錯層位巷道布置采全厚采煤法技術(shù)研究

錯層位巷道布置采全厚采煤法技術(shù)研究

1開采中存在的問題長期以來，中國的厚煤層開采以分層開采為主。近20年來，引入的放頂煤炭開采技術(shù)在快速發(fā)展和取得了顯著成效。同時，天然氣開采方法存在著許多必須解決的技術(shù)問題。例如，煤炭采收率低是其中之一。特別是，端頭框架框架不能放煤、段頭框架的損失和段頭框架的損失是長期存在的問題。此外，在屋頂隧道中挖掘不可避免地會導(dǎo)致高海拔地區(qū)的火災(zāi)，約占總開采時間的2.3%。其次，段頭和段末路段頭無法立即釋放頂板和層底煤，從而落入頂板和采礦空區(qū)，這是下煤層開采期間相鄰采礦空間的重要隱患。此外，沿著地板上配置的回風(fēng)爐不利于屋頂和瓷磚的排放。2錯誤配置和道路配置的提出依據(jù)理論研究與生產(chǎn)實踐,針對前述存在的問題與厚煤層賦存的特點,提出了厚煤層錯層位巷道布置采全厚采煤法.(1)厚煤層錯層位巷道布置對于既可以分層又可以一次采全高的厚煤層,采用錯層位巷道布置系統(tǒng),將工作面兩端的區(qū)段進風(fēng)(運輸)平巷與區(qū)段回風(fēng)平巷分別布置在厚煤層的不同層位,如圖1所示.當(dāng)煤層傾角較小時,區(qū)段進風(fēng)巷1沿底板布置在厚煤層的下部層位,回風(fēng)巷2沿頂板布置在厚煤層的上部層位.當(dāng)煤層傾角較大時,區(qū)段進風(fēng)巷沿頂板布置,回風(fēng)巷沿底板布置,原理相同.與工作面兩巷通常都布置在厚煤層的同一層位不同,該方式稱為厚煤層錯層位巷道布置.平巷1在上一工作面穩(wěn)定的采空區(qū)下掘進.為便于對比,將放頂煤開采較典型的巷道布置用圖2表示.由圖1知,區(qū)段平巷1上方與過渡支架上方的頂煤已由上一工作面采出.在圖2中,巷道1與4上方的頂煤及過渡支架上方的頂煤均滯后于工作面垮落,形成松散易漏風(fēng)的丟失浮煤,相鄰的窄小煤柱也在頂板壓力下破壞,易漏風(fēng)引發(fā)自燃;另一種情況是巷道1與4之間留設(shè)約20m的區(qū)段煤柱,煤損嚴重.而在圖1的系統(tǒng)中,不僅端頭頂煤被采出,端頭煤損也成為三角形煤柱,區(qū)段煤柱被取消,煤損大為減少.(2)錯層位巷道系統(tǒng)現(xiàn)有的厚煤層開采系統(tǒng),無論是分層采,還是放頂煤開采,都將工作面進風(fēng)巷與回風(fēng)巷布置在厚煤層的同一層位,即工作面兩巷都沿頂板布置在厚煤層上部層位,或者沿底板布置在下部層位,也有的布置在中部層位.放頂煤開采一般兩巷沿底板布置在厚煤層的下部層位.這種同一層位的布置,使巷道只能在平面范圍內(nèi)移動位置,稱為平面布置.在相鄰工作面之間(如圖2右端),要留設(shè)與煤層全厚同高的正常煤柱或者留3～5m小煤柱沿空掘巷,所留煤柱的高度遠大于被保護巷道的高度,造成巷道頂部與工作面端頭頂煤的厚度損失,形成“T”字型的煤柱,其中頂煤部分以松散浮煤的形式垮落在采空區(qū),成為自然發(fā)火的隱患.錯層位巷道系統(tǒng)把工作面進、回風(fēng)巷布置在厚煤層的不同層位,使巷道不僅能在平面范圍移動位置,而且還能在縱向高低位置上變動,形成立體化巷道布置系統(tǒng).這可使相鄰兩工作面之間形成空間立體交錯的無煤柱形式(圖1),減少了煤柱損失與頂煤厚度損失,而且有利于巷道的掘進與維護,防止自然發(fā)火.(3)煤體上圍巖應(yīng)力分布錯層位巷道布置系統(tǒng)使得巷道位置能在厚煤層不同層位的立體空間范圍內(nèi)從礦山壓力角度出發(fā)選擇最有利的位置(圖1),工作面開采之后巷道2以下的煤體及底板巖層中會出現(xiàn)應(yīng)力重新分布.在這類條件下的典型研究結(jié)論得出了煤體下的σz等應(yīng)力曲線(圖3),其模擬條件為采深800m,上復(fù)巖層容重2.5t/m3.