望峰岗煤矿沿空留巷Y型通风无煤柱开采技术.pdf

第 38卷第 6期煤 炭 科 学 技 术 Vol38 No6 2010年6月 Coal Science and Technology June 2010 望峰岗煤矿沿空留巷 Y型通风无煤柱开采技术 杨德传 1, 高明中2, 徐义勇 3, 韩 磊2 1安徽理工大学 经济与管理学院, 安徽 淮南 232001 ;2 安徽理工大学 能源与安全学院, 安徽 淮南232001 ; 3 中原工学院 能源与环境学院, 河南 郑州451191 摘 要 为解决深部高应力、高瓦斯条件下的煤矿生产接替困难, 在淮南望峰岗煤矿 - 720 m 水平 5121B10工作面回风巷进行无煤柱沿空留巷、Y型通风工业试验,在回风巷内进行锚网索带联合支 护, 在巷道的采空区侧进行高水速凝材料巷旁充填支护。现场实践表明无煤柱留巷能使巷道处于 支承压力降低区, 充填体能有效隔离采空区瓦斯,采用 Y型通风能大量减少工作面上隅角瓦斯积 聚。从围岩变形来看, 留巷侧顶底板比煤体侧顶底板的位移量大 22 左右, 上帮煤体侧最大位移 约占两帮位移的 65, 支护体能有效地维护留巷的基本稳定,实现深部矿井安全高效连续开采。 关键词 无煤柱开采; 沿空留巷; Y型通风; 高产高效 中图分类号TD3223 文献标志码A 文章编号0253- 2336 2010 06- 0030- 04 PillarlessM ining Technology w ith Y Type Ventilation and Gateway Retained Along Goaf inW angfenggangM ine YANG Dechuan 1, GAO M ingzhong2, XU Yiyong3, HAN Lei2 1 .School of Economics andM anagement, A nhui University Science and Technology, Huainan232001 , China; 2 .School of Energy and Safety, Anhui University Science and Technology, H uainan232001, China; 3 .School of Energy and Environment, Zhongyuan Institute of Technology, Zhengzhou451191, China Abstract In order to solve the m ine production replace ment proble ms under the high stress and high gas conditions in the deepm ine ,a coal pillarless gate way retained and a Y type ventilation industrial trialwere conducted in the air retuning gate way ofNo5121B10 coal m ining at the - 720m ofHuainanW angfenggangM ine . A co mbined supportw ith the bolt ,steelmesh, anchor and steelstripwas conduc ted in the air returning gateway and the backfillsupportw ith the highmoisture quick setting materialwas conducted at the goaf side of the gate way . The site practices showed that the pillarless gate way retained could keep the gate way in a support pressure