無(wú)煤柱開(kāi)采(采礦新技術(shù)之二)

1、無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù) -采礦新技術(shù)之二采礦新技術(shù)之二目錄無(wú)煤柱開(kāi)采的概念無(wú)煤柱開(kāi)采的意義沿空掘巷的位置與時(shí)間沿空留巷適應(yīng)性分析預(yù)留變形巷旁充填技術(shù)充填開(kāi)采技術(shù)實(shí)例1.無(wú)煤柱開(kāi)采的概念無(wú)煤柱開(kāi)采的概念無(wú)無(wú)煤煤柱柱開(kāi)開(kāi)采采區(qū)段平巷無(wú)煤柱“充填開(kāi)采”無(wú)煤柱沿空掘巷沿空留巷采空區(qū)完全充填局 部 充 填回風(fēng)大巷回風(fēng)大巷采空區(qū)采空區(qū)區(qū)段小煤柱區(qū)段小煤柱軌道順槽軌道順槽沿空掘巷沿空掘巷回風(fēng)大巷采空區(qū)采空區(qū)巷旁充填體軌道順槽沿空掘巷回風(fēng)大巷水平大巷采空區(qū)沿空留巷沿空留巷軌道順槽工作面巷旁充填巷旁充填采空區(qū)完全充填采空區(qū)完全充填矸石充填矸石充填似膏體充填似膏體充填高水材料充填高水材料充填建筑垃圾充填建筑

2、垃圾充填采空區(qū)局部充填采空區(qū)局部充填采空區(qū)局部充填采空區(qū)局部充填2.無(wú)煤柱開(kāi)采的意義無(wú)煤柱開(kāi)采的意義無(wú)無(wú)煤煤柱柱開(kāi)開(kāi)采采技技術(shù)術(shù)區(qū)段平巷無(wú)煤柱“充填開(kāi)采”無(wú)煤柱沖擊地壓沖擊地壓瓦斯與煤突出瓦斯與煤突出 煤柱發(fā)火煤柱發(fā)火 資源回收率資源回收率 采空區(qū)瓦斯抽放采空區(qū)瓦斯抽放 采掘關(guān)系采掘關(guān)系 資源回收率資源回收率 水資源水資源 地表環(huán)境地表環(huán)境承壓開(kāi)采承壓開(kāi)采 水體下開(kāi)采水體下開(kāi)采 3.沿空掘巷的位置與時(shí)間沿空掘巷的位置與時(shí)間沿空留巷巷旁充填沿空掘巷小煤柱護(hù)巷沿空掘巷大煤柱護(hù)巷外應(yīng)力場(chǎng)掘巷原始應(yīng)力場(chǎng)掘巷采空區(qū)矸石s0(a)(b)(c)(d)相對(duì)穩(wěn)定階段相對(duì)顯著運(yùn)動(dòng)階段覆巖穩(wěn)定階段老頂(基本頂)巖梁

3、觸矸是在內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中送巷受力和維護(hù)狀況比沿空留巷優(yōu)越的先決條件。若掘巷時(shí)基本頂巖梁尚未觸矸，即掘巷滯后回采工作面的距離過(guò)短，則在內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中送巷的受力和變形就與留巷差別不大了。可見(jiàn)，送巷的位置由內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的范送巷的位置由內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的范圍決定圍決定，送巷的時(shí)間由基本頂運(yùn)送巷的時(shí)間由基本頂運(yùn)動(dòng)的發(fā)展過(guò)程決定動(dòng)的發(fā)展過(guò)程決定。回風(fēng)大巷采空區(qū)采空區(qū)區(qū)段煤柱區(qū)段煤柱軌道順槽沿空送巷滯后距離滯后距離L0回風(fēng)大巷采空區(qū)采空區(qū)軌道順槽相向推進(jìn)回風(fēng)大巷采空區(qū)采空區(qū)軌道順槽提前掘進(jìn)4.沿空留巷適應(yīng)性分析沿空留巷適應(yīng)性分析 沿空留巷成功的關(guān)鍵技術(shù)之一是留巷的穩(wěn)定性，即在地應(yīng)力和采動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)支承壓力的作用下，所留巷道的圍巖

