综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷可行性分析(定稿)2016.09.27

山西华晟荣煤矿综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷可行性分析二一六年九月二十七日 目 录一、煤矿无煤柱开采的发展现状.2二、综放工作面无煤柱开采问题的提出.3三、综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷施工工艺3一）、3113工作面运输顺槽地质条件.3二）、巷道加固及挡矸措施.6三）、爆破预裂切缝及设备配置.14四）、工程质量标准及评估标准.17四、综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷经济效益分析20五、综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷实施步骤22一、煤矿无煤柱开采的发展现状我国煤矿无煤柱开采的沿空留巷技术发展开始于20世纪50年代，主要巷旁支护采用矸石垛、木密集支柱等，且仅限于在薄煤层中应用。到了上世纪70年代，巷旁支护开始采用混凝土砌块和密集金属支柱，并应用于中厚煤层。但这些巷旁支护存在支护阻力不够、可缩性能不匹配、机械化程度低、劳动强度大和采空区密封性能差等缺点，限制了沿空留巷的使用范围。上世纪80年代初，原煤炭工业部为了改变我国在沿空留巷技术方面的落后局面，先后从英国、德国引进了充填材料和充填设备，并在阳泉、开滦、平顶山等矿区进行了工业性试验，取得了较好的效果。同时又组织高等院校、科研单位和生产单位共同进行充填材料和充填设备攻关。经过多年的研究和试验，到20世纪90年代初，我国充填材料和充填设备已实现了国产化。中国矿业大学于20世纪80年代末、90年代初研制成功了高水速凝材料。利用高水速凝充填材料在巷旁实现机械化构筑护巷充填带的技术，一段时间代表了沿空留巷技术的世界水平。目前，我国薄及中厚煤层的沿空留巷技术己日趋完善，巷旁支护、巷内支护、加强支护和煤帮加固技术己经成熟。然而，综放沿空留巷技术的研究和实践刚刚起步，与之相关的围岩活动规律及变形机制、围岩稳定性控制原理及技术等许多问题需要进一步研究。2016年5月27日，中国煤炭工业协会组织中国科学院院士宋振骐、中国工程院院士张铁岗等13位专家对神南公司柠条塔煤矿、中国矿业科学协同创新联盟共同完成的“厚煤层无煤柱自成巷110工法技术研究”进行了项目验收和成果鉴定。切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术又称为“110”工法，即采用恒阻锚索对巷道顶板加强支护，回采前对巷道正帮侧顶板定向预裂，待工作面推过后，在矿压的作用下，顶板沿预裂切缝自动切落形成巷帮，作为下一个工作面的顺槽二次使用，实现了一个工作面一条顺槽无煤柱开采（110）。这一开采技术，代表了现阶段我国煤矿无煤柱开采的最高水平。二、综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷问题的提出华晟荣煤矿自2011年在3104工作面研究推广小煤柱开采技术，并取得成功。后又在3105、3112、3113工作面推广均取得了令人满意的效果。推广小煤柱开采技术即将原先的每个工作面16m区段煤柱减少到6m小煤柱，不仅改善了巷道掘进条件，加快了掘进速度，同时减少了煤柱损失，取得了可观的经济效益。但是，即使是小煤柱，上、下工作面之间仍然有6 m的煤柱损失，而这一煤柱损失，今后无法回收。资源的浪费，十分可惜。要彻底做到无煤柱开采，就是要采用沿空留巷技术。