高瓦斯煤层切顶卸压无煤柱自成巷技术应用研究.pdf

工矿自动化 I n d u st r y a n d Min e Au t o ma t io n 第45卷第7期 2019年7月 Vo l, 45 No . 7 Ju l. 2019 文章编号；1671-251X201907-0097-05 DOI 10.13272/j. issn . 1671-251x . 17387 高瓦斯煤层切顶卸压无煤柱自成巷技术应用研究 王小龙董志勇2 1.山西焦煤西山煤电集团公司杜儿坪煤矿，山西太原030022； 扫码移动阅读 2.山西焦煤集团技术中心，山西 太原030024 摘要针对传统的沿空留巷技术多是采用靠采空区一侧巷旁充填等方法进行护巷，存在成本较高、施工 工艺复杂、施工进度较慢等问题，以杜儿坪煤矿高瓦斯煤层62711工作面为研究对象，研究了切顶卸压无煤 柱自成巷技术，从预裂切缝关键参数设计、留巷补强加固支护、采空区拦科支护、瓦斯安全管理方法等方面详 细分析了切顶卸压无煤柱自成巷工艺流程，并在工作面进行了矿压监测分析。分析结果表明，杜儿坪煤矿采 用切顶卸压无煤柱自成巷技术实现了对采场的卸压作用，成功保留了 62711工作面轨道运输巷作为下一邻 近工作面的胶带运输巷使用，明显提高了煤炭回采率，缓解了煤矿采掘衔接紧张，避免了残留煤柱导致的相 关矿山灾害；“Y”型通风方式的使用有效地解决了工作面上隅角瓦斯积聚问题。 关键词煤炭开采；高瓦斯煤层；无煤柱开采；沿空留巷；切顶卸压；“Y”型通风；矿压监测 中图分类号TD353 文献标志码A Application research on technology of non-pillar gob-side entry retaining ed by roof cutting and pressure release in high gas coal seam WANG Xia o lo n g1, DONG Zh iyo n g2 1. Du er pin g Co a l Min e, Sh a n x i Co k in g Co a l Xish a n Co a l a n d Elec t r ic it y Gr o u p Co mpa n y, Ta iyu a n 030022, Ch in a; 2. Tec h n o lo g y Cen t er o f Sh a n x i Co k in g Co a l Gr o u p, Ta iyu a n 030024, Ch in a Abstract I n v iew o f pr o blems o f h ig h c o st , c o mplex c o n st r u c t io n t ec h n o lo g y a n d slo w c o n st r u c t io n pr o g r ess ex ist ed in t r a d it io n a l g o b-sid e en t r y r et a in in g t ec h n o lo g y w h ic h mo st ly a d o pt s met h o d o f f illin g a t t h e sid e o g o a f t o pr o t ec t t h e r o a d w a y, t h e t ec h n o lo g y o f n o n -pilla r g o b-sid e en t r y r et a in in g f o r med by r o o f c u t t in g a n d pr essu r e r elea se in h ig h g a s c o a l sea m w a s st u d ied t a k in g 62711 w o r k in g f a c e in h ig h g a s c o a l sea m o Du er pin g Co a l Min e a s r esea r c h o bjec t . Th e t ec h n ic a l pr o c ess o f t h e t ec h n o lo g y o f n o n -pilla r g o b-sid e en t r y r et a in in g f o r med by r o o f c u