4、（包括頂板、底板、一側(cè)煤體和一側(cè)巷旁充填體）基本保持穩(wěn)定，總體變形量有限且在允許的范圍內(nèi)，巷道形狀和斷面積滿足工作面通風(fēng)、運(yùn)輸和行人的基本要求。 沿空留巷圍巖穩(wěn)定是在地應(yīng)力和采動(dòng)支承壓力的共同作用下，巷道圍巖結(jié)構(gòu)（強(qiáng)度）與巷道支護(hù)體互相作用，最終達(dá)到力學(xué)平衡的結(jié)果。因此，沿空留巷圍巖穩(wěn)定性是由：(1)應(yīng)力環(huán)境（地應(yīng)力和采動(dòng)支承壓力）(2)圍巖結(jié)構(gòu)(3)巷道支護(hù)體三者組成的一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)決定的。其中，1.地應(yīng)力是由煤層埋藏深度和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)決定的；2.采動(dòng)支承壓力是由覆巖結(jié)構(gòu)及工作面采動(dòng)參數(shù)采動(dòng)支承壓力是由覆巖結(jié)構(gòu)及工作面采動(dòng)參數(shù)決定的決定的；3.圍巖結(jié)構(gòu)是由煤層所處的層位及其沉積環(huán)境決定的

5、；4.而巷道支護(hù)體的形式和強(qiáng)度是由目前的技術(shù)水而巷道支護(hù)體的形式和強(qiáng)度是由目前的技術(shù)水平?jīng)Q定的平?jīng)Q定的深部礦井開(kāi)采過(guò)程中，很多礦區(qū)進(jìn)行了沿深部礦井開(kāi)采過(guò)程中，很多礦區(qū)進(jìn)行了沿空留巷工程試驗(yàn)，既有成功的經(jīng)驗(yàn)，也有失空留巷工程試驗(yàn)，既有成功的經(jīng)驗(yàn)，也有失敗的教訓(xùn)。大量的案例證明：在深部礦井開(kāi)敗的教訓(xùn)。大量的案例證明：在深部礦井開(kāi)采中，并不是所有的礦井地質(zhì)與采動(dòng)條件都采中，并不是所有的礦井地質(zhì)與采動(dòng)條件都適合于沿空留巷，也就是說(shuō)適合于沿空留巷，也就是說(shuō): 沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用是有條件的沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用是有條件的。因此，對(duì)沿空留巷的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分類；確定適宜進(jìn)行沿空留巷的地質(zhì)條件；研究一種（幾種）適

6、應(yīng)沿空留巷覆巖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的留巷工藝； 是保證在全國(guó)范圍內(nèi)推廣沿空留巷成功的必要途徑。 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是： （1）巷道頂板、底板和一側(cè)煤體經(jīng)歷了本工作面采動(dòng)形成的動(dòng)態(tài)支承壓力影響，整體強(qiáng)度降低； （2）沿本工作面?zhèn)鹊南飵蜑槿斯こ涮铙w。 因此，應(yīng)在研究不同地應(yīng)力場(chǎng)和采動(dòng)支承壓力場(chǎng)動(dòng)態(tài)耦合規(guī)律的基礎(chǔ)上，分別對(duì)巷道頂板、底板、煤體和巷旁充填體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以圍巖變形量為控制指標(biāo)，對(duì)沿空留巷的整體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)和分類。沿空留巷穩(wěn)定性分類類別穩(wěn)定性程 度頂 板底 板煤層堅(jiān)固系數(shù)f節(jié)理層理直接頂初次垮落平均步距(m)頂 底 板巖石類型(MPa)巖石類型(MPa)移近率(%)移近量(mm)非

7、常穩(wěn)定砂 巖石灰?guī)r泥頁(yè)巖68120平均96.5砂 巖粉砂巖砂質(zhì)泥巖2090中硬以上1.54.02.58不發(fā)育253200不穩(wěn)定粉砂巖砂質(zhì)泥巖頁(yè) 巖2278平均55.2粉砂巖砂質(zhì)泥巖頁(yè)巖12.455中硬0.7-3.0平均1.88發(fā)育122035極不穩(wěn)定泥 巖頁(yè) 巖2529平均34,7泥巖頁(yè)巖935平均1.0軟弱0.81.25平均1.0發(fā)育1035預(yù)留變形巷旁充填技術(shù)預(yù)留變形量巷旁充填風(fēng)囊阻風(fēng)（瓦斯）單體液壓支柱切頂后方臥底擴(kuò)巷5.預(yù)留變形巷旁充填技術(shù)預(yù)留變形巷旁充填技術(shù) 在深部礦井，由于地應(yīng)力高，圍巖強(qiáng)度呈現(xiàn)“高應(yīng)力軟巖”特征，區(qū)段平巷在第一個(gè)工作面超前支承壓力的作用下往往會(huì)產(chǎn)生很大的變形甚至破

