错层位巷道布置采全厚采煤法技术研究

错层位巷道布置采全厚采煤法技术研究

1开采中存在的问题长期以来，中国的厚煤层开采以分层开采为主。近20年来，引入的放顶煤炭开采技术在快速发展和取得了显著成效。同时，天然气开采方法存在着许多必须解决的技术问题。例如，煤炭采收率低是其中之一。特别是，端头框架框架不能放煤、段头框架的损失和段头框架的损失是长期存在的问题。此外，在屋顶隧道中挖掘不可避免地会导致高海拔地区的火灾，约占总开采时间的2.3%。其次，段头和段末路段头无法立即释放顶板和层底煤，从而落入顶板和采矿空区，这是下煤层开采期间相邻采矿空间的重要隐患。此外，沿着地板上配置的回风炉不利于屋顶和瓷砖的排放。2错误配置和道路配置的提出依据理论研究与生产实践,针对前述存在的问题与厚煤层赋存的特点,提出了厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法.(1)厚煤层错层位巷道布置对于既可以分层又可以一次采全高的厚煤层,采用错层位巷道布置系统,将工作面两端的区段进风(运输)平巷与区段回风平巷分别布置在厚煤层的不同层位,如图1所示.当煤层倾角较小时,区段进风巷1沿底板布置在厚煤层的下部层位,回风巷2沿顶板布置在厚煤层的上部层位.当煤层倾角较大时,区段进风巷沿顶板布置,回风巷沿底板布置,原理相同.与工作面两巷通常都布置在厚煤层的同一层位不同,该方式称为厚煤层错层位巷道布置.平巷1在上一工作面稳定的采空区下掘进.为便于对比,将放顶煤开采较典型的巷道布置用图2表示.由图1知,区段平巷1上方与过渡支架上方的顶煤已由上一工作面采出.在图2中,巷道1与4上方的顶煤及过渡支架上方的顶煤均滞后于工作面垮落,形成松散易漏风的丢失浮煤,相邻的窄小煤柱也在顶板压力下破坏,易漏风引发自燃;另一种情况是巷道1与4之间留设约20m的区段煤柱,煤损严重.而在图1的系统中,不仅端头顶煤被采出,端头煤损也成为三角形煤柱,区段煤柱被取消,煤损大为减少.(2)错层位巷道系统现有的厚煤层开采系统,无论是分层采,还是放顶煤开采,都将工作面进风巷与回风巷布置在厚煤层的同一层位,即工作面两巷都沿顶板布置在厚煤层上部层位,或者沿底板布置在下部层位,也有的布置在中部层位.放顶煤开采一般两巷沿底板布置在厚煤层的下部层位.这种同一层位的布置,使巷道只能在平面范围内移动位置,称为平面布置.在相邻工作面之间(如图2右端),要留设与煤层全厚同高的正常煤柱或者留3～5m小煤柱沿空掘巷,所留煤柱的高度远大于被保护巷道的高度,造成巷道顶部与工作面端头顶煤的厚度损失,形成“T”字型的煤柱,其中顶煤部分以松散浮煤的形式垮落在采空区,成为自然发火的隐患.错层位巷道系统把工作面进、回风巷布置在厚煤层的不同层位,使巷道不仅能在平面范围移动位置,而且还能在纵向高低位置上变动,形成立体化巷道布置系统.这可使相邻两工作面之间形成空间立体交错的无煤柱形式(图1),减少了煤柱损失与顶煤厚度损失,而且有利于巷道的掘进与维护,防止自然发火.(3)煤体上围岩应力分布错层位巷道布置系统使得巷道位置能在厚煤层不同层位的立体空间范围内从矿山压力角度出发选择最有利的位置(图1),工作面开采之后巷道2以下的煤体及底板岩层中会出现应力重新分布.在这类条件下的典型研究结论得出了煤体下的σz等应力曲线(图3),其模拟条件为采深800m,上复岩层容重2.5t/m3.图4(a)中的单位为103t/m2,此图中的等应力线2即相当于原岩应力,以此作为边界,在该线右侧煤体下方为升压区,左侧采空区下方为减压区.应用这一结论把相邻下一个工作面的进风巷3布置在巷道2左侧水平相错约1条巷道宽度的采空区下方,正好处于减压区中应力较小的位置,有利于巷道的掘进维护.(4)采空区内小煤柱t图2所示的现有放顶煤开采巷道布置中留设有“T”字形的煤柱(图4(a)),从维护巷道与隔离采空区的角度看,难以取得好的效果.图中留设的护巷煤柱高度远高于巷道本身,并在巷道上方留有顶煤.相邻工作面采后形成的集中压力很容易把这种高达煤层全厚的窄小煤柱压裂破坏.顶板来压通过顶煤作用于巷道,巷道容易受压变形,不利于维护(图2中的巷道).这种煤柱形式丢煤多,巷道维护效果差,且巷道以上的顶煤在工作面推过之后均垮落在采空区,成为着火的重要隐患.在图1所示的错层位巷道系统中,巷道1的采空区一侧是与巷道同高的三角形小煤柱(图4(b)),另一侧是与巷道同高的工作面的煤体,巷道顶部是采空区,已充分卸压,对巷道的维护十分有利.巷旁的三角形小煤柱与顶板没有直接联系,受压小,不易压裂.图4按煤厚6m考虑,以巷道宽4m、高3m,顶煤厚3m,留设5m区段煤柱,工作面两端头各3道支架总宽度为4.5m不放煤计算,求得“T”形煤柱损失面积为81m2.