浅埋深薄基岩煤层连续采煤机开采顶板管理技术研究.pdf

★科技与工程★ 移动扫码阅读 引用格式杜涛􀆱浅埋深薄基岩煤层连续采煤机开采顶板管理技术研究 [J]􀆱中国煤炭,２ ０ ２ ０,４ ６８ １ ２ ２－１ ２ ７ 􀆱 D uT a o 􀆱R e s e a r c ho nr o o fm a n a g e m e n t t e c h n o l o g yw h i l em i n i n gb yc o n t i n u o u s c o a l s h e a r e r i ns h a l l o w Ｇ b u r i e d a n dt h i n Ｇ b e d r o c kc o a l s e a m[J]􀆱C h i n aC o a l,２ ０ ２ ０,４ ６８ １ ２ ２－１ ２ ７ 􀆱 基金项目山西天地煤机装备有限公司自立项目 M ２ ０ １ ９－２ ５ 浅埋深薄基岩煤层连续采煤机开采顶板 管理技术研究 杜 涛 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司,山西省太原市,０ ３ ０ ０ ０ ６ 摘 要 针对浅埋深薄基岩煤层条件下连续采煤机开采顶板难以管理的问题,为保障安 全高效开采,系统分析了煤柱支护、人工强制放顶、充填开采等顶板管理技术在该开采工艺 条件下的技术原理与效果,研究了上述不同顶板管理方式的优缺点,并在张家峁５ －２号煤层 残采区联合应用煤柱支护与人工强制放顶技术管理顶板.结果表明,留设煤柱及人工强制放 顶方式各有优缺点,在现场应用时根据实际地质条件和开采工艺组合应用不同的顶板管理方 式可满足现场需求;连续采煤机充填开采能有效防止顶板大面积垮落,显著提高工作面回采 率,同时能减少甚至避免地表沉陷. 关键词 浅埋深煤层 连续采煤机 顶板控制 充填开采 水力压裂 卸压爆破 中图分类号 T D ３ ２ ７ 􀆱 ２ 文献标识码 A R e s e a r c ho nr o o fm a n a g e m e n t t e c h n o l o g yw h i l em i n i n gb yc o n t i n u o u s c o a l s h e a r e r i ns h a l l o w Ｇ b u r i e da n dt h i n Ｇ b e d r o c kc o a l s e a m D uT a o T a i y u a nR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h i n aC o a lT e c h n o l o g ya n dE n g i n e e r i n gG r o u pC o r p o r a t i o n, T a i y u a n,S h a n x i ０ ３ ０ ０ ０ ６,C h i n a A b s t r a c t A i m i n ga t t h ed i f f i c u l t r o o fm a n a g e m e n tw h i l em i n i n gb yc o n t i n u o u sc o a l s h e a r e r i ns h a l l o wb u r i e da n dt h i nb e d Ｇ r o c kc o a l s e a m,a n d i no r d e rt oe n s u r es a f ea n de f f i c i e n tm i n i n g,t h ea u t h o rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h et e c h n i c a lp r i n c i p l e sa n d e f f e c t so f r o o fm a n a g e m e n t t e c h n o l o g i e ss u c ha sc o a l p i l l a r s u p p o r t,a r t i f i c i a l f o r c e dr o o f