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煤矿定向切顶卸压沿空留巷施工技术分析

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摘要:综采工作面在回采过程中由于受邻近采空区回采压力影响,致使工作面顺槽与相邻工作面采空区之间为区段保护煤柱发生变形、坍塌等现象,不仅加大了巷道维护难度、维护成本,而且严重影响综采工作面回采效率,甚至发生煤矿重大安全事故,针对这种技术难题屯兰矿通过技术研究分析了保护煤柱受采动影响破坏机理,提出了采用定向切顶卸压技术减小煤柱内的应力集中现象,以及采用沿空留巷技术实现无煤柱开采,提高瓦斯排放效率,实践证明定向切顶卸压及沿空留巷施工技术在屯兰矿应用后取得了显著的效果。

关键词:综采工作面;定向切顶卸压;沿空留巷;应用实践

1概述

西山煤电集团屯兰煤矿2号煤层瓦斯涌出量大,综采工作面在回采过程中经常出现上隅角瓦斯超限现象,严重影响综采工作面安全生产,传统的“U”型通风方式无法满足实际生产需要,对此屯兰矿提出了沿空留巷的Y型通风方式解决上隅角瓦斯超限问题,如图1所示。但由于2号煤层埋藏较深(盖山厚度400m左右),工作面顺槽巷道及相邻工作面的准备巷道在采动影响下变形量较大,给沿空留巷及相邻巷道维护带来了巨大的困难,每年要投入几百万甚至上千万的巷道维修费用。屯兰矿的工作面顺槽与相邻工作面采空区之间为区段保护煤柱往往留设30m以上,但经过现场观测发现,顺槽在遇到采动影响时,邻近工作面开采时侧向支承压力和现采工作面超前支承压力在区段保护煤柱上方及其周围出现叠加引起应力集中,从而使得区段保护煤柱及其顺槽巷发生变形、帮鼓、底鼓等现象,加到巷道维护难度。

2切顶卸压沿空留巷技术分析

(1)以往国内也有些矿井研究并实现了小煤柱甚至是无煤柱开采,但多存在巷道围岩应力高、巷道变形量大、巷道使用时维护成本过大,留设的小煤柱完全压酥变形、充填法实现无煤柱则充填体鼓胀变形,甚至需要重新在煤帮刷扩,巷道维护成本甚至超越了新掘巷道,究其根源是顶板压力没有得到释放,造成巷道变形量大,而普通爆破手段的卸压由于其方向不可控制,甚至可能对巷道造成毁坏,通过研究实验此用定向聚能爆破进行切顶卸压。

(2)在进行切顶卸压首先要对目标工作面的顶板结构钻孔窥视分析。窥视仪可以直接送入锚杆钻孔或井下其它地质钻孔中,其输出的图像能够直观地反映钻孔内岩体不连续面(如层理、节理、裂隙),其次要对顶板物理力学强度参数测定。①顶板岩石的物理性质测试:包括对不同层位的顶板岩石视密度、真密度、吸水率、含水率等测定;②顶板岩石的力学性质测试:包括对不同层位的顶板岩石进行单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内粘结力、内摩擦角等各项指标测定。

(3)“定向聚能爆破沿工作面走向切顶卸压”主要目的是改善巷道围岩的应力环境,降低煤柱塑性破坏范围,实现留设小煤柱(沿空掘巷)、甚至无煤柱(沿空留巷)的开采。定向聚能爆破是在炸药被筒上留设有聚能槽,当炸药起爆后,产生的高温高压的爆轰产物会优先沿着聚能槽的方向释放,即大部分能量朝着给定方向,可按照设定方向对岩石拉裂成缝,将岩石切断。

(3)采用深孔爆破定向卸压技术是利用矿山压力和顶板岩石形成的岩体碎涨特性,实现应力解除,甚至自动成巷,可有效解决了综采工作面回采时的应力集中从而破坏顶板、保护煤柱利用率低、高应力区巷道施工难度大等难题。

