶岩梁一起压缩变形，以此保证巷旁充填体不被压坏。hhrhch:巷道高度；hr:风囊高度；hc:充填高度该技术的核心思想是：③当柔性风囊压缩到接近不可压缩的程度时，及时回撤出来；hdhc矸石该技术的核心思想是：④采用单体液压支护配合铰接顶梁加强支护并对直接顶进行（或人工爆破）切顶，对老顶进行让压给定变形；⑤后期根据巷道围岩变形情况对巷道底板进行起底（卧底）扩修。hdhc矸石泡沫材料4MPa材料5.1沿空留巷变形分析ⅦⅥⅤⅣⅢⅡⅠ掘进工作面u0u1u2u3u4上区段工作面下区段工作面沿空留巷变形分析ⅦⅥⅤⅣⅢⅡⅠ掘进工作面u0u1u2u3u4上区段工作面下区段工作面沿空留巷变形分析Ⅰ.在煤体内开掘巷道后，破坏了原始应力状态，巷道围岩出现应力集中，在围岩塑性破坏发展过程中，巷道周边发生显著移近。随着掘进时间延长，围岩移近速度将逐渐降低。ⅦⅥⅤⅣⅢⅡⅠ掘进工作面u0u1u2u3u4上区段工作面下区段工作面沿空留巷变形分析Ⅱ.掘巷引起的应力重新分布趋向稳定后，由于煤层一般具有流变性质，巷道围岩仍保持一定变形速度。ⅦⅥⅤⅣⅢⅡⅠ掘进工作面u0u1u2u3u4上区段工作面下区段工作面沿空留巷变形分析Ⅲ.在上区段工作面超前支承压力作用下，围岩塑性区进一步扩大，围岩变形增长较快。ⅦⅥⅤⅣⅢⅡⅠ掘进工作面u0u1u2u3u4上区段工作面下区段工作面沿空留巷变形分析Ⅳ.在工作面后方岩梁断裂前弯曲下沉及岩梁断裂后显著运动过程中，基本顶岩梁运动迫使巷道顶板快速下沉，将造成很大的下沉量。ⅦⅥⅤⅣⅢⅡⅠ掘进工作面u0u1u2u3u4上区段工作面下区段工作面沿空留巷变形分析Ⅴ.在基本顶触矸后，随着采空区矸石压实，巷道围岩移近速度逐渐趋于稳定。ⅦⅥⅤⅣⅢⅡⅠ掘进工作面u0u1u2u3u4上区段工作面下区段工作面沿空留巷变形分析Ⅵ.回采引起的顶板活动和应力分布趋向稳定后，巷道围岩保持一定的流变速度。ⅦⅥⅤⅣⅢⅡⅠ掘进工作面u0u1u2u3u4上区段工作面下区段工作面沿空留巷变形分析Ⅶ.受下区段工作面回采影响时，由于支承压力叠加使煤柱塑性区显著增大，引起巷道围岩变形。ⅦⅥⅤⅣⅢⅡⅠ掘进工作面u0u1u2u3u4上区段工作面下区段工作面沿空留巷变形分析留巷在整个服务期间的围岩变形量为：，uuuuuuu543210mm5.2巷旁充填体变形量预计LChmzKmzΔh沿空留巷的围岩变形主要是由岩梁弯曲沉降和显著运动引起的，正确预计这部分变形量即可对留巷的全部变形量作出大概预计。围岩变形量预计LChmzKmzΔh由于沿空留巷巷道要经历覆岩运动发展到稳定的全过程，巷旁充填体不可能对基本顶岩梁的运动加以限制，只能限制直接顶运动，因而巷道顶板下沉量由基本顶运动的位态决定。围岩变形量预计LChmzKmzΔh通过实测确定基本顶岩梁运动特征参数，特别是端部裂断位置和采空区触矸位置，即可对留巷的主要变形量作出预计。围岩变形量预计LChmzKmzΔhLKmmhChzz1zKmhLCh围岩变形量预计LChmzKmzΔh如果K=KA（KA为岩石碎胀系数），则上式为岩梁弯曲下沉和显著运动过程中的巷道变形量u2，即：)1(z2AKmhLCu围岩变形量预计LChmzKmzΔh同理，压实矸石过程中的巷道变形u3为：)(3cAzKKmLCuC:充填带中线与岩梁端部裂断线间的水平距离，mL:岩梁悬跨度（端部裂断线到触矸点间的水平距离），mKA:岩石碎胀系数，1.30～1.35mz:直接顶厚度，mKc:矸石压实后的残余碎胀系数，1.00～1.05围岩变形量预计LChmzKmzΔh受顶板活动影响造成的总变形量u23：围岩变形量预计LChKmhLCuucz)1(32U23≤h5.3巷旁充填材料•高水材料•石膏•采空区矸石•高性能混凝土•高压砖•预制砼块泵送早强高强廉价6.