c a v i n ga n dm i n i n gw i t hf i l l i n gu n d e r t h e c o n d i t i o n so f t h em i n i n gp r o c e s s,s t u d i e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e s ed i f f e r e n tm e t h o d s,a n dt h ec o m b i n e da p p l i c a Ｇ t i o no f c o a l p i l l a r s u p p o r t a n d f o r c e d r o o f c a v i n gm a n a g e m e n t t e c h n o l o g yw a s c o n d u c t e d i n r e s i d u a lm i n i n ga r e a i n５ －２c o a l s e a mo f Z h a n g j i a m a oC o a lM i n e 􀆱T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e r e a s o n a b l e c o a l p i l l a r s s e t t i n ga n da r t i f i c i a l f o r c e d r o o f c a v i n ge a c hh a d i t s a d Ｇ v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s;i nt h e f i e l da p p l i c a t i o n,a c c o r d i n gt o t h ea c t u a l g e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa n dm i n i n gt e c h n o l o g yc o m b i n a Ｇ t i o n,d i f f e r e n t r o o fm a n a g e m e n tm e t h o d s c o u l dm e e t t h en e e d so f t h e s i t e;m i n i n gw i t h f i l l i n gb yc o n t i n u o u s c o a l s h e a r e r c o u l de f Ｇ f e c t i v e l yp r e v e n t l a r g e Ｇ s c a l er o o f c a v i n g,s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h ec o a l r e c o v e r y,a n dr e d u c eo re v e na v o i dg r o u n ds u b s i d e n c e 􀆱 K e yw o r d s s h a l l o w Ｇ b u r i e dc o a l s e a m,c o n t i n u o u s c o a l s h e a r e r,r o o f c o n t r o l,m i n i n gw i t h f i l l i n g,h y d r a u l i c f r a c t u r i n g,p r e s Ｇ s u r e Ｇ r e l i e fb l a s t i n g ２２１ 中国煤炭第４ ６卷第８期２ ０ ２ ０年８月 随着连续采煤机开采技术在晋陕蒙矿区特别是 神府煤田的广泛应用,其在矿井边角煤开采、残留 煤柱开采等方面显现了极大的优势,有效地提高了 矿井回采率.浅埋深薄基岩是该地区煤层赋存的普 遍特征,作为工作面安全高效生产工作的重中之 重,国内外学者对该地区矿井开采工作面的顶板管 理做了大量研究.