基于下土層保護的無煤柱開采方案研究

基于下土層保護的無煤柱開采方案研究

理論和實踐表明，保護舍是完全消除保護舍突出風險的有效手段。目前，保護申報是管理區(qū)域疾病的首選。在應(yīng)用保護層時,與被保護層之間存在一個距離的限制問題,即對保護層與被保護之間的距離有一定的要求,特別是下保護層的使用,如果距離不當,那么保護層開采不可行或者保護效果不明顯。事實上,在應(yīng)用下保護層進行區(qū)域性防治時,按照開采順序,屬于上行式開采,要求被保護層處于下保護層開采后的裂隙帶內(nèi),在不喪失被保護層連續(xù)性的同時實現(xiàn)卸壓,理論上,常常按照“三帶”判別法確定上行開采的可行性,見式(1)。式中:Hm為垮落帶高度,m;Hd為導水裂隙帶高度,m;M為下煤層采高,m。除了上式,經(jīng)驗條件下解放層的開采間距見表1所示。綜上認為,對于保護層開采的可行、充分卸壓沒有一個統(tǒng)一的標準?；诖藛栴},文獻綜合考慮煤層賦存條件、回采參數(shù)以及層間硬巖的影響,構(gòu)建了以當量相對層間距為指標的保護層分類判定法,將下保護層分為近距離、遠距離和超遠距離3類,并給出下保護層與保護層距離的上、下臨界判定方法,見公式(2)所示:式中:R為保護層與被保護層的當量相對層間距;S為保護層與被保護層的間距;M為一次采出保護層高度;K為頂板管理系數(shù),全部垮落法取1;β1為保護層采高影響系數(shù),一次采全高取1;β2為層間硬巖所占百分比,小于50%取1;βα為煤層傾角α的系數(shù),具體取值如下:計算結(jié)果的分類見表2所示。文獻分析影響“三帶”的因素包括:一次采出厚度、煤層傾角、硬巖層在層間所占百分比、頂板管理方法以及二者層間距,但是,在分類中沒有考慮工作面回采范圍對上覆巖層的影響。關(guān)于“三帶”劃分的研究,文獻表明:頂板垮落帶高度隨著采高及工作面長度的增大而呈指數(shù)增大。文獻通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn),大采高工作面液壓支架的載荷隨工作面長度增加而增長,分析是由垮落帶上限的升高引起的。文獻通過對綜采放頂煤工作面覆巖破壞的觀測發(fā)現(xiàn),與開切眼距離不同,觀測到的導水裂隙帶高度也不同。表明,推進距離對“三帶”的劃分同樣具有重要的影響。文獻以補連塔煤礦31401工作面為工程背景,研究了關(guān)鍵層與開采煤層不同距離條件下對導水裂隙帶高度的影響,認為關(guān)鍵層與開采煤層距離小于7~10倍煤層采高的條件下,不能按照《規(guī)程》中的準則確定導水裂隙帶高度。文獻在文獻的基礎(chǔ)上,進一步發(fā)現(xiàn)主關(guān)鍵層斷裂對導水裂隙產(chǎn)生相應(yīng)的影響。對下保護層的應(yīng)用情況,綜合實踐數(shù)據(jù)及覆巖“三帶”的發(fā)育情況,認為被保護層位于裂隙帶下部時,應(yīng)用效果最好;而位于裂隙帶中上部及彎曲帶時,需要采用瓦斯抽采措施。因此,認為下保護層的應(yīng)用受到如下限制:1)如果保護層與被保護層之間距離較遠,被保護層位于保護層工作面覆巖的裂隙帶上方,則無法實現(xiàn)卸壓效果;2)如果保護層與被保護層之間距離過近,被保護層位于保護層工作面覆巖的裂隙帶下方,則受煤柱與卸壓邊界線的影響,被保護層卸壓范圍有限,受煤柱與卸壓邊界線的影響,被保護層中部分區(qū)域卸壓效果有限,甚至可能是高應(yīng)力集中區(qū)域,存在安全上的問題,因此傾向上充分卸壓區(qū)域小于保護層工作面的開采范圍。綜上,論文針對下保護層應(yīng)用效果的影響因素展開研究,提出采用無煤柱開采保護層。1被抗卸壓較快,于工作面針對下保護層應(yīng)用中存在的問題,提出在下保護層中布置完全無煤柱回采工作面,以實現(xiàn)對被保護層傾斜方向的連續(xù)、充分卸壓效果,見圖1所示。如圖1所示為保護層中各工作面的布置形式。