无煤柱开采技术研究与应用.pdf
第 4 2卷第 8期能 源 与 环 保 V o l 4 2 N o 8 2 0 2 0年8月 C h i n aE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o nA u g . 2 0 2 0 收稿日期 2 0 2 0- 0 3- 0 6 ; 责任编辑 陈朋磊 D O I 1 0 . 1 9 3 8 9 / j . c n k i . 1 0 0 3- 0 5 0 6 . 2 0 2 0 . 0 8 . 0 4 5 作者简介 李晓鹏( 1 9 8 1 ) , 男, 山西晋中人, 工程师, 2 0 0 4年毕业于安徽理工大学, 现从事煤矿管理工作。 引用格式 李晓鹏. 无煤柱开采技术研究与应用[ J ] . 能源与环保, 2 0 2 0 , 4 2 ( 8 ) 2 0 7 2 1 2 . L i X i a o p e n g . S t u d y o nn o c o a l p i l l a r m i n i n g t e c h n o l o g y a n di t s a p p l i c a t i o n [ J ] . C h i n a E n e r g y a n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n , 2 0 2 0 , 4 2 ( 8 ) 2 0 7 2 1 2 . 无煤柱开采技术研究与应用 李晓鹏 ( 山西潞安集团司马煤业有限公司, 山西 长治 0 4 7 1 0 0 ) 摘要 无煤柱开采是提升矿井采掘效率、 提高煤炭资源采出率的重要途径。以山西某矿 W1 3 1 9工作 面巷道布置为例, 提出了留煤柱护巷、 无煤柱护巷、 工作面过空巷 3种巷道布置方式, 通过现场调研、 理论分析、 工程实践论证了无煤柱护巷的可行性, 对山西某矿或其他类似条件下矿井进行无煤柱护巷 具有良好的指导和借鉴意义。 关键词 无煤柱护巷; 留煤柱护巷; 工作面过空巷; 围岩变形 中图分类号 T D 3 2 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3- 0 5 0 6 ( 2 0 2 0 ) 0 8- 0 2 0 7- 0 6 S t u d yo nn oc o a l p i l l a rmi n i n gt e c h n o l o g ya n di t s a p p l i c a t i o n L i X i a o p e n g ( S h a n x i L u ′ a nG r o u pS i m aC o a l I n d u s t r yC o . , L t d . , C h a n g z h i 0 4 7 1 0 0 , C h i n a ) A b s t r a c t C o a l p i l l a r l e s s m i n i n g i s a ni m p o r t a n t w a y t o i n c r e a s e t h e r e c o v e r y r a t e o f c o a l r e s o u r c e s , p r o d u c t i o na n de f f i c i e n c y . T h e p a p e r i s b a s e do nt h e m i n i n g d e s i g no f t h e W1 3 1 9w o r k i n g f a c e o f a m i n e i nS h a n x i P r o v i n c e . T h r e e k i n d s o f r o a d w a y l a y o u t w e r e p u t f o r w a r d , i n c l u d i n g r e t a i n i n g c o a l p i