吴宝杨[ １]通过总结分析,认为浅 埋薄基岩煤层回采过程中煤层上覆顶板运移规律主 要表现在顶板破断具有突然性和贯通性;赵帅等[ ２] 以乌兰木伦煤矿块段式短壁工作面为研究背景,对 神东矿区连续采煤机块段式开采工艺中保护煤柱尺 寸及破坏规律进行研究,得出了不同种类煤柱的合 理尺寸;王世栋[ ３]针对榆家梁煤矿薄基岩厚表土层 的赋存特点,提出工艺极限回采面积与应力极限回 采面积的概念,对顶板采用全垮落控制模式以实现 顶板安全管理.目前相关研究多局限于单一工作面 条件下的顶板管理技术应用,笔者通过对不同顶板 管理技术的系统分析,探讨了相关技术应用的优缺 点,并以张家峁煤矿５ －２号煤层工作面为例进行应 用探讨,以期为煤矿现场生产安全提供一些借鉴. １ 煤柱支护 连续采煤机在浅埋深薄基岩煤层进行开采时, 通过留设不同功能的煤柱,对顶板进行支护,通过 采硐间、支巷间、支巷口及块段保护煤柱自身的稳 定屈服,从而缓解或消除浅埋煤层薄基岩顶板破断 时大面积来压所产生的动力灾害问题以控制顶板, 确保连采工作面的安全,同时最大程度提高煤炭回 收率. 对于浅埋深煤层薄基岩煤层来讲,顶板管理重 点在于作为关键层的薄基岩顶板的稳定.在保证 “ 薄基岩－煤柱屈服”系统 [４]的安全性基础上,系 统分析支巷布置方式、回采顺序、支巷宽度,以增 加块段开采面积和煤炭回收率为目标,确定煤柱留 设的种类、数量及煤柱宽度等参数.常见的煤柱留 设方式如图１所示,在每个采硐间留设一定宽度的 小煤柱,对连续采煤机采硐回采时顶板起到一定支 撑作用或顶板来压预警作用;支巷回采完毕后在支 巷口留设煤柱以避免支巷回采区域顶板突然垮落造 成的危害;块段内支巷回采完成后留设块段保护煤 柱以控制块段悬顶面积避免大面积垮塌对邻近工作 面形成的冲击,同时有利于煤层自然发火的控制. 图１ 煤柱支护示意 ２ 人工强制放顶 浅埋深薄基岩煤层顶板大多整体性较好,节理 裂隙不太发育.连续采煤机回采过程中,顶板很难 做到随采随冒,容易形成大面积悬顶.当悬顶达到 一定面积后,工作面顶板形成强矿压区,极易突然 垮落而形成飓风冲击,给生产和人员安全带来严重 威胁.通过强制放顶减弱顶板应力集中程度,增加 顶板岩层内的裂隙数量、长度和深度,实现顶板小 步距自然垮落,以保证工作面的安全. ２ 􀆱 １ 加强支护切顶 通过采用履带行走式液压支架,对回采采硐口 进行加强支护[ ５],采用２台行走支架作为一组,实 现带压迈步式擦顶移架控制顶板,从而实现工作面 顶板随采随冒,避免形成大面积悬顶,如图２所 示.在顶板比较坚硬不能及时垮落的情况下,可以 采用顶板预裂等方式对顶板进行处理,以保证悬顶 及时垮落. ２ 􀆱 ２ 爆破卸压 该方法通过爆破对已形成强矿压危险的顶板进 行人工干预,从而减缓其应力集中程度的一种解危 措施.通过爆破使得顶板的弹性模量减小,强度降 低,力学性质发生变化[ ６],以增加顶板内裂隙的长 度和密度,使顶板能够局部小面积垮落,防止强矿 压的发生.爆破卸压后顶板垮落如图３所示. 爆破卸压的应用重点在于确定顶板的极限垮落 面积,在悬顶面积达到极限垮落面积之前施行爆 破,不仅能有效避免顶板大面积垮落,也能够最大 程度减少爆破次数,提高爆破有效率. ３２１ 浅埋深薄基岩煤层连续采煤机开采顶板管理技术研究 图２ 履带式行走支架支护切顶 ２ 􀆱 ３ 水力预裂 在坚硬顶板内钻孔进行 定向水力致裂,产 生水压主裂缝和翼型分支裂纹,利用其对顶板的结 构进行改造,形成有利于顶板断裂垮落的弱面;同 时,顶板岩层吸水湿润软化[ ７－８].基于顶板的结构 改造和湿润软化,在矿山压力作用下,顶板及时充 分冒落. 水力预裂实际应用时通常采用高压泵站连接封 孔器对预裂孔进行注水,并保持一定压力和时间来 完成.通过持续高压注水,促进水力致裂裂缝扩展 至岩体表面,从而形成预裂裂缝、裂隙,并进一步 诱使顶板及时垮落,如图４所示. 图３ 爆破卸压后顶板垮落 图４ 注水后顶板裂隙导通产生新的裂隙 ３ 连续采煤机充填开采 充填开采技术是目前煤矿绿色开采技术的重要 组成部分,其对岩层扰动小,具有控制岩层移动和 地表沉陷的作用,是解决煤矿开采环境问题和 “ 三 下” 建筑物下、铁路下、水体下压煤问题的有效 途径[ ９－１ ０].我国目前煤矿充填技术按照充填介质主 要分为干式充填、膏体充填和超高水材料充填等. 