8、壞。 在第一個(gè)工作面后方側(cè)向老頂巖梁回轉(zhuǎn)下沉過(guò)程中，在老頂巖梁及直接頂巖層的共同作用下，沿空留巷承受的壓力急劇增大，留巷變形劇烈，表現(xiàn)為底板鼓起和充填體被壓壞等現(xiàn)象，不能滿足下一個(gè)工作面回采時(shí)的通風(fēng)、設(shè)備運(yùn)輸及行人的要求。因此，提出了“預(yù)留變形巷旁充填沿空留巷技術(shù)”。根據(jù)沿空留巷變形量預(yù)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)巷旁充填體的高度為巷道原始高度與預(yù)計(jì)的巷旁充填體的最大變形量之差；該技術(shù)的核心思想是： hhrhch:巷道高度；hr:風(fēng)囊高度；hc: 充填高度該技術(shù)的核心思想是：采用柔性恒阻讓壓風(fēng)囊安裝在充填體上部，阻斷采空區(qū)的瓦斯。風(fēng)囊的高度等于充填體預(yù)留的高度。在老頂巖梁回轉(zhuǎn)下沉過(guò)程中，風(fēng)囊在保持一定阻力的情

9、況下可以隨著老頂巖梁一起壓縮變形，以此保證巷旁充填體不被壓壞。 hhrhch:巷道高度；hr:風(fēng)囊高度；hc: 充填高度該技術(shù)的核心思想是：當(dāng)柔性風(fēng)囊壓縮到接近不可壓縮的程度時(shí)，及時(shí)回撤出來(lái)；hdhc矸石矸石該技術(shù)的核心思想是：采用單體液壓支護(hù)配合鉸接頂梁加強(qiáng)支護(hù)并對(duì)直接頂進(jìn)行（或人工爆破）切頂，對(duì)老頂進(jìn)行讓壓給定變形；后期根據(jù)巷道圍巖變形情況對(duì)巷道底板進(jìn)行起底（臥底）擴(kuò)修。hdhc矸石矸石泡沫材料4MPa材料5.1 沿空留巷變形分析沿空留巷變形分析掘進(jìn)工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析掘進(jìn)工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.在煤

10、體內(nèi)開(kāi)掘巷道后，破壞了原始應(yīng)力狀態(tài)，巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，在圍巖塑性破壞發(fā)展過(guò)程中，巷道周邊發(fā)生顯著移近。隨著掘進(jìn)時(shí)間延長(zhǎng)，圍巖移近速度將逐漸降低。掘進(jìn)工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.掘巷引起的應(yīng)力重新分布趨向穩(wěn)定后，由于煤層一般具有流變性質(zhì)，巷道圍巖仍保持一定變形速度。掘進(jìn)工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.在上區(qū)段工作面超前支承壓力作用下，圍巖塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，圍巖變形增長(zhǎng)較快。掘進(jìn)工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.在工作面后方巖梁斷裂前彎曲下沉及巖梁斷裂后顯著運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，基本頂巖梁運(yùn)動(dòng)迫

11、使巷道頂板快速下沉，將造成很大的下沉量。掘進(jìn)工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.在基本頂觸矸后，隨著采空區(qū)矸石壓實(shí)，巷道圍巖移近速度逐漸趨于穩(wěn)定。掘進(jìn)工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.回采引起的頂板活動(dòng)和應(yīng)力分布趨向穩(wěn)定后，巷道圍巖保持一定的流變速度。掘進(jìn)工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.受下區(qū)段工作面回采影響時(shí)，由于支承壓力疊加使煤柱塑性區(qū)顯著增大，引起巷道圍巖變形。 掘進(jìn)工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析留巷在整個(gè)服務(wù)期間的圍巖變形量為：，uuuuuuu543

12、210 mm 5.2 巷旁充填體變形量預(yù)計(jì)巷旁充填體變形量預(yù)計(jì)LChmzKmzh 沿空留巷的圍巖變形主要是由巖梁彎曲沉降和顯著運(yùn)動(dòng)引起的，正確預(yù)計(jì)這部分變形量即可對(duì)留巷的全部變形量作出大概預(yù)計(jì)。 圍巖變形量預(yù)計(jì)LChmzKmzh 由于沿空留巷巷道要經(jīng)歷覆巖運(yùn)動(dòng)發(fā)展到穩(wěn)定的全過(guò)程，巷旁充填體不可能對(duì)基本頂巖梁的運(yùn)動(dòng)加以限制，只能限制直接頂運(yùn)動(dòng)，因而巷道頂板下沉量由基本頂運(yùn)動(dòng)的位態(tài)決定 。 圍巖變形量預(yù)計(jì)LChmzKmzh 通過(guò)實(shí)測(cè)確定基本頂巖梁運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，特別是端部裂斷位置和采空區(qū)觸矸位置，即可對(duì)留巷的主要變形量作出預(yù)計(jì)。 圍巖變形量預(yù)計(jì)LChmzKmzhLKmmhChzz1zKmhLCh圍巖