reduced area ,the backfilled mass could be effective to isolate the gas in the goaf and theY type ventilation applied could highly reduce the gas content in the top corner . From the defor mation of the surrounding rocks ,the displace mentvalue of the roof and floor at the gate way retained sidewould be 22 higher than the displace ment value of the roof and floor at the seam side . Themax displace ment at the top coal sea m would take 65 of the displacement of the two sides . The supportmass could be effective to maintain the basic stability of the gateway retained to have am ine safety and high efficient continuousmining in the deepm ine . K ey words pillarlessmining ; gate way retained along goa; f Y type ventilation; high production and high efficiency 基金项目2010安徽省高校自然科学研究项目 KJ2010B305 深部开采面临高瓦斯、高应力和高岩溶水压和 多次采动的影响, 为满足深部开采接替和防止上隅 角瓦斯积聚对生产的影响,宜采用往复式 Z 形 前进式和后退式的沿空留巷的方法,以实现工作面 无煤柱快速沿空留巷, 使留巷道处于煤壁支承压力 的降低区有利于留巷的稳定,同时采用 Y型通风 解决工作面上隅角瓦斯积聚问题。本文结合淮南望 峰岗煤矿 - 720 m 水平 5121B10煤层开采的实践, 通过实行无煤柱快速沿空留巷和 Y 型通风方式, 实现了深部高瓦斯突出矿井的安全高效生产。 1 工作面概况 淮南望峰岗煤矿 5121B10工作面,属于保护 层开采工作面,上限标高 - 7146 m,下限标高 - 7836 m, 工作面范围内 B10煤层总体呈单斜构 造, 工作面走向长为 1 100 mm,平均倾向长 170 m, 煤层厚度为 15 m,倾角为 21 ,工作面直接 30 杨德传等 望峰岗煤矿沿空留巷 Y 型通风无煤柱开采技术2010年第 6期 顶为细砂岩,平均厚度为 20 m,基本顶为细砂 岩, 平均为 70 m,直接底为砂岩,平均厚度为 08m, 基本底为细砂岩, 平均厚度为 90 m。 B10 煤层瓦斯压力实测为 058MPa ,瓦斯含量预计在 142 150 m 3 / , t 煤尘爆炸指数为 33 37 , 自然发火期 3 6个月。 深部高瓦斯工作面开采时, 上隅角及回风巷瓦 斯浓度经常超限, 严重影响煤矿的正常生产, 为 此, 在对各种通风方式分析的基础上得出 两进一 回 Y型通风方式是适合无煤柱开采技术要求的预 防和治理工作面上隅角瓦斯积聚最有效的通风方 式 [ 1], 根据 5121B10工作面回风巷沿空留巷后作 为上区段 5111B10工作面的运输巷,因此,采用 前进式开采方式, 改变传统的 U 型后退式开采带 来的上隅角瓦斯超限难以治理的问题。 5121B10工 作面回风巷沿空留巷通风示意如图 1所示。 