t t in g a n d pr essu r e r elea se w a s a n a lyzed in d et a il f r o m t h e a spec t s o f k ey pa r a met er s d esig n o f pr e-split t in g a n d c u t t in g jo in t s, en t r y r et a in in g r ein f o r c emen t a n d su ppo r t , g a n g u e r et a in in g su ppo r t in g o a f , g a s sa f et y ma n a g emen t met h o d , a n d r o c k pr essu r e mo n it o r in g w a s c a r r ied o u t o n t h e w o r k in g f a c e. Th e a n a lysis r esu lt s sh o w t h a t a pplic a t io n o f t h e t ec h n o lo g y o f n o n -pilla r g o b-sid e en t r y r et a in in g f o r med by r o o f c u t t in g a n d pr essu r e r elea se in Du er pin g Co a l Min e r ea lizes pr essu r e r elea se ef f ec t o n t h e st o pe, a n d su c c essf u lly k eep t r a c k t r a n spo r t a t io n r o a d w a y o 62711 w o r k in g f a c e a s t h e n ex t a d ja c en t w o r k in g f a c e belt t r a n spo r t a t io n r o a d w a y, w h ic h o bv io u sly impr o v es c o a l r ec o v er y r a t e, r eliev e t h e t en sio n bet w een c o a l min in g a n d t u n n elin g , a n d a v o id s min e d isa st er s c a u sed by r esid u a l c o a l pilla r s. I n a d d it io n , t h e u se o f “ Y“ t ype v en t ila t io n mo d e ef f ec t iv ely so lv es t h e pr o blem o f g a s a c c u mu la t io n in t h e u pper c o r n er o t h e w o r k in g f a c e. 收稿日期2018-12-29；修回日期2019-04-25；责任编辑张强。 基金项目山西省科技计划研究项目面上青年基金项目201801D221358。 作者简介王小龙1985-,男，山西忻州人，工程师，现主要从事煤矿生产技术管理工作,E-ma il546565817q q . c o m。 引用格式王小龙，董志勇.高瓦斯煤层切顶卸压无煤柱自成巷技术应用研究[J1T矿自动化,2019,45797-101. WANG Xia o lo n g , DONG Zh iyo n g . Applic a t io n r esea r c h o n t ec h n o lo g y o f n o n -pilla r g o b-sid e en t r y r et a in in g f o r med by r o o f c u t t in g a n d pr essu r e r elea se in h ig h g a s c o a l sea m[J]. I n d u st r y a n d Min e Au t o ma t io n ,2019,457 97-101. ・98・工矿自动化2019年第45卷 Key