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第 37卷第 2期煤 炭 科 学 技 术 Vol37 No2 2009年2月 Coal Science and Technology Feb. 2009 塔山煤矿特厚煤层综放开采关键技术 黄 庆 国 山西大同大学 工学院, 山西 大同037003 摘 要 为了安全高效开采塔山煤矿石炭系特厚煤层,针对 3 5号煤层为典型的合并煤层、厚度 大、结构复杂、顶板岩性变化大, 煤层自然发火期短的特点, 通过实施合理的巷道布置、有效的巷 道支护、高压注水软化顶煤顶板、采空区预防性灌注三相泡沫防火、综合矿压监测等技术措施, 克 服了影响工作面生产的不利因素, 保证了 8102采煤工作面的安全高效生产。 关键词 综放开采;支护设计;矿压监测; 安全高效 中图分类号TD82349 文献标志码A 文章编号0253- 2336 2009 02- 0022- 03 Key Technologies on FullyM echanized Top CoalCavingM ining ofU ltra Thick Sea m in TashanM ine HUANG Qing -guo School of T echnology, Shanx iDatong University, Datong037003 , China Abstract In order to safe and high efficiently m ine the Carboniferous Syste m ultra thick sea m in TashanM ine ,according to the features of the typicalco mbined sea m w ith No 3 to No5 sea ms , high thickness , structure complicated ,roof strata high variation and shortsponta - neous combustion period, w ith the i mple mentation of the rational gateway layout ,effective gateway support , high pressurized water injec - tion to soften top coal and roo, f preventive three phase foa m grouting to control fire in the goaf and co mprehensive strata pressuremonito - ring and measure mentmeasures ,the unfavorable factors affected to the coalm ining face productionwere overca me and the safety and high efficient production ofNo8102 coam ining face was ensured . K ey words fully mechanized longwallm ining; support design ;strata pressuremonitoring andmeasurement ;safety and high efficiency 1 概 述 塔山井田东西走向长 243 km,南北倾斜宽 117 k m,面积约 17091 km 2。井田上部的侏罗系 煤层已基本采完, 石炭系可采储量 307亿 , t 矿井 设计生产能力 1 500万 t/a ,设计服务年限 132年。 矿井采用平硐、立井混合方式开拓,主、副井为平 硐, 进风、回风井为立井。所采煤层为石炭系 3 5号合并层,可采厚度为 1263 2921 m,平均 1844 m,煤层含有 6 11层夹石,最大厚度达 06 m,倾角 1 3 , 属较稳定型煤层, 该煤层上 部由于煌斑岩侵入的穿插破坏, 煤层受热变质或硅 化, 结构疏松,易碎, 使煤层结构与煤质趋于复杂 化。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、煤、高岭岩、细 砂岩、中砂岩、粗砂岩的互层,分层厚度一般为 01 40m, 且厚度较大的分层中间都夹有泥岩或 煤的软弱夹层,该类型顶板为不稳定顶板。 塔山煤矿 8102首采工作面位于一盘区, 工作 面走向长度 1 650 m,倾向长度 2305 m,面积 352 964m 2, 工业储量 7247万 ; t 采用单一走向 长壁后退式综合机械化低位放顶煤采煤法。 2 巷道布置及支护设计 首采 8102工作面为一进两回三巷布置,3条 工作面巷道均垂直于 1070大巷向北,其中 2102运 输巷、 5102辅助运输巷沿 3 5号煤层底板布置; 2102运输巷与 1070运输巷相连接,5102辅助运输 巷通过联络巷与 1070辅助运输巷连接,5102回风 巷沿 3 5号煤层顶板布置,与 1070回风巷连接。 