图 15121B10工作面留巷通风示意 2 沿空留巷支护机理和留巷方案及工艺 21 沿空留巷机理 在 5121B10工作面实行走向长壁开采,采空 区采用全部陷落法管理顶板,回采后采空区的顶板 岩层从下向上依次形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉 带, 造成留巷周围的岩层由于受采动影响发生变 形、破坏,形成错动离层带区、二次破断区和微破 裂区 [ 2]。沿空留巷上帮煤体承受着采动影响的上 覆岩层运动传递力的作用, 由于深部工作面围岩地 质条件比较差,煤体强度很低, 为了提高煤体的整 体强度, 两帮煤体须采用锚网带联合支护形式, 顶 板采用锚网索联合支护,在工作面推进过后,及时 在下帮靠采空区侧进行高水速凝材料充填, 利用充 填模板将 2种充填材料混合直至其凝固。为了及时 有效地支护顶板, 减少煤体的塑性区的进一步扩 展, 提高煤体的残余强度, 加强巷内巷旁支护体的 整体强度,有利于采空区侧顶板的切顶作用,如图 2所示。因此,深部无煤柱开采沿空留巷成功的关 键, 在于沿空留巷的巷内巷旁支护体的相互作用能 够适应顶板覆岩的剧烈运动。因此,沿空留巷支护 体承受覆岩破断带来冲击力的影响,只有增强巷道 上帮煤体的自身强度及支护强度、顶板支护强度和 下帮充填体抗压强度, 才能有效地切断顶板。无煤 柱沿空留巷的成功还要求留巷的断面形状和巷旁支 护及巷内支护必须相匹配。 图 25121B10工作面回风巷锚网索支护巷旁充填 22 巷道支护及巷旁充填工艺 221 巷道支护 为了满足深部高瓦斯突出矿井安全高效开采, 无煤柱沿空留巷工作面连续快速推进来减少深部煤 炭自然发火和工作面上隅角高瓦斯积聚带来的不利 影响,采用往复式 Z 形、前进式和后退式的工 作面沿空留巷的方法以实现无煤柱高效连续开 采 [ 3], 在下区段采完后, 5121B10上平巷留巷作上 区段 5111的运输巷,因而所留巷道至少要经历 1 次掘巷和 2次采动的影响,为此, 巷道断面要考虑 到大变形后仍能满足生产的需要, 需要预留一定的 富余宽度,该工作面实际留巷断面为梯形断面, 巷 道宽度为 50 m,上帮高度为 38 m,下帮高度为 18m, 由于煤体强度低,为了减小切顶时支架工 作阻力 [ 3], 掘巷时煤帮就进行锚网带支护, 顶板 锚网索支护, 支护参数如下。 1 锚杆采用高强锚杆直径 25 mm、长 2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢筋,螺母为 M27 ∀ 3, 间 排距为 800mm ∀ 1 000mm。 2 锚索直径为 22mm,1∀ 19股高强度低松弛 预应力钢绞线,长度 8 300 mm,钻孔直径 28 mm, 低黏度树脂药卷分别为 K2335和 Z2360 ;锚索托盘 采用 300mm ∀ 300mm ∀ 16mm高强度拱型可调心托 板,沿巷道顶板中部间隔 20 m 各打 1根锚索,锚 31 2010年第 6期煤 炭 科 学 技 术第 38卷 索排距为 2m。 3 W 钢带规格为厚度 4 mm,宽 280mm, 长 度 1 100 mm。 4 金属网采用金属网护帮护顶,网孔尺寸为 50 mm ∀50mm,规格为 1 500 ∀ 1 100 mm。帮锚杆 排距 1 000mm,每排 2根锚杆, 间距 800 mm。垂 直巷帮布置, 设计锚杆预紧力矩为 500 N m。 222 巷旁充填工艺 [ 4- 5] 1 在 5121B10工作面回风巷采用 BSM1002E 新型充填泵, 充填材料质量配比采用水泥 ∃黄沙∃ 碎石片为 1∃ 2∃ 2 ,水灰比为 45 , 速凝剂质量为 水泥质量的 25 40 ,在保证支护体强度达 到沿空留巷切顶要求的前提下, 尽量降低成本, 充 填膏体材料含有水泥、粉煤灰、砂、水和多功能复 合外加剂,在试验阶段水灰比定为 25∃ 1 质量 比 , 含水率 762 , 充填体的宽度为 25 m, 充 填高度决定于采高, 为 18 m,一次充填长度为 5 m, 每 24 h充填一次。充填模板选用 20 mm 厚钢 板, 充填高度随采高进行伸缩调节,采用液压升降 和移动, 随工作面推进自移。 