wordsc o a l min in g; h ig h g a s c o a l sea m; n o n -pilla r min in g ; g o b-sid e en t r y r et a in in g; r o o f c u t t in g a n d pr essu r e r elea se; “Y“ t ype v en t ila t io n ; min e pr essu r e mo n it o r in g 0引旨 传统的单一走向长壁采煤法留设的区段煤柱不 仅浪费了煤炭资源，而且往往容易导致巷道围岩变 形大,顶板管理困难，此外，在留设煤柱的高应力区 进行掘进作业时还容易引发冲击地压及煤与瓦斯突 出事故口切。沿空留巷无煤柱开采技术是解决上述 问题的一个有效途径口如。然而，传统的沿空留巷技 术多是采用靠采空区一侧巷旁充填等方法进行护 巷，存在成本较高、施工工艺复杂、施工进度较慢等 问题页。切顶卸压无煤柱自成巷技术是在何满潮院 士提出的“切顶短壁梁”理论基础上，经过不断的理 论和实践完善最终形成的一套无煤柱开采技术如， 其核心为在回采巷道采空区一侧采用定向爆破技 术,进而利用矿山压力切断采空区顶板和巷道顶板, 从而阻止采空区的压力传递，并且采空区顶板切落 后自然形成巷帮，从而实现沿空留巷，该技术不仅减 弱了采空区周期压力，同时也极大地缓解了采掘紧 张，降低了生产成本。本文以西山煤电集团公司杜 儿坪煤矿高瓦斯煤层62711工作面为工程实践背 景，重点介绍切顶卸压无煤柱自成巷技术在该矿的 研究和应用成果。 1工程概况 杜儿坪煤矿62711工作面所采2号煤层为二叠 系下统山西组煤层，该工作面为北七2号煤盘区首 采工作面,埋深为435〜687 m,煤层厚度为1.00〜 2.40 m,平均厚度为1.90 m。煤层倾角为1〜7,平 均倾角为2,回采走向长度为1 610 m,开切眼长度为 216 m,工作面绝对瓦斯涌出量为10. 83 m3/mino 62711工作面煤层顶底板岩性特征见表1。 表1 62711工作面煤层顶底板岩性特征 Ta ble 1 Lit h o lo g y o f r o o f a n d f lo o r o f c o a l sea m o n 62711 w o r k in g f a c e 顶底板名称岩石名称 平均厚度/m 特征描述 基本顶砂质泥岩2. 62 浅灰色，黏土质，底部 受挤压，成角砾状 直接顶细粒砂岩5. 12 灰细砂岩，富含植物 碎屑化石，裂隙发育 煤层2号煤 1. 90煤，黑色 直接底砂质泥岩 1.80 灰黑色，含根化石 基本底炭质泥岩 2. 13 灰黑色，含炭量上少下多 62711工作面采用走向长壁后退式综合机械化 采煤法，全部垮落法管理顶板。试验巷道为62711 轨道运输巷，该巷道为矩形断面，巷道宽度为4 m, 高度为2.8 m,采用锚网索联合支护。工作面布置 及留巷位置如图1所示。 - 62711轨道运输巷 ,, 1 1 匚〉工作面推进方向 -S t - L Z 9 -S t - L Z 9 v〃62711胶带运输巷 1 T 图1 62711工作面布置及留巷位置 Fig . 1 La yo u t o f 62711 w o r k in g f a c e a n d lo c a t io n o f en t r y r et a in in g 22切顶成巷工艺 62711工作面轨道运输巷切顶卸压自成巷技术 实施工艺①按照所设计的支护参数进行巷道加强 支护，施工NPR恒阻大变形锚索提前加固；②超前 工作面一段距离（不少于50 m）施工聚能爆破钻孔, 具体爆破施工参数应符合设计要求,根据现场条件, 可与恒阻锚索施工平行作业;③沿工作面推进方向 采用专用设备依次进行预裂爆破，形成预裂切缝线, 爆破施工结束后需要对爆破效果进行统计整理，确 保切缝效果；④工作面架后及时进行临时加强支 护,保证能有效安全地控制顶板，并进行临时密集挡 肝支护，其中包括钢筋网、挡肝U型钢可伸缩支架 及挡砰单体的架设；⑤随着工作面开采，顶板垮落 并稳定后，回撤临时单体支柱，整理巷道并喷射混凝 土，防止采空区瓦斯溢出，满足使用要求。 3工程施工流程 3.1 定向预裂切缝关键参数设计 预裂切缝关键参数对于切顶卸压效果有着重要 的影响⑷。根据切顶卸压无煤柱自成巷技术原理, 结合理论分析及工程实践，本工程关键参数包括切 顶高度、切缝角度、孔间距和装药方式。 