第45屆等級獎論文---衰老礦井“110工法”新技術應用的探討

曉南礦??奚德明 ?石振文 ?魯連喜 ?王則行

?要:很長一段時期內我國工作面回采巷道主要采用留設區段煤柱,而傳統的留設區段煤柱開采方式無法進行回收,衰老礦井經過長時間開采所造成的資源浪費和采掘接續緊張的問題普遍存在。如何解決這一問題,成為我們當下的難題,而“110工法”(“切頂卸壓-沿空留巷”無煤柱開采技術)是解決這一難題的關鍵技術,同時可以改變和優化經典的圍巖分布規律,大幅度減少圍壓力。

關鍵詞 衰老礦井 ?110工法 ?新技術

1 . 曉南礦基本情況

曉南礦位于鐵法煤田東南邊緣,井田南北走向長5.5公里,東西傾斜寬4.2公里,井田面積23平方公里。于1980年9月28日建成投產,現核定生產能力為210萬噸/年,經過近40年的開采,礦井資源日益減少,面臨資源枯竭和地質構造復雜,賦存條件差等問題,如何減少煤炭資源的浪費,提高煤炭資源回采率,成為我們曉南人當下的難題。

傳統的開采方式通過優化設計和管理等方式對煤炭資源回采率很難再有較大的提高,必須突破老的觀念,積極采用新技術、新工藝、新設備、新材料。通過查找相關資料和外出考察,確定“110工法”(“切頂卸壓-沿空留巷”無煤柱開采技術)是解決這一難題的關鍵技術,而且比較適合曉南礦現有井下條件。????

2 . “110工法”概述

“110工法”即每個工作面只需掘進一條巷道,另一條巷道由相鄰工作面在回采過程中通過切頂卸壓技術自動形成,且無需留設面間煤柱。關鍵技術在于采用恒阻錨索加強頂板支護,保證恒阻錨索吊住上覆巖層基本頂,并使用聚能管進行頂板定向預裂爆破,工作面周期來壓時頂板能沿著預裂方向將頂板切落下來形成巷幫,使用架后擋矸支護維護新形成的巷道。

見圖1 “110工法”沿空留巷示意圖。

其核心步驟如下:

第一步:利用恒阻錨索對巷道頂板加強支護,以保證隨后預裂頂板、切頂時不影響自動形成的巷道質量;

第二步:利用切縫鉆機施工爆破鉆孔,采用聚能爆管導向爆破方式超前預裂頂板,在頂板形成裂縫;

第三步: 工作面煤層回采后,在礦山壓力作用下, 將頂板切落下來形成巷幫 ,利用原巷道并經加強支護形成新巷道, 同時借助巖石碎脹系數使巖石破碎后的體積增大為原來的1.3倍,壓實并隔斷采空區,從而自動形成下一條回采巷道。

1 ?“110工法”沿空留巷示意圖

3 . “110工法”與傳統“121工法”對比

曉南礦一直以來都是“121工法”,即每回采一個工作面,需掘進兩條順槽、留設一個煤柱,該采煤工藝導致回采率低、大量資源浪費;地表破壞,環境損傷嚴重;巷道掘進量大;巷道受動壓影響維護量大,成本居高不下。

采用“110工法”切頂卸壓自動成巷技術,每回采一個工作面,只需掘進一條順槽,不用留設護巷煤柱。通過恒阻錨索加強頂板支護,保證恒阻錨索吊住上覆巖層基本頂,并使用聚能管進行頂板定向預裂爆破,工作面周期來壓時頂板能沿著預裂方向將頂板切落下來形成巷幫,切斷壓力傳導,實現卸壓作用,最后使用架后擋矸支護維護新形成的巷道作為下一個工作面順槽,改變為一面一巷采掘模式。對于曉南礦安全高效開采具有重大的技術、經濟、社會意義。 圖2 110工法與121工法對比圖