5102回风巷作回风兼作材料、设备的运输巷, 底 板铺设厚 150 200 mm 混凝土作路基。切眼位于 工作面北部, 工作面由北向南推进。 针对煤层情况,结合煤层及围岩地质力学综合 测试结果,应用松动圈理论和组合拱理论并结合一 定的实践经验 [ 1], 在数值模拟的基础上确定了塔 山煤矿首采 8102工作面巷道及切眼巷的支护参数, 22 黄庆国 塔山煤矿特厚煤层综放开采关键技术2009年第 2期 两巷为矩形断面,工作面运输巷 55 m 35 m, 工作面回风巷 52 m 35 m。 2102运输巷与 5102回风巷支护方式如下 这 2条巷道顶板锚杆形式和规格杆体采用 22号左旋无纵筋螺纹钢,长度为 2 400 mm,杆尾 螺纹为 M24mm。托板 采用拱型高强度托板, 托 板规格为 150 mm 150 mm 10 mm。W 形钢带规 格 厚度为 3mm,宽度为 250mm, 长度方面 2102 运输巷为 5 300 mm,而 5102回风巷为 4 800 mm。 锚固方式树脂加长锚固,采用 2支树脂药卷, 一 支规格为 K2335 ,另一支规格为 Z2360 。钻孔直径 为 28mm,锚固长度为 1 200mm。 锚杆布置锚杆排距为 1 000 mm,每排 6根 锚杆,间距方面 2102运输巷为 1 000mm, 而 5102 回风巷为 900 mm。锚杆角度靠近巷帮的顶板锚杆 安设角度为与铅垂线成 20 。锚索单根钢绞线, 直 径为 178 mm,长度为 8 300 mm,加长锚固,采 用 3支树脂药卷,1支规格为 K2335,2支规格为 Z2360 。锚索每 3排 2根, 排距为 3 000 mm,锚索 头部设有树脂药卷搅拌头,尾部配有高强度锚具, 配套金属托板规格为 300mm 300mm 16 mm。 巷帮锚杆形式和规格杆体采用 22号左旋无 纵筋螺纹钢,长度为 2 400 mm,杆尾螺纹为 M24 mm。托板采用拱型高强度托板,托板规格为 150mm 150 mm 10 mm。W 形钢带规格厚度 为 3mm,宽度为 250mm, 长度为 2 300mm。锚固 方式树脂加长锚固, 采用一支树脂药卷, 规格为 Z2360 。钻孔直径为 28 mm,锚固长度为 1 000 mm。锚杆布置 锚杆排距为 1 000 mm,每排每帮 3根锚杆, 间距为 1 000mm。锚杆角度靠近顶板 的巷帮锚杆安设角度为与水平线成 10 。工作面运 输巷与回风巷加固支护布置如图 1所示。 3 设备选型及采煤工艺 根据煤层赋存条件,综合考虑各种因素,该工 作面采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶 煤采煤法,采面倾斜长度 2305 m,走向长度 1 650m, 使用 SL- 500型采煤机落煤、装煤,PF6/ 1142型前部刮板输送机和 PF6/1342型后部刮板输 送机运煤,131架 ZF10000/25/38型低位放顶煤支 架支护顶煤、顶板,架中心距 175 m,工作面割 煤高度为 35 m,放煤高度 913 2571 m, 采用 图 1 8102工作面运输巷和回风巷加固支护布置 一采一放多轮顺序放煤的正规循环作业,循环进 度、放煤步距为 08m, 采用自然垮落法管理采空 区顶板, 工作面主要机电设备见表 1 。 表 1 工作面主要机电设备配置 名称型号功率 /k W工作能力数量 采煤机SL- 5001 8152 700 t/h1 前输送机PF6/11422 7502 500 t/h1 后输送机PF6/13422 8553 000 t/h1 转载机PFG /15424503 500 t/h1 破碎机SK11184004 250 t/h1 带式输送机DSJ1400 /33002 5003 000 t/h1 乳化液泵EHP- 3K200 /53200150 L4 喷雾泵EHP- 3K125 /80132516 L4 当工作面顶煤垮落达 4 m 以上,方可回收顶 煤, 但采空区垫层不能小于 4 m。顶煤垮落达不到 4 m, 严禁回收顶煤。 生产工艺采煤机斜切进刀割煤移架 推 前部刮板输送机 放顶煤 拉后部刮板输送机。 采煤机采用双向割煤,从头到尾及从尾到头, 沿牵引方向前滚筒割顶煤, 后滚筒割底煤。 4 顶煤与顶板弱化 塔山煤矿 8102工作面长度大,顶板岩性变化 23 2009年第 2期煤 炭 科 学 技 术第 37卷 较大,为确保开采安全,针对煤层和顶板实际赋存 状况,通过注水软化顶板的方法降低顶煤和顶板强 度。由于顶煤放煤的厚度大,工作面长 2305 m, 故选用双巷双侧双孔注水压裂孔布置。 注水孔长度 L1计算如下 L1 L - 2 R 2 4sin 2 H 2 式中 L 工作面长度,2305m; R 湿润半径,15m; H 煤岩体弱化高度,20 m; 注水孔水平投影与工作面巷道的夹角, 初次放顶区取 90 , 一般取 70 。 则初次放顶区 L1 107m,取 L1 100 m 正常情况 L1 114m,取 L1 110 m 经计算,初次放顶取注水孔仰角 19 , 正 常情况取 17 。 