3.1.1切顶高度 定向爆破切割轨道运输巷顶板是切顶卸压沿空 留巷技术的核心环节，足够的切顶高度能够保证切 落的肝石支撑起采空区上覆岩层的基本顶岩梁的运 动。切顶高度可根据预裂切缝深度临界设计公式计 算得出 2019年第7期王小龙等高瓦斯煤层切顶卸压无煤柱自成巷技术应用研究 99 Hf -AH2/K-1 1 式中为采高为顶板下沉量，m；AH2 为底鼓量，m；K为碎胀系数，一般取1. 3-1.5,根 据62711工作面顶板岩性,K取1. 4。 根据补打钻孔资料显示，工作面煤厚变化不大, 在不考虑底鼓及顶板下沉的情况下，取工作面最大 采高为2. 4 m时，最终确定的设计切顶高度为 6. 0 mo 3.1.2切缝角度 巷道顶板进行切顶后，采空区上方岩体在上覆 岩层自重应力的作用下产生下沉，下沉过程中会与 巷道顶板发生不同程度的相互作用，从而导致巷道 顶板变形较大。若切缝孔向采空区侧偏转角度太 小，不利于巷道顶板的稳定，会给巷道支护带来困 难，若角度太大，又不利于采空区顶板垮落，适宜的 切缝偏转角有利于采空区顶板垮落，有助于使采场 应力分布更加合理。为了施工方便，切缝角度通常 取5的整数倍，本文采用FLAC3D软件结合实际岩 石特性建立数值计算模型，如图2所示，分别模拟切 缝角度为10,15,20时的围岩特征。从图2可看出， 切缝存在明显角度效应，不但会影响采空区顶板垮 落，而且会影响应力集中区分布；切缝角度为15 时，采空区顶板垂直位移较大，同时实体煤帮内部垂 直应力最大值最小，因而最终确定本工程最佳切缝 角度为 图2数值计算模型 Fig . 2 Nu mer ic a l c o mpu t a t io n mo d el 炸药t蛊订00 mm -Sff 正向装药 颦陲管7 5 ni.倔 炸药稚・200 cnm 炸药】蕃Z OO nun Jd iJiMj mm 图3最佳装药方式 Fig . 4 Th e best bla st in g mo d e 强支护。设计支护方式如图5所示，恒阻大变形锚索 直径为21. 6 mm,长度为8 300 mm；恒阻器宜径为 65 mm,恒阻值为330 20 k N,恒阻器长度为 500 mm。其中,补强恒阻锚索沿顶板铅垂方向共布 置3列,靠近切缝侧恒阻锚索排距为1 000 mm,与切 缝孔间距为500 mm,实体煤侧的恒阻锚索排距为 4 000 mm,中间的恒阻锚索排距为2 000 mm,与原锚 索间隔布置，恒阻锚索预紧力不小于280 k N。靠近 切缝侧恒阻大变形锚索用W钢带连接，恒阻大变形 锚索预制托盘大小为250 mmX250 mmX16 mm。 3.1.3孔间距和装药方式 根据前期顶板窥视结果进行单孔试验,确定单 孔最佳装药量，随后进行连孔试验，确定两相邻孔的 最佳间距,最后进行单次起爆个数试验，确定一次最 佳起爆爆破孔的个数。根据现场试验结果，确定了 孔间距统一为500 mm,每孔3根聚能管，聚能管长 度分别为1. 5,1. 5、1 m,炸药装药量分别为3、3、 1卷，封泥长度为2 mo最佳爆破方式为4孔连爆， 间隔一个窥视孔。最佳装药方式如图3所示，最佳 爆破方式如图4所示。 3.2 顶板恒阻大变形锚索补强加固支护 为保证沿空巷道的稳定性，在62711轨道运输 巷顶板采用恒阻大变形锚索支护W钢带进行补 图5恒阻锚索补强加固支护 Fig . 5 Rein f o r c emen t a n d su ppo r t w it h c o n st a n t r esist a n c e a n c h o r c a ble 100 工矿自动化2019年第45卷 3.3 采空区挡秆支护 工作面回采过后，切缝侧巷旁支护采用可缩性 29号U型钢支护，U型钢间距为500 mm,要求 U型钢架设成一条直线以保证巷帮的直线性。单 体支柱间距为500 mm,均匀间隔布置，并保证U型 钢与顶板岩面贴实，防止U型钢倾倒，底端插入巷 道顶板200 mm处。钢筋网与U型钢用铁丝捆扎, 钢筋网尺寸为2 000 mmX2 400 mm,搭接长度不小 于200 mm。挡砰布置如图6所示。 图6挡肝布置 Fig , 6 La yo u t o f g a n g u e r et a in in g 3.4 工作面矿压监测 62711工作面共布置143架液压支架、15个支 架压力监测站，靠近切缝侧第1架支架为监测主站, 中间每隔10架布置1个监测点。