13、變形量預(yù)計(jì)LChmzKmzh 如果K=KA（KA為巖石碎脹系數(shù)），則上式為巖梁彎曲下沉和顯著運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的巷道變形量u2，即： ) 1(z2AKmhLCu 圍巖變形量預(yù)計(jì)LChmzKmzh同理，壓實(shí)矸石過(guò)程中的巷道變形u3為： )(3cAzKKmLCuC:充填帶中線與巖梁端部裂斷線間的水平距離，m L:巖梁懸跨度（端部裂斷線到觸矸點(diǎn)間的水平距離），m KA:巖石碎脹系數(shù)，1.301.35 mz:直接頂厚度，m Kc :矸石壓實(shí)后的殘余碎脹系數(shù)，1.001.05 圍巖變形量預(yù)計(jì)LChmzKmzh 受頂板活動(dòng)影響造成的總變形量u23： 圍巖變形量預(yù)計(jì)LChKmhLCuucz) 1(32U23h5.3

14、 巷旁充填材料巷旁充填材料高水材料石膏采空區(qū)矸石高性能混凝土高壓磚預(yù)制砼塊泵 送 早 強(qiáng)高 強(qiáng)廉 價(jià)6.充填開(kāi)采無(wú)煤柱充填開(kāi)采無(wú)煤柱 條帶充填的優(yōu)點(diǎn)解決充填材料不足的問(wèn)題；提高充填速度，解決目前很多工作面“以充定產(chǎn)”的問(wèn)題； 條帶充填的技術(shù)要求充填條帶的間距必須小于直接頂初次垮落步距充填體的支撐強(qiáng)度大于裂斷拱內(nèi)巖石的重量。充填體材料強(qiáng)度高充填體材料早強(qiáng)充填體材料長(zhǎng)期強(qiáng)度穩(wěn)定充填體充填率接近100%，體積縮小有限。充填材料廉價(jià)，量足。L直接頂厚度zmc100m2lczz直接頂抗拉強(qiáng)度 ，MPa，m直接頂初次裂斷步距：直接頂容重，t/m31002L2L4.13.50wtzzw充填條帶總寬度，m上覆

15、巖石平均容重，t/m3t充填條帶材料的抗壓強(qiáng)度，MPa7. 實(shí) 例山東新汶孫村礦 煤層傾角：16 埋深：390m 高檔普采 目的：開(kāi)采工廣煤柱，控制地表下沉 效果：地表無(wú)下沉似膏體采空區(qū)充填 材料配比: 水泥：粉煤灰：煤矸石=1：4：15 日進(jìn)3茬，每茬進(jìn)度0.8m，中班2茬，夜班1茬，早班充填，凝固時(shí)間8小時(shí)。 水泥水泥罐車壓氣卸料水泥倉(cāng)星型給料機(jī)煤矸石皮帶運(yùn)輸機(jī)煤矸石堆場(chǎng)電溜子緩沖漏斗圓盤給料機(jī)帶式輸送機(jī)核子秤螺旋輸送機(jī)沖板流量計(jì)攪拌桶水池井巷充填管路充填采場(chǎng)粉煤灰罐車壓氣卸料粉煤灰倉(cāng)星型給料機(jī)螺旋輸送機(jī)沖板流量計(jì)攪拌桶減水劑槽魯西南某礦村莊下開(kāi)采魯西南某礦村莊下開(kāi)采采深120m。煤層厚度

16、1.3m，f=1.5頂板為均厚4.33m的石灰?guī)r。目前采用條帶開(kāi)采 條帶寬度10m 開(kāi)采寬度10m 條帶長(zhǎng)度80m 地表無(wú)沉陷。u 目的：回收村莊壓煤，控制地表下沉方案I（已采區(qū)域）首先充填已采條帶回采未采條帶。工作面長(zhǎng)度10m充填回采減少輔助運(yùn)輸量減少輔助運(yùn)輸量方案II（未采區(qū)域）布置長(zhǎng)壁工作面輕型綜合機(jī)械化回采前面回采，后面條帶充填。充填參數(shù)計(jì)算石灰?guī)r初次裂斷步距：石灰?guī)r的抗拉強(qiáng)度取4.9MPa， Lz=sqr(2*4.33*4.9*100/2.5)=41.19m按照統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)： Lz=0.8M+25.7 =0.8*4.33+25.7=29.16m綜合考慮：Lz取30m充填參數(shù)計(jì)算充填體總寬度： （1）按拱內(nèi)巖重計(jì)算：Wz=0.5*3.14*40*40*2.5/ 1500=4.18m（2）按所有上覆巖層重量計(jì)算：Wz=120*80*2.5/ 1500=16m8101088808