2 随工作面推进, 回风巷出口煤帮锚梁网支 护段进入采空区后,及时在支架后方支 3排走向 棚, 用单体液压支柱和 HDJA- 1000金属铰接顶梁 加强支护, 单体间排距为 1 000 mm ∀ 800 mm。留 巷充填框架的搭设位于工作面后方 1 2 m,待充填 区域内架设好充填模板,形成充填框架后, 使充填 框架四周用单体或木柱固定, 确保充填时的安全。 3 留巷围岩矿压显现主要特征 [ 6- 7] 1 上帮煤体受采动上覆岩层压力的影响, 煤 体受到破坏, 易造成原锚网支护体失效,出现掉渣 和片帮现象, 且难于维护, 影响有效使用断面。实 测上帮最大位移为 382 mm,两帮最大位移达到 551mm。 2 顶板上覆岩层运移出现离层、下沉、断裂 现象,且随着采煤工作面的推进而不断加剧。实测 巷道顶底板最大移近量,在上帮侧达到 469 mm, 而下帮侧达到 633 mm,分别为采高的 124 和 35,采空区侧顶底板移近量比实体煤侧要大 22左右。 3 下帮充填体受覆岩压力影响被挤压变形、 下沉,其变形、下沉量取决于充填体本身的强度和 底板岩层的强度。 4 底板岩层易受围岩压力影响出现突起、破 裂, 底鼓现象严重,需要不断进行挖底。 5 通过对 5121B10工作面留巷的实测分析得 出 在工作面前方 0 20 m为采动影响带, 该带内 顶底板平 均移近速 度 105 m /d ,最大 值 432 mm /d ; 后方 40 m范围内为巷道围岩采动影响带, 该带内顶底板的相对移近速度 245 432mm /d 。 工作面后方 40m 以远, 巷道围岩变形渐趋稳 定。该带内顶底板的相对移近速度小于 5 mm /d , 由于该持续时间较长,顶底移近量平均值为 218 mm,占总移近量的 32 ,两帮移近量平均值为 176mm,占两帮总移近量的 27 。 4 留巷顶板管理措施 [ 8- 9] 1 为加强工作面充填段的顶板支护,减少悬 臂顶板对充填体的压力, 在 5121B10采面端头超 前工作面 20m 内采用单体液压支柱加强支护。 2 工作面上端头超前煤壁 50 m 进行加强支 护, 减少支承压力带来的不利影响。 3 在充填体的充填设备,选用 20 mm 厚锚板 加工,长 35 m,高度为 10 18 m 可调, 内设 液压可伸缩油缸, 把支护与 Y型通风有机结合起 来, 既解决了上端头支架移架后尚未充填前与采空 区之间的临时支护,又改变了上隅角通风流场迫使 其漏风流向埋管抽采系统内。 5 留巷期间注意事项 1 采用 Y型通风方式时要合理进行风流控制 和配风, 了解留巷内瓦斯浓度及温度变化情况, 同 时配风量须满足安全生产需要和瓦斯有效排放。 2 Y型通风必须采取有效的瓦斯治理的同时, 在留设的充填体采空区侧须采用有效的煤炭自然发 火防治措施。 3 对留巷进行检查、维护等工作均必须在检 修班或非放炮期间进行,采煤工作面放炮、运煤时 严禁任何人进入留巷内从事任何工作。 4 工作面留巷口处和回风系统各通道设置栅 栏和警标,实施 Y 通风时严禁任何人进入回风系 统进行任何工作。 5 每天对留巷内支护情况进行一次检查, 以 便出现异常情况时能及时采取针对性加固措施。 32 杨德传等 望峰岗煤矿沿空留巷 Y 型通风无煤柱开采技术2010年第 6期 6 结 论 1 通过对望峰岗 5121B10工作面实行无煤柱 快速沿空留巷,从留巷支护效果来看, 留巷获得了 成功,既解决深部矿井的接替及工作面上隅角瓦斯 超限对生产的制约,又提高煤炭的采出率, 实现深 部高应力高瓦斯矿井的安全高效生产。 2 针对深部煤层保护层开采,在巷旁充填 时, 要及时充填密实, 在留巷期间也要加强墙体维 护, 防止较多的漏风进入采空区, 引起煤炭的自然 发火。 3 实现无煤柱沿空留巷, 使留巷处于支承压 力的降低区,有利于留巷成功。从留巷的过程来 看, 巷道变形较大,充填体侧的顶底板变形量大约 是上帮煤体侧顶底板变形量的 15倍, 反映充填体 不能改变基本顶的回转和断裂下沉的事实。 4 应在研究沿空留巷 支护 - 围岩 相互作 用机理时,不仅应考虑顶板、支护体的关系,而且 也要考虑煤体与顶板及支护体之间的关系。 