无煤柱开采切顶卸压自动成巷技术又称为“110”工法在柠条塔煤矿的试验成功，给了我们启发，就是要把这一技术推广到综采放顶煤工作面中，实现综放工作面卸压切顶成巷，实现真正意义上的的无煤柱开采。三、综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷施工工艺一）、3113工作面运输顺槽地质条件3113胶带顺槽位于三一采区胶带巷，回风巷南部，巷道为南北布置，其南为实煤体，北部为三一采区胶带、轨道巷，东部为已经回采的3115工作面，西部为3111工作面（尚未掘进）。3113胶带顺槽开口位置在距主斜井煤仓向东38.3m处向正南方向掘进。巷道设计长度1646m，车场设计长度50m。该巷道在地面相对位置在六家村村西。工作面范围有一洗煤厂，地面标高为925935m，井下标高为580640m。工作面设计开采为山西组中下部的3#煤层，煤层赋存稳定，平均厚度为6.1m，煤层倾角为平均为3°20-6°20，煤岩类型为半亮光亮型煤，煤质为PSM。属低灰、特低硫、高发热量优质动力煤。3号煤层直接顶板为砂质泥岩、泥岩，局部为粉砂岩，厚0.869.35m。砂质泥岩为灰灰黑色，中厚厚层状，岩相变化大。真密度2702Kg/m³，视密度2684Kg/m³，含水率0.79，自然抗压强度14.7MPa，为软岩。软化系数0.66，为软化性岩石。粉砂岩为灰黑色，中厚层状。真密度2687Kg/m³，视密度2665Kg/m³，含水率1.05，自然抗压强度13.7MPa，为软岩半坚硬岩。软化系数0.39，为软化性岩石。老顶为中细粒砂岩，厚2.5516.50m，岩相变化大。真密度2657Kg/m³，视密度2640Kg/m³，含水率0.29，为半坚硬岩坚硬岩。3号煤层直接底板为砂质泥岩、泥岩，局部为粉砂岩，厚0.306.31m。砂质泥岩为灰黑色，中厚层状，真密度2682Kg/m³，含水率0.57，自然抗压强度10.7MPa，为软岩。软化系数0.43，为软化性岩石。粉砂岩为灰灰黑色，中厚层状。真密度2695Kg/m³，视密度2673Kg/m³，含水率0.74，自然抗压强度20.3MPa，为软岩。软化系数0.59，为软化性岩石。 老底为灰色中厚厚层状细粒砂岩，厚1.054.83m，岩相变化大。为半坚硬坚硬岩。3113运输顺槽巷道在掘进过程中无老巷及采空区积水影响，充水因素主要为3号煤层顶板砂岩孔隙及裂隙含水层，主要出水水源为打设锚索顶板出水及底板少量渗水，涌水量为05 m³h。矿井为低瓦斯矿井，据资料显示，实测3113车场、3113运输顺槽掘进过程中的瓦斯浓度为0.1%。根据山西省煤矿安全装备技术测试中心报告：该煤样的吸氧量为0.9235 m³/g，自然倾向性为级，不易自燃。3号煤层煤尘具有爆炸危险性。本地区地温正常区，地恒温带深度2040m，温度15.左右。3113综放工作面运输顺槽平面图见图1。 图1 3113工作面运输顺槽平面图3113工作面运输顺槽煤层顶底板综合柱状图见图2。 图2 3113工作面运输顺槽煤层顶底板综合柱状图二）、巷道加固措施及挡矸措施3113运输顺槽切顶卸压自动成巷技术施工主要工艺流程：恒阻锚索超前加固支护施工切缝钻孔沿设计切顶线爆破预裂切缝巷道负帮加固支护留巷段加强支护及挡矸。（一）、 巷道加固支护及挡矸措施根据切顶卸压沿空留巷技术的特点及3113综放工作面的具体条件， 3113工作面运输顺槽加固支护措施主要分为三段：一是井下运输顺槽超前支护措施，即采用恒阻锚索对巷道顶板进行超前加固支护，对巷道负帮用普通锚索加固支护；二是井下3113运输顺槽留巷段架后0100m范围，采用“单体液压支柱+11#矿用工字钢”对巷道进行加固支护及挡矸；三是井下运输顺槽留巷段架后100300m范围，采用11#矿用工字钢对巷道进行加固支护及挡矸。 1、恒阻锚索加固支护措施 1）、恒阻锚索加固支护相关参数设计 为了防止切顶过程中和采空区顶板周期来压期间留巷段顶板失稳或冒顶，采用恒阻锚索对巷道进行超前支护。