连续采煤机开采技术具有掘进速度快、设备移 动灵活、占用空间小的特点.该技术在工艺和设备 运行空间方面都可满足充填开采的技术要求,与充 填技术相结合能够实现采充平行作业,充填和回采 相互间不受影响,可最大限度地发挥出连采技术与 充填技术的优势,在提高开采效率、保证充填效果 的同时,有效控制地表下沉和岩层移动. 根据连续采煤机开采的技术特点,针对矿井地 表建筑物保护要求和矿井开采实际,充填开采方案 主要考虑有２种采充方案. １方案Ⅰ先采后充,边采边充,部分充 填,如图５所示. ２方案Ⅱ先采后充,边采边充,全部充 填,如图６所示. ４２１ 中国煤炭第４ ６卷第８期２ ０ ２ ０年８月 图５ 部分充填开采工艺 图６ 全部充填开采工艺 ４ 工程应用 ４ 􀆱 １ 工程背景 张家峁煤矿地处陕北神府矿区,为有效回收开 采残留区域的边角煤块段,设计采用连续采煤机进 行回采.５ －２煤层残采区段位于５ ２ ０ ３综采面与采区 大巷 之 间, 该 块 段 煤 层 赋 存 稳 定, 煤 层 埋 深 ５ ７ 􀆱 ４１ ５ ６ 􀆱 ５m,煤层倾角较小１ ２ ,为近水平 煤层,煤层厚度５ 􀆱 ２６ 􀆱 ０ m,平均厚度５ 􀆱 ５ m, 变化幅度较小,煤层结构较为简单,仅局部煤层底 部含１层夹矸,厚度０ 􀆱 １０ 􀆱 ３m,岩性为粉砂岩. 煤层老顶为浅灰色粉砂岩,厚度２ ０ 􀆱 ２ ７m;直接顶 为泥岩,厚度１ ３ 􀆱 ０ ８m,团块状,上部浅灰色、底 部深灰色、中夹薄层粉砂岩;直接底板为灰黑色、 团块状的粉砂岩,含植物化石碎片,厚度０ 􀆱 ４m. 底板岩石抗压强度平均２ ６ 􀆱 ３ ７MP a,属不稳定较 稳定型 ⅠⅡ .５ －２煤层自然发火期３ ５d,属自 燃煤层.煤尘爆炸性指数为３ ３ 􀆱 ３ ５％,具有一定的 爆炸危险性.本残采区段内涌水量较小,水文地质 条件简单,基本对生产没有影响. ４ 􀆱 ２ 开采工艺 在残采区段中部布置主运巷和辅运巷,将区段 划分为２个采区.第一采区在辅运巷法线方向布置 支巷进行回采,第二采区先在区段中部布置块段主 辅运巷道,然后在主辅运巷道两侧再布置支巷进行 回采.支巷长度以不超过８ ０m为准,采区边界布 置回风通道与各支巷相贯通并与主辅运巷道相接, 确保在回采过程中能够形成全风压通风系统.支巷 掘进时采用局部通风机进行压入式供风.工作面布 置如图７所示.工作面配套设备为连续采煤机进行 割煤、防爆铲运机装煤、带式输送机运煤.工作面 回采时先完成支巷掘进及回风通道布置,按照第一 采区、第二采区、第二采区左右两侧交叉回采的顺 序以后退式开采方式进行开采. 图７ 工作面巷道布置 ４ 􀆱 ３ 顶板管理技术 根据前述分析,结合该区段顶板完整性较好、 回采过程中无法实现随采随冒、容易形成大面积悬 顶的地质特征,采用留设功能性煤柱与阶段性强制 ５２１ 浅埋深薄基岩煤层连续采煤机开采顶板管理技术研究 放顶结合的方法管理顶板. ４ 􀆱 ３ 􀆱 １ 功能性煤柱的留设 １采 硐 间 煤 柱.在 采 硐 之 间 留 设０ 􀆱 ５ １ 􀆱 ０m宽的小煤柱,一方面对连续采煤机采硐回采 时顶板起到一定支撑作用或顶板来压预警作用;另 一方面有利于连续采煤机铲板机构进行装煤,提高 回采率,减少采空区遗煤. ２支巷口煤柱.支巷回采完毕后在支巷口留 设煤柱,煤柱宽度５ 􀆱 ０m,以避免支巷回采区域顶 板突然垮落造成危害.另外,为提高回收率,采区 支巷回采完毕后,在强制放顶前对支巷口煤柱布置 采硐回采,回采时为保证安全,采硐间煤柱宽度不 小于１ 􀆱 ０m. ４ 􀆱 ３ 􀆱 ２ 阶段性强制放顶 根据前期本煤层综采工作面回采期间顶板来压 规律及巷道顶板离层仪监测数据,工作面回采极限 垮落面积约为８ ０ ０ ０m ２.考虑到本残采区段每条支 巷的长度约为８ ０m,为确保安全回采,每回采４ 条支巷 采空区面积约７ ５ ０ ０m ２后如若顶板未垮 落即进行强制放顶,采用水力预裂的方式对顶板进 行处理,从而诱导顶板垮落. １水力预裂方案.支巷回采完毕后在支巷口 和对应联络巷内沿巷道中心线布置预裂孔,布置方 式为平行布孔７个,扇形布孔５个,如图８所示. 其中平行布孔倾角３ ０ ,扇形排布的孔倾角为４ ５ , 钻孔深度２ ０m,孔径３ ２mm.采用单孔多次压裂 法按序对钻孔进行压裂. 图８ 水力预裂钻孔布置 ２方案实施.