参考文献 [ 1] 吴世跃, 郭勇义 Y型通风方式治理高产综采面瓦斯的研究 [ J]. 西安科技学院学报,2001 ,9 3206- 207. [ 2] 孙恒虎 沿空留巷的理论与实践[M ]. 北京 煤炭工业出 版社,1993 . [ 3] 李化敏 沿空留巷顶板岩层控制设计[ J]. 岩石力学与工 程学报,2000 ,19 5651- 654 . [ 4] 郝海金 沿空留巷巷旁充填支护阻力计算模型[ J].煤矿 开采,2002 ,7 432- 35. [ 5] 侯朝炯, 易宏伟, 柏建彪 高水灰渣速凝材料巷旁充填沿 空留巷的试验研究[ J]. 煤炭科学技术,1995,23 2 2- 5 . [ 6] 费旭敏 我国沿空留巷支护技术现状及存在的问题探讨 [ J]. 中国科技信息,2008 748- 51 . [ 7] 张俊云, 柴 敬 沿空留巷研究中的若干问题分析[ J]. 矿山压力与顶板管理,2001,18 138- 39 . [ 8] 黄玉梅 三软 煤层沿空留巷技术的应用[ J]. 华北科 技学院学报,2005,2 240- 45. [ 9] 谢文兵 综放沿空留巷围岩稳定性影响分析[ J]. 岩石力 学与工程学报,2004, 23 183059- 3065 . [ 10] 侯正礼, 朱学峰, 孙凯民, 等 高水材料沿空留巷的矿压 和效果分析[ J].矿山压力与顶板管理,1998,15 3 34- 36 . 作者简介 杨德传 1971- , 男, 安徽全椒人, 讲师,博士 研究生, 研究方向为矿山压力与控制。 Te l13866643182 ,E - mai ldcy002 126 com 收稿日期2010- 04- 12; 责任编辑 曾康生 上接第 29页 3 在回采阶段,当 5号测站距回采工作面 28 m 时,因为受采动压力的影响,围岩位移及锚杆、 锚索受力开始增加,当距工作面距离小于 5 m 时, 达到了最大值,顶板锚杆拉力为 591 kN,帮锚杆 拉力为 476 k N, 锚索拉力为 1343 kN, 顶板下沉 量为 1233 mm,两帮移近量为 746mm。 由于锚杆、锚索的变形能力匹配合理, 锚索的 预紧力较小, 留有足够的剩余变形量, 在开采后期 锚索一方面能够来应对开采动压引起的冲击变形, 另一方面又能调动深部围岩的强度,增加锚杆锚固 层的强度。当巷道变形达到最大值时, 锚杆、锚索 仍有较大的变形储备和强度储备, 使巷道围岩始终 保持了稳定状态, 支护效果良好。 参考文献 [ 1] 王贵春, 岳文源.大同煤矿煤炭生产经济技术发展篇章 [M ]. 北京 煤炭工业出版社,2007 . [ 2] 徐永圻. 采矿学[M ]. 徐州 中国矿业大学出版社,2003 229- 245. [ 3] 何满潮, 袁和生. 中国煤矿锚杆支护理论与实践[M ]. 北 京 科学出版社,2004365- 366 . [ 4] 倪兴华. 地应力研究与应用[M ]. 北京 煤炭工业出版社, 2006 42- 51. [ 5] 郑书兵. 煤巷顶板锚杆支护若干问题的探讨[ J]. 煤炭科 学技术,2008 ,36 725- 26. [ 6] 东兆星. 井巷工程[ M ]. 徐州 中国矿业大学出版社, 2004 54- 72. [ 7] 康红普, 王金华. 煤巷锚杆支护理论与成套技术[M ]. 北 京 煤炭工业出版社,2007112- 113. [ 8] 岳 峰. 大直径锚索及机具的研究与应用[ J]. 煤炭科学 技术,2007 ,35 947- 51. [ 9] 薛顺勋. 煤巷锚杆支护施工指南[M ]. 北京 煤炭工业出 版社,1999 80- 94 . 作者简介牛福龙 1969- ,男, 山西阳高人, 高级工程 师, 现在大同煤矿集团有限责任公司生产技术部从事生产技术管理 工作。Te l13994310051,E- mai lniufulong2009 163com 收稿日期2010- 01- 19; 责任编辑 曾康生 33