l l a r , p r o t e c t i n g r o a d w a y w i t h o u t c o a l p i l l a r a n dp a s s i n g t h r o u g hg o br o a d w a y . F i e l di n v e s t i g a t i o n , t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n de n g i n e e r i n gp r a c t i c ed e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo f r o a d w a yp r o t e c t i o nw i t h o u t c o a l p i l l a r s . T h er e s e a r c hr e s u l t sh a v eg o o d g u i d a n c ea n dr e f e r e n c es i g n i f i c a n c ef o r t h em i n ei nS h a n x i P r o v i n c eo r o t h e r m i n e s w i t hs i m i l a r c o n d i t i o n s . K e y w o r d s c o a l p i l l a r l e s s m i n i n g ; r e t a i n i n gc o a l p i l l a r f o r r o a d i n gp r o t e c t i o n ; w o r k i n gf a c ep a s s i n gt h r o u g hg o br o a d w a y ; d e f o r m a t i o no f s u r r o u n d i n gr o c k 0 引言 无煤柱开采是提高煤炭资源采出率、 减少巷道 掘进量、 改善巷道维护、 治理瓦斯超限、 有利于矿井 安全生产和改善矿井技术经济效果的一项先进煤炭 开采工艺[ 1 4 ]。我国山东、 河南、 河北、 江苏、 内蒙等 矿区, 在浅埋、 深埋、 中厚及厚煤、 大采高、 综放等各 种条件下, 积极发展无煤柱开采技术, 取得了诸多成 果[ 5 1 3 ]。推行无煤柱开采, 不仅对生产矿井进行技 术改造、 缓解采掘紧张关系和延长矿井服务年限具 有现实意义[ 1 4 1 6 ], 而且也是煤炭企业改善安全生产 条件和技术经济指标[ 1 7 ], 实现增产、 增效的重要途 径。 本文以潞安集团山西某矿为例, 通过现场调研、 理论分析、 工程实践, 论证了无煤柱护巷的可行性和 优越性。 1 工程概况 山西某矿在综采工作面设计中采用留煤柱护巷 布置方式, 为提升煤炭资源采出率、 延长矿井服务年 限, 在后续盘区设计中计划采用无煤柱护巷方式。 W1 3 1 8和 W1 3 1 9工作面为山西某矿西一盘区 的相邻工作面, 采 3号煤层, 平均煤厚 6 . 7m , 平均 倾角 5 。W1 3 1 8工作面采用两进一回“ Y型 + 高抽 巷” 通风方式, 即布置有胶带巷、 进风巷进风, 回风 巷( 下个面的胶带巷) 回风, 高抽巷布置在内错进风 巷 4 0m且在煤层顶板上方 4 0m的岩层内, 用于抽 采裂隙带瓦斯。W1 3 1 8工作面在回采过程中, 机头 702 2 0 2 0年第 8期 能 源 与 环 保第 4 2卷 ( 胶带巷侧) 采用垮落法控制顶板, 机尾( 进风巷侧) 采用柔模混凝土沿空留巷。 现 W1 3 1 8工作面已回采完毕, 其进风巷也已沿 空留设完毕。拟复用 W1 3 1 8沿空留巷作为开采 W1 3 1 9工作面的一条巷道, 通过 W1 3 1 9工作面的工 程实践论证留巷的二次复用可靠性, 从而验证无煤 柱开采的可行性, 为山西某矿后续采用无煤柱开采 技术提供理论指导和实践经验。