區(qū)段進風巷2沿煤層頂板布置,回風巷1沿煤層底板布置,接續(xù)工作面區(qū)段回風巷布置在上一工作面區(qū)段進風巷2的下方,這樣在相鄰工作面之間實現(xiàn)了完全無煤柱搭接。文獻[17-18]分析了此種布置方式接續(xù)工作面上覆巖層的運動特點,認為由于取消了區(qū)段護巷煤柱,接續(xù)工作面回采到一定范圍后,其頂板運動與首采工作面將會形成一個整體,體現(xiàn)出單一超長工作面的運動特點。因此結(jié)合覆巖“三帶”劃分與保護層的應(yīng)用效果認為這種搭接方式存在如下特點:1)多個工作面覆巖的整體運動,采場覆巖導水斷裂帶高度上升,為實現(xiàn)遠距離被保護層的卸壓提供可行性;2)搭接工作面覆巖的整體性運動隨著接續(xù)工作面?zhèn)€數(shù)的增加可對被保護層形成反復(fù)采動影響,卸壓效果更有利;如圖1所示,完全無煤柱布置,當本工作面開采期間存在的上山方向的邊界卸壓線,在與接續(xù)工作面形成完全無煤柱搭接后,對被保護層的影響消失,因此稱其為臨時卸壓邊界線,在被保護層開采期間,不會受到臨時卸壓邊界線的影響,即在被保護層中可以實現(xiàn)連續(xù)卸壓。3)對被保護層工作面沿傾向的卸壓效果更充分。其卸壓充分程度可借鑒公式(4):式中:∑L為保護層開采的多個無煤柱工作面累加計算的傾斜長度,m;1.2~1.4,借鑒地表下沉達到充分采動的經(jīng)驗系數(shù);H0,保護層與被保護層之間的距離。4)從開采時間上來看,在保護層完成兩個工作面的開采后即可進行被保護層的開采。但考慮被保護層隨著完全無煤柱搭接接續(xù)工作面?zhèn)€數(shù)的增加會產(chǎn)生反復(fù)卸壓,因此,建議當整個采區(qū)保護層開采結(jié)束后再進行被保護層的開采,安全上更有利。2煤2中無煤柱開采方案的確定本實驗采用二維試驗臺,實驗臺尺寸為:長×寬×高=1620mm×160mm×1300mm,采用平面應(yīng)力模型。設(shè)幾何相似比為uf061L=100:1,設(shè)容重比為uf061uf067=1.5:1,要求模擬與實體所有各對應(yīng)點的運動情況相似,即要求各對應(yīng)點的速度、加速度、運動時間等都成一定比例。所以,要求時間比為常數(shù),即:uf061t=10。實驗中,模擬煤2開采對煤1的影響,主要研究無煤柱開采保護層煤2對被保護層煤1的采動影響,并與留煤柱開采保護層煤2對被保護層煤1的影響進行理論對比分析,煤1與煤2的距離包括近距及遠距2種,具體實驗?zāi)Ｐ图斑^程見圖2~4所示。如圖3所示,單個工作面開采后,煤1處于煤2開采后形成裂隙帶的中上部,按照“被保護層位于裂隙帶中上部時,裂隙的溝通不好,煤層透氣性雖有較大增加但僅能部分排放瓦斯”認為卸壓效果有限。另外,煤2開采中,工作面傾向方向上存在上山和下山兩個方向的卸壓邊界,在卸壓邊界的影響下,造成煤1受到保護的區(qū)域明顯小于煤2開采范圍。同時,對煤2中采用留煤柱護巷開采接續(xù)工作面對煤1的保護區(qū)域進行了劃分,發(fā)現(xiàn)煤1在煤2留煤柱開采的影響下,沒有實現(xiàn)連續(xù)卸壓。因此,認為在煤2中采用留煤柱開采方案,煤1在傾斜方向沒有達到充分、連續(xù)卸壓的效果,并且卸壓范圍小,分析其主要影響因素包括煤2在傾斜方向的連續(xù)開采范圍、卸壓邊界線、兩層煤的層間距以及護巷煤柱。為了實現(xiàn)煤1在傾斜方向的連續(xù)、充分卸壓效果,在煤2中采用了錯層位無煤柱開采,如圖4所示。從圖中可以看出,采用無煤柱開采方案,形成搭接的工作面上覆巖層在接續(xù)工作面開采期間形成整體運動,首采工作面上山方向的卸壓邊界在接續(xù)工作面開采時消失,煤2對煤1的保護范圍僅僅受到首采面下山方向的卸壓邊界與正在回采的接續(xù)工作面上山方向的卸壓邊界。因此,煤1處于連續(xù)卸壓狀態(tài),即在卸壓邊界內(nèi)不存在未受保護區(qū)域。同時,接續(xù)工作面與首采工作面形成整體,裂隙帶高度升高,因此上一工作面開采期間煤1的受保護區(qū)域經(jīng)歷二次卸壓,并且煤1在裂隙帶中的相對層位逐漸降低,認為卸壓更加充分,可以推斷,當形成多個搭接工作面時,煤1受保護范圍連續(xù)增加,并且被保護范圍從上到下經(jīng)歷多次卸壓。