三角煤柱为每节溜槽纵向抬高3°,最大坡度达15°后,逐节回落3°,形成最大高度为3m(巷道高度)的曲边三角形煤损,面积为27m2,比“T”形煤柱减少损失54m2.按工作面长150m计算,顶煤面积为450m2,可提高顶煤采出率12%,提高总采出率6%.相对于留设15～20m区段煤柱的情况,错层位系统可提高采出率10%以上.(5)覆盖物的立体设置一般情况下相邻工作面之间以垂直平面来划分.在剖面图上的反映(图2),巷道2与巷道3之间为煤柱,煤柱两侧高达煤层顶板的两个垂直平面划分出区段煤柱与相邻两个工作面的界限.在错层位巷道布置系统中(图1),笔者认为以巷道2的右帮垂直面、巷道3的左帮垂直面以及巷道2与巷道3在层位上的分界面三者所构成的折面作为相邻工作面的分界是恰当的.表现在图1所示的剖面上应是由3段线条组成的折线,可以推想在平面图上将是两个工作面相搭接的情况(图5).立体化的错层位巷道布置特点,仅靠平面图表示是不充分的,应辅以如图1所示的剖面图来说明巷道2与巷道3在层位上的关系以及三角形煤柱的坡度情况.这是错层位巷道布置在工程制图表达上带来的变化.按照上述划分,相邻两工作面之间没有区段煤柱,实现了完全无煤柱开采,同时不增加巷道维护难度,甚至更为容易.(6)巷道围岩绿化,满足通风安全生产需要,应符合的技术条件符合文献指出,厚煤层无煤柱护巷的应用前景和应解决有效隔离采空区的问题,同时指出根据工程实践厚煤层无煤柱护巷有助于防治自燃的结论.错层位布置的采空区一侧巷道位于应力降低区,巷旁有较宽的实体三角煤柱支撑,巷道易于维护,巷旁不易漏风.巷道顶部在上一工作面回采时铺网并采用铺设隔离层和注浆固结网上垮落矸石等措施,有足够时间锈结成良好的人工假顶.网下掘出的巷道在低应力区,不易变形的条件可以满足通风安全要求.必要时还可在巷内喷浆或注凝胶,作为防止漏风的补救措施.现有技术可以保证该巷道满足通风安全的要求.镇城底矿22202首采面与采空区相距较远,按实测的巷道沿程漏风损失计算,每米巷道平均漏风量为0.025m3/(min·m).已安全生产近1a.大大减少了松散遗煤,有利于防止自然发火,沿顶板布置的回风巷有利于排放瓦斯.3挖掘和回采工艺(1)分层开采,采空区护巷如图1所示,巷道2沿顶板掘进,与分层采时掘进上分层巷道相同.巷道1在上一个工作面形成的采空区下掘进,该段铺有金属网,与分层开采时内错式布置的下分层巷道相同,有成熟的现场经验可借鉴.巷道1位于采空区下低应力区,护巷效果好.(2)工作面3段式回采工艺错层位巷道布置系统下的回采工艺具有自身的特点.通常,现有的厚煤层采煤方法不论是放顶煤开采还是分层开采,全工作面只采用一种回采工艺,即放顶煤回采工艺,分层采的上分层铺网回采工艺或下分层网下回采工艺,三者中只择其一.错层位采全厚巷道系统下综合集成以上3种回采工艺用于同一个工作面,形成独特的3段式回采工艺.3种工艺用于工作面的不同位置.在工作面沿顶板布置的回风巷道一侧(图1中的a段)采用分层采的上分层回采工艺,有大约10m的长度需要铺网,为下一工作面巷道的掘进与回采作准备.这一段包括图1中的巷道2和相邻下一工作面巷道3的顶部位置,即两条巷道的宽度再加一定的搭接余量.巷道2下方为相邻下一工作面过渡支架的位置,该处不放顶煤的问题得到解决,但要注意联网质量,以免漏矸.在相邻采空区的一段工作面(图1中的c段)采用网下回采工艺,除以上两部分外,在工作面中部(图1中的b段)采用放顶煤回采工艺.4错层位巷道.无瓦斯开采实例1:图5为西山镇城底矿错层位巷道布置的22202综采放顶煤工作面,工作面开采2～4号煤层,厚5.10m,长150m,推进长680m,煤层倾角平均5°,煤质中硬,f=2.1,直接顶随采随垮,无周期来压,煤层瓦斯含量低,有自燃倾向.经过1a的回采,正常日产4500t,工作面采出率89%,未发生煤炭自然发火与瓦斯超限,生产正常.使用错层位系统减少巷道掘进费39.8%,为448元/m.提高采出率14.6%.该矿在8号煤中也采用了错层位巷道布置,18113工作面已经掘好巷道,准备安装设备.实例2:鹤壁八矿2305工作面,煤厚为5.8m,煤质松软,f=0.2～0.4,绝对瓦斯涌出量为6.91m3/min,自然发火期3～6个月.采用错层位巷道布置,煤层倾角较大,下区段平巷沿顶板布置,上区段平巷沿底板布置,巷道掘进速度由原来的28m/月提高到97m/月,提高了2.46倍.炮采放顶煤取得成功,工作面采出率81.1%,已安全生产2a,上、下两巷未发生煤炭自然发火事故.5优势采出率经济效益厚煤层错层位巷道布置全高开采方法立足于生产实际,实现了现有成熟技术元素的综合集成,巷道布置与回采工艺都具有创新而切实可行的特点,保留了放顶煤开采的高产高效优势,吸纳了分层采的巷道掘进经验,实现了无煤柱开采