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2 110工法與121工法對比圖

4 . “110工法”應用的意義

4.1減災意義

由于留設煤柱上方應力集中而引起的巷道圍巖變形,采用“110工法”切頂卸壓無煤柱開采技術將是衰老礦井的重要發展方向,在提高煤炭回收率的同時,有效防止頂板災害事故。采用“110工法”切頂卸壓無煤柱自成巷開采技術可實現:形成Y型通風方式,利于瓦斯防治;切斷“砌體梁”或者“傳力巖梁”的壓力傳遞,成功轉化為“切頂短臂梁” ;改變和優化經典的圍巖分布規律;利用礦壓和圍巖運動自動成巷,實現無煤柱開采;圍壓大幅度減少;采用頂板預裂切縫超前壓力大幅度減少;圍巖變形量,底臌量大大減少,有效減少巷道維修量;臨空巖柱壓力小和圍巖完整性好。3 “110工法”與“121工法”頂板壓力對比

3 “110工法”與“121工法”頂板壓力對比

4.2經濟意義

4.2.1實施“110工法”每個工作面可以少掘一條回采巷道,曉南礦每年需回采3~4個工作面,每個工作面回采長度按1000m計算,可以減少巷道掘進工程量3000~4000m。

4.2.2實施“110工法”可以取消護巷煤柱,曉南礦工作面護巷煤柱一般為5m,煤層厚度1.5m,每個工作面回采長度按1000m計算:

Q=?a ? b ? m ? γ=5?1000?1.5?1.65=12375t

式中: ???????Q?--------?護巷煤柱儲量,t;

a --------?護巷煤柱實測寬度,取5m;

b -------- 工作面實測回采長度,取1000m;

m -------- 工作面的平均煤層厚度,取1.5m;

γ -------- 煤的視密度,取1.65t/m3。

通過計算平均每個工作面,可以多回采12375t,按每年回采4個工作面時,可以多回采煤炭49500t,減少煤炭損失,提高煤炭回收率,延長礦井服務年限,實現煤炭資源完全開采,經濟效益顯著。

4.3社會意義

曉南礦采用常規留設區段煤柱方法資源回收率低,沒有改變頂板的傳力結構,巷道受動壓影響維護量大,支護困難。

采用“110工法”后,可以有效地降低工人勞動強度,做到安全條件下施工;少掘一條巷道,從而直接降低了巷道掘進事故的發生,同時極大緩解礦井采掘銜接矛盾,提高了煤炭回收率,有利于生產集中化和高產高效;切頂卸壓后,降低了工作面一定范圍內的周期壓力和巷道內的壓力,從而提高了生產安全性。

5 . 曉南礦實施“110工法”面臨的問題

由于“110工法”主要針對的是頂板管理相關內容,未對“一通三防”相關內容進行研究,所以曉南礦通過外出考察后總結經驗,根據本礦實際,提出以下問題:

5.1頂板管理

回采前如何補強支護,支護參數合理選擇;如何保證切頂效果,控制頂板壓力,回采后采空區側架后巷幫支護等問題。

5.2通風方式選擇

是采用“一進兩回”的“W”型通風方式還是采用“兩進一回”的“Y”型通風方式對通風管理更為有利。

5.3工作面瓦斯防治問題

為保證留巷效果,沿空留巷區域不宜施工瓦斯鉆場,這就造成了瓦斯治理難度的增大,需要提前考慮如何解決回采期間的瓦斯問題,并采取相應安全措施。

5.4防治自然發火問題

采用“110工法”后,采空區自然發火的問題,必須提前采取相應安全措施。

6 . 曉南礦實施“110工法”解決方案

6.1頂板管理

編制“110工法”專項安全技術措施并加強現場施工管理,確保巷道支護強度和頂板預裂切縫質量,每天有專人負責檢查驗收。預裂孔爆破后,使用專用的鉆孔成像儀進行抽檢分析,對預裂效果達不到設計要求的及時提出裝藥參數修改,并結合基本頂厚度調整預裂孔的深度、聚能管的長度和裝藥量,確保達到最佳頂板預裂效果。

使用全方位一體化監控監測系統,對巷道表面位移、錨索受力和變形量、單體支柱受力及縮量、工作面液壓支架受力、頂板碎脹系數、采空區自燃“三帶”等進行監控監測和信息采集。收集的信息、數據,進行數據分析,對施工設計及時進行修改,確保施工安全。

6.2通風方式

經過外出對各地沿空留巷技術實地考察學習經驗,并與集團公司通風處研究“Y”型和“W”型通風方式的優缺點,決定N1-1502工作面采用“兩進一回”的“Y”型通風方式,N1-1502運輸順槽和N1-1502入風改造道進風,N1-1502回風順槽回風。見圖4 曉南礦N1-1502工作面留巷初期通風系統示意圖。