根据支架压力变 化情况分别统计采场内110工法切顶影响区、中部 未影响区和未切顶影响区支架的最大压力值、平均 压力值以及周期来压步距，具体见表2。 表2切顶卸压对采场矿压规律的影响 Ta ble 2 I n f lu en c e o f r o o f -c u t t in g pr essu r e r elea se o n la w o f st o pe pr essu r e 采场分区 最大压力/平均压力/周期来压 MPaMPa步距/m 110工法切顶影响区29.523.419. 7 中部未影响区36.8 30.211.4 未切顶影响区37.531. 312. 6 由表2可知，与中部未受影响区相比，110工法 切顶影响区液压支架最大压力减少7. 3 MPa ,降低 T 19.8；平均压力减少6. 8 MPa ,降低了 22.5； 周期来压步距增大了 此外，由于切顶卸压切断了顶板的应力传递 途径，应力将会向远离支架的实体煤深处转移，因 此，支架的受力情况将会得到缓解。同时，切顶卸压 的影响也是有一定范围的，影响范围外的支架压力 与自然垮落法管理顶板的情况并无区别。 3. 5 瓦斯安全管理 杜儿坪煤矿为高瓦斯矿井，62711工作面绝对 瓦斯涌出量为10. 83 n /min ,为避免采空区漏风， 采取了挡肝墙挂帘及密闭喷浆的措施，同时62711 工作面还综合采用了本煤层顺层抽采及采空区埋管 抽采进行瓦斯抽采。通风方法采用“两进一回”的 “Y”型通风方式胶带运输巷和轨道运输巷进风，沿 空留巷回风。随着工作面不断向前推进，采空区的 瓦斯不断积聚，并向沿空留巷扩散，导致回风巷的瓦 斯浓度逐渐增大，为此，在保证工作面风量充足的情 况下，采用“均压法”［词对工作面通风系统进行调 整开采初期，胶带运输巷进风量为1 105 m3/min , 轨道运输巷进风量为325 r n Vmin；调整风量后胶带 运输巷进风量为780 m3/min ,轨道运输巷进风量为 482 n /min。此外，通过对沿空留巷挡歼墙的喷 涂，降低了采空区的漏风量，从而达到降低回风巷瓦 斯浓度的目的。 现场应用情况表明高瓦斯煤层应用切顶卸压 无煤柱自成巷技术时，“Y”型通风方式解决了工作 面上隅角瓦斯积聚的问题，为上隅角的瓦斯抽采节 省了一趟抽采管路，工作面轨道运输巷和胶带运输 巷都处于进风流中，所涉及到的运输、管路、线路等 均处于新鲜风流中，大大提高了工作面的安全性。 而且在合理的通风系统及通风量条件下，采空区并 未出现瓦斯积聚的问题，瓦斯浓度保持在合理范围 以内，为110工法在高瓦斯矿井的推广提供了经验。 4应用效果及经济效益分析 杜儿坪煤矿62711工作面已经成功留设巷道 1 570 m,现场实际留巷效果良好，满足二次使用要 求。通过沿空留巷无煤柱开采技术的应用，可明显 提高煤炭回收率，延长矿井服务年限，并且由于减少 了一条巷道的掘进，明显地缓解了矿井采掘衔接紧 张。经济效益主要包括如下2个方面 1少掘巷道减少成本与留煤柱护巷开采相 比，采用切顶卸压沿空成巷新技术可以少掘一条巷 道,掘进及维护巷道的成本约为6 100元/m,少掘 2019年第7期王小龙等高瓦斯煤层切顶卸压无煤柱自成巷技术应用研究 101 1 570 m巷道，节约掘巷成本约为958万元。 2回收煤柱增加收益与留煤柱护巷相比，按 照区段煤柱宽度为25 m,平均采高为1. 9 m,可回 采煤柱长1 570 m,则可多回采煤炭约10. 4万t ,按 煤价格410元/t计算，可增加收益约4 264万元，经 济效益显著。 5结论 1 杜儿坪煤矿62711工作面采用切顶卸压无 煤柱开采技术后，留巷效果良好，提高了煤炭资源回 收率，明显缓解了矿井采掘衔接紧张，经济效益 显著。 2 采用切顶卸压无煤柱开采技术后，沿空留 巷处于矿山压力的卸压区，降低了高应力环境的威 胁，同时通过配合使用NPR锚索让压支护，能够明 显地降低矿压灾害事故的发生概率。 3 工作面采用“Y”型通风方法，解决了工作 面上隅角瓦斯积聚的问题，而且在合理的通风系统 及通风量条件下，采空区并未出现瓦斯积聚问题，瓦 斯浓度保持在合理范围以内，为切顶卸压无煤柱自 成巷技术在高瓦斯矿井的推广应用提供了经验。 参考文 獻References 11宋振骐，崔增娣，夏洪春，等无煤柱秆石充填绿色安 全高效开采模式及其工程理论基础研究[J].煤炭学 报,2010,355705-710. 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