圖4(a)中的單位為103t/m2,此圖中的等應(yīng)力線2即相當(dāng)于原巖應(yīng)力,以此作為邊界,在該線右側(cè)煤體下方為升壓區(qū),左側(cè)采空區(qū)下方為減壓區(qū).應(yīng)用這一結(jié)論把相鄰下一個工作面的進風(fēng)巷3布置在巷道2左側(cè)水平相錯約1條巷道寬度的采空區(qū)下方,正好處于減壓區(qū)中應(yīng)力較小的位置,有利于巷道的掘進維護.(4)采空區(qū)內(nèi)小煤柱t圖2所示的現(xiàn)有放頂煤開采巷道布置中留設(shè)有“T”字形的煤柱(圖4(a)),從維護巷道與隔離采空區(qū)的角度看,難以取得好的效果.圖中留設(shè)的護巷煤柱高度遠高于巷道本身,并在巷道上方留有頂煤.相鄰工作面采后形成的集中壓力很容易把這種高達煤層全厚的窄小煤柱壓裂破壞.頂板來壓通過頂煤作用于巷道,巷道容易受壓變形,不利于維護(圖2中的巷道).這種煤柱形式丟煤多,巷道維護效果差,且巷道以上的頂煤在工作面推過之后均垮落在采空區(qū),成為著火的重要隱患.在圖1所示的錯層位巷道系統(tǒng)中,巷道1的采空區(qū)一側(cè)是與巷道同高的三角形小煤柱(圖4(b)),另一側(cè)是與巷道同高的工作面的煤體,巷道頂部是采空區(qū),已充分卸壓,對巷道的維護十分有利.巷旁的三角形小煤柱與頂板沒有直接聯(lián)系,受壓小,不易壓裂.圖4按煤厚6m考慮,以巷道寬4m、高3m,頂煤厚3m,留設(shè)5m區(qū)段煤柱,工作面兩端頭各3道支架總寬度為4.5m不放煤計算,求得“T”形煤柱損失面積為81m2.三角煤柱為每節(jié)溜槽縱向抬高3°,最大坡度達15°后,逐節(jié)回落3°,形成最大高度為3m(巷道高度)的曲邊三角形煤損,面積為27m2,比“T”形煤柱減少損失54m2.按工作面長150m計算,頂煤面積為450m2,可提高頂煤采出率12%,提高總采出率6%.相對于留設(shè)15～20m區(qū)段煤柱的情況,錯層位系統(tǒng)可提高采出率10%以上.(5)覆蓋物的立體設(shè)置一般情況下相鄰工作面之間以垂直平面來劃分.在剖面圖上的反映(圖2),巷道2與巷道3之間為煤柱,煤柱兩側(cè)高達煤層頂板的兩個垂直平面劃分出區(qū)段煤柱與相鄰兩個工作面的界限.在錯層位巷道布置系統(tǒng)中(圖1),筆者認為以巷道2的右?guī)痛怪泵?、巷?的左幫垂直面以及巷道2與巷道3在層位上的分界面三者所構(gòu)成的折面作為相鄰工作面的分界是恰當(dāng)?shù)?表現(xiàn)在圖1所示的剖面上應(yīng)是由3段線條組成的折線,可以推想在平面圖上將是兩個工作面相搭接的情況(圖5).立體化的錯層位巷道布置特點,僅靠平面圖表示是不充分的,應(yīng)輔以如圖1所示的剖面圖來說明巷道2與巷道3在層位上的關(guān)系以及三角形煤柱的坡度情況.這是錯層位巷道布置在工程制圖表達上帶來的變化.按照上述劃分,相鄰兩工作面之間沒有區(qū)段煤柱,實現(xiàn)了完全無煤柱開采,同時不增加巷道維護難度,甚至更為容易.(6)巷道圍巖綠化,滿足通風(fēng)安全生產(chǎn)需要,應(yīng)符合的技術(shù)條件符合文獻指出,厚煤層無煤柱護巷的應(yīng)用前景和應(yīng)解決有效隔離采空區(qū)的問題,同時指出根據(jù)工程實踐厚煤層無煤柱護巷有助于防治自燃的結(jié)論.錯層位布置的采空區(qū)一側(cè)巷道位于應(yīng)力降低區(qū),巷旁有較寬的實體三角煤柱支撐,巷道易于維護,巷旁不易漏風(fēng).巷道頂部在上一工作面回采時鋪網(wǎng)并采用鋪設(shè)隔離層和注漿固結(jié)網(wǎng)上垮落矸石等措施,有足夠時間銹結(jié)成良好的人工假頂.