从第一层孔孔口到见顶板处有大于 40 m 的顶 板未能很好注水弱化, 故需打第二层孔。根据现场 实际情况,取未注好水的顶板长度为 50 m。经计 算注水孔仰角 30 , 二层孔长度 L2 60 m。 第一次注水孔从切眼算起 20 m 打孔,以后孔 间距取 30m,注水孔布置参数如图 2所示。根据 现场钻机特性,选取注水孔孔径取 80 90 mm。孔 长 60 m的注水量 200 300 m 3 /孔,孔长 100 110 m 的注水量 400 500 m 3 /孔。开始的注水压力为 10 20MPa ,稳定时注水压力保持在 3 6MPa 。 图 2 顶板钻孔注水软化压裂煤层试验 5 防治煤层自然发火 塔山煤矿 3 5号煤层自然发火期为 6个月, 为防止工作面开采过程中煤层自然发火,要求工作 面每推进 40 m,开始对采空区遗煤实施三相泡沫 阻化措施,直至工作面封闭。 51 三相泡沫制备的工艺流程 首先在制浆站中, 将一定比例的水与粉煤灰或 黄泥搅拌混合形成粉煤灰或黄泥浆体, 通过压力泵 输送到注浆管路中,再通过定量螺杆泵将发泡剂加 入到注浆管路中, 浆液与发泡剂在流动的混合器中 混合后进入发泡器,在发泡器中接入氮气管路, 氮 气与含有发泡剂的粉煤灰或黄泥浆体相互作用产生 三相泡沫,如图 3所示。 图 3 三相泡沫制备的工艺流程 52 三相泡沫灌注方案 采空区预防性灌注三相泡沫时,采用在进回风 巷道预埋管同时注三相泡沫工艺, 发泡器安装在回 风巷与进风巷道中,随着工作面的推进不断前移。 在准备过程中,应当注意以下 4点 1 由于采空区的特殊情况,为防止管被堵 塞, 预埋管应采用管径为 4英寸的管路。 2 预埋管前段以花管形式出现,管路前段随 机打 20个左右孔径为 1 c m 的小孔。 3 管路中的每隔 42 m 接一个三通,三通长 15m, 前段随机打 20个孔径为 1 cm的小孔。 4 管路的出口离发泡器的位置一般不要超过 150m。 正常情况下工作面每推进 40 m 后就开始连续 注三相泡沫,进回风巷道连续注 36 h后停止。等 工作面再推进 40 m后又开始连续注三相泡沫, 如 此循环。工作面不能正常推进时需要加强灌注, 直 到上下隅角出现三相泡沫才能停止灌注。 工作面停采后在终采线附近加强灌注三相泡沫 力度,要求终采线处三通长度为 80 m, 每隔 40 m 随机打 20个左右孔径为 1 cm的小孔。如采空区出 现异常情况立即进行灌注。 6 采面顶板运移规律监测 为掌握石炭系特厚煤层综放工作面矿压显现规 律,8102工作面投产后,采用了 KJ216顶板动态 监测系统,该系统由综采监测、顶板离层监测、锚 杆应力监测、超前应力监测 4部分组成,采用数字 全景钻孔摄像系统、高精度微地震监测系统对回采 下转第 28页 24 2009年第 2期煤 炭 科 学 技 术第 37卷 422 有效减小下沉量,利于铁路维修 通过注浆减沉, 减少地表下沉 50 ,地表累 计下沉值将由 11 m 降至 55 m,与不注浆比较, 由于地表下沉的减少, 吨煤节省搬迁费 8元、征地 费 4元、铁路维修费 12元,扣除减沉工程成本 34元 /, t 该采区可获利 217亿元。 423 有利于环保 由于大量使用粉煤灰, 不但可节省电厂排灰征 地费,还可减轻对环境的污染, 有利于环境保护。 5 结 语 通过唐山矿业分公司铁路煤柱下采用上覆岩层 离层注浆减沉技术的实施, 得出以下主要结论 1 采用覆岩离层注浆减沉技术有利于延长矿 井寿命。该矿井铁路下和建筑下压煤共 266亿 , t 占矿井保有储量的 65 。采用注浆减沉技术,可 延长矿井服务年限 5年左右。 2 采用注浆减沉技术有利于保证现有矿井生 产能力。按目前生产区域排产, 年生产能力仅 80 万 t左右。这对一个有万余名职工的老矿来说, 带 来的既是经济危机,也影响社会安定。而采用注浆 减沉技术,仅铁路煤柱二采区加上老采区在 10年 内生产能力都可保持在 300万 t/a以上。 3 与条带开采比较,采用注浆减沉技术, 可 大大提高资源回收率。 4 与全采比较, 由于采用注浆减沉技术减少 了铁路下沉, 不但降低了维修费用,还利于铁路安 全运行, 有利于与铁路方协商维修事宜。从搬迁方 面讲,由于下沉值的减少, 原定搬迁的单位可以不 搬或少搬,对搞好地方与企业关系和工农关系大有 好处。 5 注浆减沉需大量使用粉煤灰,唐山电厂可 节省大量排灰场征地费,减少粉煤灰对大气污染。 参考文献 [ 1] 钱鸣高, 石平五. 岩层控制的关键层理论[M ]. 徐州 中 国矿业大学出版社,2003. 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[ 2] 吴永平 大同矿区特厚煤层综放采场矿压显现规律研究 [ J]. 煤炭科学技术,2008 1. 作者简介 黄庆国 1961- , 男, 河北阜平人, 副教授, 从 事采矿教学与研究工作。T el13111284623 ,E- mailhbhqg so- hucom 收稿日期2008- 11- 08; 责任编辑 曾康生 28