为此, 提出了 W1 3 0 9工作面的巷道布置方案。 2 W1 3 1 9工作面巷道布置方案 根据山西某矿现有水文地质条件, 通过对 W1 3 1 8工作面的巷道布置方式进行调研和分析, 结 合山西某矿现有运输及通风系统, 对 W1 3 1 9工作面 提出以下 3种巷道布置方式。 2 . 1 留煤柱护巷 W1 3 1 9工作面采用留煤柱护巷布置方式如图 1 所示。其中, 将 W1 3 1 8工作面回风巷( Y型通风回 风通道) 和南胶大巷相连作为 W1 3 1 9工作面胶带 巷; 根据以往留煤柱护巷现场经验, 在 W1 3 1 8沿空 留巷往南 3 5m沿底板新掘 1条巷作为 W1 3 1 9工作 面进风巷; 将 W1 3 1 8沿空留巷复用为回风巷。由于 留设 3 5m煤柱, 工作面长度为 2 9 4m 。 图 1 W1 3 1 9工作面留煤柱护巷布置 F i g 1 L a y o u t o f r o a d w a yw i t hr e t a i n i n gc o a l p i l l a ri nW1 3 1 9w o r k i n gf a c e ( 1 ) 通风系统。留煤柱护巷布置方式采用两进 一回 Y型通风方式, 胶带巷、 进风巷进风, W1 3 1 8工 作面沿空留巷作为本工作面回风巷, 根据工作面瓦 斯含量计算, 工作面配风量为 38 0 0m 3/ m i n 。 ( 2 ) 运输系统。胶带巷安设胶带输送机运煤, 进风巷作为辅助运输和设备安装主要通道, 确保瓦 斯抽采管路安设, 材料、 设备安装及更换等。 2 . 2 无煤柱护巷 W1 3 1 9工作面采用无煤柱护巷方式如图 2所 示。其中, 将 W1 3 1 8工作面回风巷( Y型通风回风 通道) 和南胶大巷相连作为 W1 3 1 9工作面胶带巷; 将 W1 3 1 8工作面沿空留巷复用为本工作面回风巷。 由于该巷道布置方式不需要留设煤柱, 工作面长度 为 3 3 4m , 沿空留巷作为回风巷和运输巷道使用。 ( 1 ) 通风系统。采用一进一回 U型通风方式, 胶带巷进风, 上一个工作面沿空留巷作为本工作面 回风巷回风, 根据工作面瓦斯含量计算, 工作面配风 量为 38 0 0m 3/ m i n 。 ( 2 ) 运输系统。胶带巷安设胶带输送机运煤, 上工作面沿空留巷作为本工作面辅助运输和设备安 装主要通道, 保证后期瓦斯抽采管路、 材料和主要设 备运输及安装。 2 . 3 工作面过空巷 W1 3 1 9工作面采用过空巷沿空留巷布置方式 如图 3所示。其中, 将 W1 3 1 8工作面回风巷( Y型 通风回风通道) 和南胶大巷相连作为W1 3 1 9 工作面 802 2 0 2 0年第 8期李晓鹏 无煤柱开采技术研究与应用 第 4 2卷 图 2 W1 3 1 9工作面无煤柱护巷布置 F i g 2 L a y o u t o f r o a d w a yw i t h o u t c o a l p i l l a ri nW1 3 1 9w o r k i n gf a c e 图 3 W1 3 1 9工作面过空巷布置 F i g 3 L a y o u t o f g o a f p a s s i n gt h r o u g hW1 3 1 9w o r k i n gf a c e 胶带巷; 将 W1 3 1 8工作面沿空留巷复用为本工作面 进风巷; 在 W1 3 1 8沿空留巷往南 3 5m沿底板掘 1 条巷作为 W1 3 1 9工作面回风巷。 该巷道布置方式沿着工作面中间掘 1条巷道作 为回风巷道, 兼做辅助运输巷道使用, 工作面在回采 过程需要过空巷, 无需留煤柱, 但需要多掘进 1条巷 道。 ( 1 ) 通风系统。采用两进一回 W 型通风方式, 胶带巷、 沿空留巷进风, 回风巷回风。根据工作面瓦 斯含量计算, 工作面配风量为 38 0 0m 3/ m i n , 其中胶 带巷 26 0 0m 3/ m i n , 沿空留巷 12 0 0m3/ m i n , 现有巷 道断面能够满足要求。 ( 2 ) 运输系统。胶带巷安设胶带输送机运煤, 回风巷作为材料、 主要设备安装更换主要通道, 能够 满足安全生产作业需要。 902 2 0 2 0年第 8期 能 源 与 环 保第 4 2卷 3 W1 3 1 9巷道应力及变形分析 3 . 1 留煤柱护巷应力及变形分析 留煤柱护巷布置方式 通过留设3 5m煤柱掘进 一条巷道作为工作面的辅运巷和进风巷, 上一工作 面沿空留巷仅作为回风巷, 同时每隔 1 0 0m在辅运 巷与回风巷之间掘进回风联巷。 留煤柱护巷中, 本工作面回采过后, 受煤柱保 护, 沿空留巷上覆“ 大结构” 不会被破坏( 图 4 ) , 巷 道不会有较大变形。同时根据以往留煤柱护巷现场 经验, 辅运巷受煤柱和煤体保护, 在锚杆网联合支护 情况下围岩变形处于可控范围之内, 巷道整体变形 较小。该方案技术上成熟可行, 但由于留设煤柱不 可回收, 煤炭资源采出率会降低, 同时需要多掘进一 条巷道。 图 4 留煤柱护巷围岩“ 大结构” 示意 F i g 4 S c h e ma t i cd i a g r a mo f " l a r g es t r u c t u r e " o f s u r r o u n d i n gr o c ki nr o a d w a yw i t hr e t a i n i n gp i l l a r 3 . 2 无煤柱护巷应力及变形分析 无煤柱护巷中利用上工作面的沿空留巷作为本 工作面的辅助运输巷和回风巷, 本工作面采用 U型 通风方式。无煤柱护巷围岩“ 大结构” 如图 5所示。 图 5 无煤柱护巷围岩“ 大结构” 示意 F i g 5 S c h e ma t i cd i a g r a mo f " l a r g es t r u c t u r e " o f s u r r o u n d i n gr o c ki nr o a d w a yw i t h o u t p i l l a r 由于该沿空巷道已经受上工作面采动影响, 在 本工作面回采过程受二次采动影响, 同时本工作面 回采过后, 采空区侧沿空巷道上覆“ 大结构” 完全遭 到破坏, 会造成沿空留巷小结构产生较大变形。该 巷道布置方式不需要新掘进巷道、 不需要留设煤柱, 但考虑到沿空巷道受二次采动影响, 巷道变形量具 有不确定性, 对于工作面的回采有较大风险, 不宜直 接投入工程实践。 3 . 3 工作面过空巷应力及变形分析 工作面过空巷布置方式 在距离上工作面沿空 留巷3 5m处掘一条巷道, 作为本工作面的回风及运 输巷道, 上工作面沿空留巷作为本工作面进风巷道, 工作面回采过程需要过空巷。 沿空巷道会受二次采动影响, 本工作面回采过 后采空区侧“ 大结构” 遭到破坏( 图 6 ) , 沿空巷道围 岩“ 小结构” 会有较大的变形, 经过简单维护后完全 可以作为进风巷使用。根据以往现场实践经验, 工 作面中间所掘进的巷道在锚杆( 索) 联合支护及超 前棚加强支护下围岩变形处于可控范围之内, 不会 影响运输及回风等正常使用。 图 6 工作面过空巷围岩“ 大结构” 示意 F i g 6 S c h e ma t i cd i a g r a mo f " l a r g es t r u c t u r e "o f s u r r o u n d i n gr o c ki ng o a f p a s s i n gt h r o u g hw o r k i n gf a c e 该巷道布置方式需要在工作面中间掘进一条巷 道作为进风及辅助运输巷道, 工作面回采过程需要 过空巷, 在不留设煤柱的情况下, 各条巷道围岩变形 处于可控范围之内, 不影响正常使用。经过对留煤 柱护巷、 无煤柱护巷及工作面过空巷 3种布置方式 的应力、 围岩变形及经济效益综合分析, 得出工作面 过空巷技术可行、 经济效益好, 同时可以通过该方案 在工程实践中监测沿空留巷受二次采动影响的围岩 变形情况, 为后期无煤柱护巷提供现场经验。 4 工程实践 在该矿 W1 3 1 9工作面按照工作面过空巷方案 布置巷道, 回采过程中重点监测巷道表面位移。