相對于留煤柱開采方案,體現(xiàn)出卸壓范圍連續(xù)、卸壓效果更充分的特點,可實現(xiàn)被保護層的安全、經(jīng)濟開采。上述實驗是在對實際工程背景條件進行了一般化調(diào)整的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)的近距下保護層開采對被保護層的采動影響,從圖4中可以看出,形成多個搭接工作面后,裂隙帶高度上升,認為可改善留煤柱開采保護層無法對遠距離被保護層實現(xiàn)卸壓的現(xiàn)狀,為了進一步驗證,補充圖5進一步對遠距離被保護層卸壓效果進行分析。如圖5所示,保護層首采工作面覆巖裂隙帶高度可達到42m,未達到距離63m的被保護層高度,可認為對被保護層沒有卸壓效果;當完全無煤柱搭接工作面開采后,覆巖運動形成一個整體,裂隙帶高度上升到78m,并且工作面之間不存在卸壓邊界線,實現(xiàn)了對被保護層的連續(xù)卸壓。同時,可以看出,裂隙帶上方仍然存在較大的離層,認為接續(xù)工作面繼續(xù)開采,會造成裂隙帶高度進一步上升,可相對降低被保護層在裂隙帶中的層位,卸壓效果通過工作面的繼續(xù)搭接與開采可進一步提高。3煤2開采安全分析以某礦實際工程作為研究背景,主采2層煤,其中煤1為突出煤層,平均厚度為6m,煤層平均傾角32°,煤2平均厚度為5m,煤層平均傾角為32°,兩層煤平均間距22m,開采水平垂高350m,本采區(qū)走向長度約1000m,按照《初步設(shè)計》,開采水平內(nèi)在煤2中布置4個長度為150m的工作面,見圖6所示。兩層煤間巖層及煤巖物理力學參數(shù)見表3所示。根據(jù)煤層瓦斯賦存情況,設(shè)計開采煤層2作為下保護層。首先應(yīng)用公式(2)進行卸壓效果檢驗,得到R=8.65,對照表2,Rmin=8.48,認為煤2作為下保護層屬于近距離,并且接近保護層應(yīng)用的下限指標,可起到較好卸壓效果,但實際中存在如下問題:1)受卸壓邊界線與煤柱的影響,保護層煤2開采對被保護層煤1的保護范圍有限,煤1中受煤2單個工作面保護的傾向長度不到100m,而煤2所留單個煤柱在煤1中形成的未受保護區(qū)域達到52m,同時,由于煤2傾向的上部未實現(xiàn)保護的作用,在煤1中沿傾向僅僅可布置3個工作面。2)考慮煤2的卸壓邊界,認為煤1沿傾向下端存在近50m的傾斜長度不在保護范圍內(nèi);同時,由于煤柱、卸壓邊界以及煤層層間距的綜合因素,同水平內(nèi)保護層與被保護層工作面無法一一對應(yīng),并且被保護層實現(xiàn)充分卸壓工作面的長度小于保護層工作面。為了改善這一現(xiàn)狀,對原《設(shè)計》進行了修改,將煤2的開采水平下延,布置了輔助水平,煤2中工作面長度增加為175m,區(qū)段之間留設(shè)5m護巷煤柱,見圖6。經(jīng)計算,煤1中沿傾向不可采的長度減少,但是增加了巖巷掘進量。同時,水平劃分與垂直劃分采區(qū)邊界同時存在,管理上存在困難。為進一步改善開采現(xiàn)狀,見圖1所示。在煤2中采用完全無煤柱工作面布置并結(jié)合大巷聯(lián)合布置跨巷開采后,煤1中沿傾向在水平內(nèi)均屬于連續(xù)卸壓全區(qū)可采,并且煤1經(jīng)多次卸壓作用,安全性好。綜合煤1與煤2技術(shù)經(jīng)濟指標對幾種方案進行對比,見表4所示。綜合表5,僅綜合回采率和巷道工程量考慮,噸煤利潤按照200元計算,采用無煤柱開采方案比原設(shè)計方案增加回采利潤2.84億元;巖巷掘進與維護延米按照5000元計算,無煤柱方案比小煤柱開采方案減少巖巷工程費用計600萬元,增加回采利潤1.4億元。因此,無煤柱方案的應(yīng)用體現(xiàn)出顯著的技術(shù)、經(jīng)濟效果。4踐行規(guī)定論文提出了一種實現(xiàn)傾向充分、連續(xù)卸壓的