采用３ Z S B－１ ５ ８/２ ０型加压泵 站配套６ ０MP a耐高压胶管和封孔器进行注水,压 裂次数根据顶板变化情况确定,单孔压裂次数为５ 次,封孔压力约２ ０MP a,压裂过程中随时观察顶 板变化及周边钻孔和锚杆孔出水情况,当邻近钻孔 和锚杆孔出水较大时停止压裂,实施下一个孔的压 裂.压裂过程中要及时根据压裂压力曲线的变化调 整压裂时间. ４ 􀆱 ４ 应用效果 １通过留设功能性小煤柱,使采硐内基本没 有撒煤,回采期间主辅运巷道完整,未出现因支巷 回采而垮塌,保证了连续采煤机开采的顺利进行. ２由于水力压裂弱化作用,顶板中形成大量 裂缝,在单条支巷预裂过程中部分顶板即出现垮 落,在邻近支巷的预裂时,进一步促进了裂缝的导 通,基本上３条相邻支巷连续进行预裂时就会出现 明显的垮落,表明了水力预裂的有效性.通过实施 水力预裂,实现了顶板的有序垮落. ５ 结语 连续采煤机在浅埋深薄基岩煤层条件下开采 时,应通过对煤层地质条件的详细分析并结合开采 工艺设计,选择合适有效的顶板管理方式,方能确 保安全高效开采. １留设合理的煤柱能够有效管理顶板,避免 顶板冒落,不会形成地表沉陷,但工作面回采率较 低. ２水力预裂技术能够有效促使顶板裂隙发 育,从而诱使顶板及时充分垮落.爆破卸压能够及 时有效减缓顶板应力集中程度,防止强矿压发生, 是一种有效的解危手段.两者相比,水力预裂重点 在于预防,且能够减少火工品的使用,有利于矿井 安全管理. ３连续采煤机开采与充填开采相结合能有效 防止顶板垮落,发挥２种技术的优点,能显著提高 工作面回采率,同时减小甚至避免地表沉陷. ４现场应用过程中,根据具体地质条件采用 不同方式顶板管理方式的组合,或者在不同的开采 阶段采用不同的顶板管理方式,更能够实现顶板的 安全有效管理. 参考文献 [ １] 吴宝杨􀆱浅埋煤层顶板运移及地表沉陷规律 [J]􀆱 煤矿安全,２ ０ １ ９,５ ０ １ ２ １ ０－２ １ ３ 􀆱 [ ２] 赵帅,桑盛远,郝万东,等􀆱块段式开采工艺合理 保护煤柱尺寸研究 [ 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用”第３ １ １场中国工程科技论坛暨 “ 煤炭安全智能 精准开采协同创新组织”成立三周年学术研讨会在 安徽理工大学隆重举行. ３ ２位中国工程院院士、２ ０ ０多位专家学者和政 府企业领导通过线上、线下相结合的方式共聚一 堂,聚焦废弃矿井与煤炭精准开采科技前沿,探讨 总结废弃矿井资源开发利用与煤炭安全智能精准开 采的新理论新技术新成果,话改革、促创新、谋发 展. 据悉,中国工程院舒印彪、汪旭光、邱爱慈、 顾金才、范维澄、彭苏萍、袁亮、段宁、蔡美峰、 刘文清、赵文智、欧阳晓平、顾大钊、陈学东、康 红普、陈湘生、王国法、邓建军、汤广福、林君、 王运敏、李宁、杨春和、冯夏庭、郭旭升等２ ６位 院士出席会议,中国工程院何多慧、赵宪庚、李 阳、李根生、王双明、李术才等６位院士线上参 会. 在开幕式前展播了 “ 煤炭安全智能精准开采协 同创新组织”主要成果与进展.安徽理工大学校长 袁亮院士介绍了研究背景及组织概况,重点介绍了 废弃矿井资源开发利用和煤炭安全智能精准开采的 科学内涵以及取得的主要成果和最新研究进展.近 年来,通过 “ 政－产－学－研－用”协同创新,在 废弃矿井资源开发利用、智能开采、灾害防控与预 警、智能通风、职业健康等领域成果显著. 开幕式结束后,举行了院士及专家特邀报告 会.谢克昌、邱爱慈、彭苏萍、顾大钊、陈湘生、 王国法、王运敏、杨春和８位院士以及与会专家作 了１ ８场精彩的学术报告,围绕新形势下我国能源 发展战略、我国煤矿安全高效开采地质保障系统研 究、重复可控冲击波技术用于煤炭开采中的实践与 设想、西部煤炭开采水资源保护与利用、我国城市 地下空间利用与施工技术、５ G＋煤矿智能化顶层 架构与关键技术等论坛主题或专题开展学术交流与 研讨,分享最新研究进展和成果,为与会者呈现了 一场盛大的学术盛宴. 此次论坛线上参会人数达到９ ０ ０ ０多人,大家 聚焦前沿热点,充分交流思想,聚集发展力量,聚 变论坛成果,共同为废弃矿井资源开发利用与煤炭 安全智能精准开采贡献智慧和力量. ７２１ 浅埋深薄基岩煤层连续采煤机开采顶板管理技术研究