在留巷生產中由于運順留巷段與工作面回風隅角壓差較大,工作面絕對瓦斯涌出量達到18m?/min,且抽采效果不好,為了減少留巷段向采空區內漏風,在集團公司領導和處室技術人員共同指導下對通風系統進行調整。將N1-1502入風改造道更改為N1-1502回風輔助道,N1-1502運輸順槽入風,N1-1502回風輔助道和N1-1502回風順槽回風。見圖5 曉南礦N1-1502工作面調整后期通風系統圖。

4 曉南礦N1-1502工作面留巷初期通風系統示意圖

5 曉南礦N1-1502工作面調整后期通風系統圖

6.3工作面瓦斯防治措施

  1. 本煤層預抽;(2)埋管抽采;(3)高位鉆場抽采;(4)減少采空區瓦斯涌出量。(5)建立形成臨時抽采系統,單獨鋪設瓦斯抽采管路,利用井下臨時抽采泵站與地面永久瓦斯抽采泵站配合同時對N1-1502工作面采空區進行抽采。

通過以上措施的實施,N1-1502工作面回風流甲烷濃度明顯降低,保障了工作面安全回采。

6.4工作面防治自然發火措施:

(1)加強自然發火標志性氣體監測,每隔50m設置一組測點。

(2)在埋管抽采中安設一氧化碳傳感器,如一氧化碳濃度達到200PPm或出現乙烯時,停止埋管抽采,并采取防滅火措施。利用中央砂井制氮機向采空區內進行注氮氣。

(3)利用KJ428礦用分布式激光火情監測系統對采空區進行火情監測。

(4)運輸順槽向采空區內埋設兩趟注氮φ108mm注氮管路,實現跨步式埋設,埋入深度在30~70米范圍。

(5)在運輸順槽硬幫和開切眼硬幫進行噴漿,防止煤炭進入采空區后發生自燃。

(6)在地面中央砂井建設粉煤灰灌漿站,根據工作面傾向情況,定期向采空區內灌漿。

(7)防止采空區漏風措施:由于N1-1502工作面屬于容易自燃煤層,為了減少采空區漏風,隨工作面的推進及時使用擋矸網+風筒布+金屬網,噴涂距離保證不超過工作面液壓支架5m。在成巷穩定區內,對開裂處進行補噴封堵,盡可能的減少采空區漏風。經過測量,工作面的壓差為120Pa,留巷與N1-1502工作面回風隅角壓差為123Pa,留巷段漏風量始終控制在50~80m?/min之間。通過一段時間觀測,采空區無自然發火征兆。

7結語

通過探索研究和實踐,在整個“110工法”無煤柱開采技術實施工程中,對施工情況每月進行一次總結,對每一個施工項目進行一次總結,對“切頂卸壓-沿空留巷” 無煤柱開采技術進行綜合總結。確保記錄下,施工過程中發現的問題,總結經驗,為下一次施工提供技術及經驗支撐。

曉南礦通過實施“110工法”新技術,取消護巷煤柱,可以有效提高煤炭資源回收率,延長礦井服務年限,減少巷道量掘進工作量,實現工作面連續開采,減少巷道圍巖壓力對工作面的影響,經濟效益顯著。有利于緩解采掘接續緊張的問題,對于曉南礦安全高效開采具有重大的技術、經濟、社會意義。對于相同地質條件下的其它煤礦,具有普遍指導意義和推廣應用價值。

參考文獻

[1] ?郭志飚《無煤柱自成巷110工法規范》[S],中國煤炭建設協會,中煤建協字[2019] 80號。

作者簡介?:奚德明(1986年2月-),男,工程師。2009年畢業于遼寧工程技術大學職業技術學院礦山測量專業,現在鐵煤集團曉南礦工程地測大隊任技術主管,曾在省級刊物發表論文1篇,鐵法科技上發表論文1篇。聯系電話:13841079858。

王則行(1986年2月-),男,高工。2002年畢業于黑龍江科技學院采礦工程專業,現在鐵煤集團曉南礦工程地測大隊任隊長,曾在省級刊物發表論文9篇,鐵法科技上發表論文1篇。聯系電話:13591009582。

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