通 012 2 0 2 0年第 8期李晓鹏 无煤柱开采技术研究与应用 第 4 2卷 过分析巷道围岩变形, 为该矿无煤柱开采技术提供 理论和实践支撑。 4 . 1 巷道变形情况分析 在沿空留巷和回风巷内每间隔5m布置表面位 移测站, 每天对巷道顶底板及两帮的移近量进行观 测, 截取回采进尺 4 5~ 3 1 5m , 对巷道变形最大量的 观测数据进行统计分析, 如图 7 、 图 8所示。 图 7 W1 3 1 9回风巷表面位移 F i g 7 S u r f a c ed i s p l a c e me n t o f W1 3 1 9r e t u r na i rr o a d w a y 图 8 W1 3 1 9进风巷( 沿空留巷) 表面位移 F i g 8 S u r f a c ed i s p l a c e me n t o f W1 3 1 9a i ri n t a k e r o a d w a y ( g o b s i d ee n t r yr e t a i n i n g ) ( 1 ) 沿空留巷在推进至 1 1 0m处顶底板移近量 最大为 4 4 7m m , 在推进至 1 1 5m处两帮移近量最大 为 11 4 5m m , 巷道第 1次出现锚杆和锚索绷断、 柔 模包倾斜和破包、 底鼓等现象在回采进尺 1 2 0~ 1 3 0 m处。 ( 2 ) 回风巷在推进至 1 2 5m处顶底板变形量最 大为 9 3 4m m , 两帮变形量最大为 17 4 2m m , 巷道第 1次出现锚杆和锚索绷断、 底鼓等现象在回采进尺 1 2 0~ 1 3 0m处。 分析认为, 工作面过空巷时, 沿空留巷受二次采 动影响和工作面顶板来压影响, 顶底板最大移近量 4 4 7m m , 两帮最大移近量 11 4 5m m , 围岩变形量处 于可控范围之内, 沿空留巷整体留巷质量较好, 可以 在无煤柱护巷中复用。 4 . 2 围岩变形控制措施 根据矿压观测和分析, 针对沿空留巷受二次采 动影响和周期来压影响发生变形情况, 提出如下控 制措施。 ( 1 ) 调整超前支护。根据巷道围岩变形情况对 超前支护进行调整。①缩小沿空留巷超前棚棚距, 由 0 . 8m改为 0 . 6m ; ②加长超前棚距离, 由 6 0m 改为 1 0 0m ; ③在沿空留巷超前棚 6 0m范围内, 由 “ 一梁三柱” 棚改为架设“ 一梁四柱” 支护棚支护顶 板, 加强顶板支护, 确保顶板支护有效。 ( 2 ) 拉底。受二次采动和工作面周期来压影 响, 沿空留巷底板均有不同程度的底鼓, 最大底鼓量 1 5 0m m , 对于二次复用沿空留巷, 影响运输的区段 可适当进行拉底。 ( 3 ) 锚杆锚索防护措施。根据矿压观测情况, 在周期来压过程中, 锚杆锚索会发生崩断情况, 在沿 空留巷和回风巷顶板采取有效措施, 防止锚杆锚索 绷断射出伤人。 ( 4 ) 补网。在周期来压过程中, 巷道发生破网 现象。在沿空留巷和回风巷顶板、 煤墙和柔模墙破 网处提前补网, 在顶板破碎、 煤墙坠包、 柔模墙变形 严重的区域加补 1层金属网, 确保在周期来压期间 无漏顶和片帮现象。 5 结论 ( 1 ) 工作面过空巷时, 各巷道围岩变形处于可 控范围之内, 同时无需留设煤柱, 提高了煤炭资源采 出率。 ( 2 ) 沿空留巷受二次采动影响和工作面周期来 压影响, 巷道围岩变形整体处于可控范围之内, 可以 在无煤柱护巷中二次复用。 ( 3 ) 在无煤柱护巷中, 针对沿空留巷变形情况, 可以采用调整超前支护、 拉底、 捆绑锚索、 补网等措 施控制巷道围岩变形, 确保煤矿安全高效生产。 参考文献( R e f e r e n c e s ) [ 1 ] 谢侃. 煤矿井下无煤柱开采理论研究[ J ] . 中国石油和化工标 准与质量, 2 0 1 9 , 3 9 ( 1 3 ) 1 5 8 1 5 9 . 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