充填开采无煤柱条带充填的优点1.解决充填材料不足的问题；2.提高充填速度，解决目前很多工作面“以充定产”的问题；条带充填的技术要求1.充填条带的间距必须小于直接顶初次垮落步距2.充填体的支撑强度大于裂断拱内岩石的重量。3.充填体材料强度高4.充填体材料早强5.充填体材料长期强度稳定6.充填体充填率接近100%，体积缩小有限。7.充填材料廉价，量足。L——直接顶厚度zmc100m2lczz——直接顶抗拉强度，MPa，m直接顶初次裂断步距：——直接顶容重，t/m31002L2L4.13.50wtzzw——充填条带总宽度，m——上覆岩石平均容重，t/m3t——充填条带材料的抗压强度，MPa7.实例山东新汶孙村矿•煤层倾角：16°•埋深：390m•高档普采•目的：开采工广煤柱，控制地表下沉•效果：地表无下沉似膏体采空区充填•材料配比:水泥：粉煤灰：煤矸石=1：4：15•日进3茬，每茬进度0.8m，中班2茬，夜班1茬，早班充填，凝固时间8小时。水泥水泥罐车压气卸料水泥仓星型给料机煤矸石皮带运输机煤矸石堆场电溜子缓冲漏斗圆盘给料机带式输送机核子秤螺旋输送机冲板流量计搅拌桶水池井巷充填管路充填采场粉煤灰罐车压气卸料粉煤灰仓星型给料机螺旋输送机冲板流量计搅拌桶减水剂槽鲁西南某矿村庄下开采采深120m。煤层厚度1.3m，f=1.5顶板为均厚4.33m的石灰岩。目前采用条带开采条带宽度10m开采宽度10m条带长度80m地表无沉陷。目的：回收村庄压煤，控制地表下沉方案I（已采区域）①首先充填已采条带②回采未采条带。工作面长度10m③充填……④回采……减少辅助运输量方案II（未采区域）①布置长壁工作面②轻型综合机械化回采③前面回采，后面条带充填。充填参数计算石灰岩初次裂断步距：石灰岩的抗拉强度取4.9MPa，Lz=sqr(2*4.33*4.9*100/2.5)=41.19m按照统计经验：Lz=0.8M+25.7=0.8*4.33+25.7=29.16m综合考虑：Lz取30m充填参数计算充填体总宽度：（1）按拱内岩重计算：Wz=0.5*3.14*40*40*2.5/1500=4.18m（2）按所有上覆岩层重量计算：Wz=120*80*2.5/1500=16m810108880808881010四川某矿•急倾斜、松软、煤与瓦斯突出煤层。•煤层倾角在56°—70°之间，煤层厚度为1.34m，溜煤眼行人眼溜煤眼行人眼7202000巷道煤层3000马丽散注浆加固区域注浆钻孔1#2#3#20～30度说明：1、在巷道顶板垂直布置三个注浆钻孔加固顶部煤体2、1＃、2＃、3#注浆钻孔成三花眼布置。间距保持在2m左右。3、钻孔深度4～5m，孔径42mm。4、2＃钻孔垂直顶板打孔，1＃、3＃向外侧偏20～30角钻孔。5、封孔深度1.5m左右。强力支护体注浆管未加固矸石谢谢济宁太平矿，水下开采肥城，奥灰水上……