(4)沿空留巷时巷旁的充填支护手段有多种,主要包括:高水材料充填墙、柔模混凝土墙、工字钢梁+横阻大变形锚索等方式。屯兰矿通过现场试验采用钢管砼柱支护沿空留巷方式。钢管砼柱使用时,在井下可采用专门的煤矿许用的小型混凝土输送泵进行制备,操作简单,每个检修班可制备15~20个立柱。

3技术优点及存在技术难题

3.1切顶卸压沿空留巷技术优点

(1)采用切顶卸压技术可以有效降低巷道煤柱内的应力集中以及煤柱内塑性破坏范围,保证了工作面回采过程中的安全。

(2)对下个工作面的巷道底鼓、帮鼓会起到一定的缓和作用,因为巷道底鼓多是由于顶板应力转移造成的,将顶板掐断后,应力转移程度变小。

(3)定向聚能爆破切顶卸压后煤柱的应力集中可卸压近50%左右,大幅度降低相邻巷道维护费用。若实现沿空留巷,可以在下一个工作面少掘进一条巷道,节省成本约5000万元。若煤柱尺寸从以往的30m缩减至10m。按工作面走向2000m计算,煤厚2m,可多回采煤炭12万t,按售价350元/t,则可多增收效益4200万元。此外对下一个回采工作面巷道维护费用也可大大减少,经济效益十分可观。

(4)沿空留巷施工技术不仅可以实现Y型通风的作用,解决了综采工作面上隅角瓦斯超限难题,如果该项工作做得到位,甚至可以实现无煤柱开采。

3.2施工中存在难题

(1)断顶卸压太高或太低都不利于解除应力集中,甚至可能造成应力转移到巷道处,适得其反,需要通过理论技术、数值模拟等分析确定,断顶卸压层位的确定难度较大。

(2)由于定向聚能深孔爆破时炮孔较深传统煤矿爆破钻孔器具不能满足需要,必须采用专用的聚能爆破筒、炮棍、封孔工具等材料。

(3)断顶卸压的工艺包括打孔、安装炸药、封孔、放炮顺序等,需派专业技术人员现场指导,目前煤矿缺乏此类专业技术人员。

(4)巷道卸压后需要对效果进行检验,可采用钻孔应力计等进行检测、分析,并进一步进行优化方案。

(5)钢管砼柱的尺寸必须根据现场施工情况进行确定,在制备时受施工条件限制钢管砼柱中混凝土的配比、钢管砼柱的架设施工很容易出现误差,严重影响施工质量。

4结束语

切顶卸压沿空留巷技术是通过切顶形成卸载空间,将压力转移到离巷道较远的地方,达到巷道减轻受压的目的,能实现无煤柱开采,提高资源回收率,降低采掘比,避免留设煤柱引发的冲击地压,瓦斯突出等灾害,还可以实现Y型通风,是解决深部采空区及工作而上隅角瓦斯聚集问题的有效手段,该技术的成功实施对矿井增产增效具有一定的意义,减少对临近巷道动压影响、降低维护成本;减少巷道的二次维修量,降低职工的劳动强度,增加了安全系数;缓解矿井的衔接,降低矿井的成本。

参考文献:

[1]王巨广.切顶卸压沿空留巷技术探讨[J].煤炭工程,2012(1):42-43.

[2]孙斌.浅析切顶卸压沿空留巷施工技术研究与应用[J].矿业学报,2012(10):35-36.

[3]刘衍利.切顶卸压爆破技术在沿空留巷中的应用[J].煤矿安全,2014(6):57-58.

[4]胡建平.中厚煤层切顶卸压沿空留巷技术及应用[J].陕西煤炭,2017(2):87-89.

[5]刘西煜.屯兰矿切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术研究[J].山西焦煤科技,2016(8):28-30.

作者:刘福平 单位:西山煤电集团屯兰矿

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