網(wǎng)下掘出的巷道在低應(yīng)力區(qū),不易變形的條件可以滿足通風(fēng)安全要求.必要時還可在巷內(nèi)噴漿或注凝膠,作為防止漏風(fēng)的補救措施.現(xiàn)有技術(shù)可以保證該巷道滿足通風(fēng)安全的要求.鎮(zhèn)城底礦22202首采面與采空區(qū)相距較遠,按實測的巷道沿程漏風(fēng)損失計算,每米巷道平均漏風(fēng)量為0.025m3/(min·m).已安全生產(chǎn)近1a.大大減少了松散遺煤,有利于防止自然發(fā)火,沿頂板布置的回風(fēng)巷有利于排放瓦斯.3挖掘和回采工藝(1)分層開采,采空區(qū)護巷如圖1所示,巷道2沿頂板掘進,與分層采時掘進上分層巷道相同.巷道1在上一個工作面形成的采空區(qū)下掘進,該段鋪有金屬網(wǎng),與分層開采時內(nèi)錯式布置的下分層巷道相同,有成熟的現(xiàn)場經(jīng)驗可借鑒.巷道1位于采空區(qū)下低應(yīng)力區(qū),護巷效果好.(2)工作面3段式回采工藝錯層位巷道布置系統(tǒng)下的回采工藝具有自身的特點.通常,現(xiàn)有的厚煤層采煤方法不論是放頂煤開采還是分層開采,全工作面只采用一種回采工藝,即放頂煤回采工藝,分層采的上分層鋪網(wǎng)回采工藝或下分層網(wǎng)下回采工藝,三者中只擇其一.錯層位采全厚巷道系統(tǒng)下綜合集成以上3種回采工藝用于同一個工作面,形成獨特的3段式回采工藝.3種工藝用于工作面的不同位置.在工作面沿頂板布置的回風(fēng)巷道一側(cè)(圖1中的a段)采用分層采的上分層回采工藝,有大約10m的長度需要鋪網(wǎng),為下一工作面巷道的掘進與回采作準(zhǔn)備.這一段包括圖1中的巷道2和相鄰下一工作面巷道3的頂部位置,即兩條巷道的寬度再加一定的搭接余量.巷道2下方為相鄰下一工作面過渡支架的位置,該處不放頂煤的問題得到解決,但要注意聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量,以免漏矸.在相鄰采空區(qū)的一段工作面(圖1中的c段)采用網(wǎng)下回采工藝,除以上兩部分外,在工作面中部(圖1中的b段)采用放頂煤回采工藝.4錯層位巷道.無瓦斯開采實例1:圖5為西山鎮(zhèn)城底礦錯層位巷道布置的22202綜采放頂煤工作面,工作面開采2～4號煤層,厚5.10m,長150m,推進長680m,煤層傾角平均5°,煤質(zhì)中硬,f=2.1,直接頂隨采隨垮,無周期來壓,煤層瓦斯含量低,有自燃傾向.經(jīng)過1a的回采,正常日產(chǎn)4500t,工作面采出率89%,未發(fā)生煤炭自然發(fā)火與瓦斯超限,生產(chǎn)正常.使用錯層位系統(tǒng)減少巷道掘進費39.8%,為448元/m.提高采出率14.6%.該礦在8號煤中也采用了錯層位巷道布置,18113工作面已經(jīng)掘好巷道,準(zhǔn)備安裝設(shè)備.實例2:鶴壁八礦2305工作面,煤厚為5.8m,煤質(zhì)松軟,f=0.2～0.4,絕對瓦斯涌出量為6.91m3/min,自然發(fā)火期3～6個月.采用錯層位巷道布置,煤層傾角較大,下區(qū)段平巷沿頂板布置,上區(qū)段平巷沿底板布置,巷道掘進速度由原來的28m/月提高到97m/月,提高了2.46倍.炮采放頂煤取得成功,工作面采出率81.1%,已安全生產(chǎn)2a,上、下兩巷未發(fā)生煤炭自然發(fā)火事故.5優(yōu)勢采出率經(jīng)濟效益厚煤層錯層位巷道布置全高開采方法立足于生產(chǎn)實際,實現(xiàn)了現(xiàn)有成熟技術(shù)元素的綜合集成,巷道布置與回采工藝都具有創(chuàng)新而切實可行的特點,保留了放頂煤開采的高產(chǎn)高效優(yōu)勢,吸納了分層采的巷道掘進經(jīng)驗,實現(xiàn)了無煤柱開采