恒阻锚素直径为21.8mm，长度10000mm，恒阻值为33t±2t，恒阻器直径为65mm+3mm，恒阻器长度为500mm，恒阻锚索间排距为500mm×800(1600)mm，预紧力为28t。恒阻锚索距切顶线为300mm，切顶线距离巷道正帮为200mm。靠近工作面煤壁侧恒阻锚索相邻三根沿巷道走向采用18#槽钢连接。槽钢加工图见图。 图槽钢加工图采用恒阻锚索超前加固巷道支护、巷帮加固支护如图4、5所示。2）、恒阻锚索施工工艺（1）井下3113运输顺槽共设计两排恒阻锚索，间排距500mm×800 (1600)mm，靠近工作面煤壁侧恒阻锚索距切顶线为300mm，距煤壁500mm。恒阻器恒阻値33t±2t。 （2）钻孔施工:严格接照预先点设的眼位，采用28mm金刚石复合片钻头施工钻孔，钻孔直径28mm，恒阻锚索外露长度为150250mm；钻孔施工完毕后，采用直径75mm的专用扩孔钻头，将导向杆放入己钻好的小孔内连接钻机进行扩孔(小孔与大孔须同心)，扩孔深度500mm。 （3）打恒阻锚索眼孔够深时钻机要反复升落23次，以便把眼孔内的碎煤冲洗干净。 （4）恒阻锚索锚固长度一般不小于m，批量安装前应做锚固力测试，必须保证恒阻锚索锚固力不小于450KN (45t)，否则将影响使用效果。每根恒阻锚索使用根锚固剂，通过一根600mm长的 PVC导管将锚固剂送入小孔内，用钢绞线顶锚固剂至眼底，然后撤下导管，用锚索钻机边推进边搅拌，搅拌时间1520s后停止搅拌，等待23min(具体搅拌时间和凝固时间以实际使用的锚固剂型号为准)后撤下钻机。一般情况下，恒阻锚索外露150250mm为宜，考虑现场施工条件，在满足恒阻锚索要求的前提下，可以减少恒阻锚索外露长度，防止支架对恒阻锚索造成破坏。 （5）预紧力施加：恒阻锚索钢绞线锚固完成后，分别将300×300×16mm托盘和槽钢、恒阻器通过外露的恒阻锚索钢绞线穿进去，然后把恒阻器推入锚孔内，恒阻器托盘贴紧煤壁，然后把专用锁具穿过恒阻锚索钢绞线，锁具外锚环与恒阻器中恒阻装置贴紧，放好夹片，然后用恒阻锚索张拉机夹持恒阻锚索钢绞线进行张拉， 张拉力值达到28t应停止张拉。最后卸载，预紧力应控制在280KN(28t)为验收标准，撤下张拉机，完成安装。待放炮距离超过20m后，为补偿爆破震动引起的预紧力损失，实施2次预紧，预紧力亦必须达到28t以上。2、巷道负帮加固支护为了防止切顶过程中和采空区顶板周期来压期间留巷段巷道负帮失稳或出现巷帮鼓出，采用帮锚索对巷道帮进行超前支护。锚索直径为17.8mm，长度6000mm。锚索间距为1600mm，预紧力为10t。锚索距顶、距底板距离为1600mm，位于巷帮中部。锚索的抗拔力为24t。图4 巷道断面支护示意图 a-俯视图 b-侧视图图5 巷道断面平面支护示意图3、工作面采空区内留巷段巻道支护及挡矸措施 1）、井下轨道顺槽留巷段架后0100m范围内巻道加固及挡矸措施 3113运输顺槽顺槽留巷段在液压支架后0100m范围内，采用“单体液压支柱+11#矿用工字钢”进行巷帮支护和挡矸。巷道断面共设计四排单体支柱，靠近切缝侧单体支柱配合有11#矿用工字钢进行挡矸支护，间距800mm，11#矿用工字钢高度3200mm，间距800mm，与单体支柱间隔布置，并采用8#铅丝将6mm、网格为100×100mm冷拔筋网(长3m×宽1.0m)固定于单体支柱和11#矿用工字钢上，该网主要用于挡小块矸石。巷内设计有三排单体支柱，柱距800mm，排距800mm。巷道支护及挡矸设计如图6所示。挡矸支护侧视图如图7所示。 图6 留巷段架后0至100m范围巷道断面支护布置图 图7留巷段架后0至100m范围巷道断面支护侧视图2）、顺槽留巷段架后超过100m范围巷道加固及挡矸措施3113运输顺槽留巷段架后超过100