某煤业33011与31011工作面之间下分层煤柱安全开采可行性报告可行性报告

I 1 4 42.231011回风顺槽和33011回风顺槽充填方案 63下分层顶板稳定性分析与顶板管理 83.1下分层顶板稳定性分析 83.2液压支架工作阻力计算 3.2.2液压支架工作阻力计算 3.3下部煤层开采辅助技术 5充填材料与工艺 5.2充填工艺 5.3充填过程注意事项 5.4人员配备 6准备事项及经济效益核算 6.1需要准备的材料及设备 6.2成本概算 1煤层倾角3～5°,容重1.45t/m³,煤层中局部夹1～4层泥岩为降低上分层工作面上隅角和回风巷的瓦斯浓度，在增加成“U+L”通风方式，距33011工作面回风顺槽7m、距31011工作面回风顺槽20m布置1条31011瓦斯尾巷，供33011工作面和31011工作面排放瓦斯，这两个工作面于2010年前回采完毕。目前，已经掘进了下分层33012工作面回风顺槽和31012工作面胶带顺槽，为了提高资源回收率，准备将33012工作面回风顺槽和31012工作面胶带顺槽组合成33012工作面，其巷道布置示意图见图1-1所示。33012回风顺槽(下分层)31012胶带顺槽(下分层)31011工作面(上分层)胶轨上上山回风上山图1-133012工作面布置示意图233012工作面煤层顶底板岩性特征见表1-1所示。表1-131012工作面煤层顶底板特征顶底板名称岩石名称厚度基本顶中粒砂岩深灰色，质地较坚硬，一般不易冒落。直接顶泥岩、粉砂岩深灰色，开采达一定范围后开始冒落。伪顶炭质泥岩黑色薄层，随开采过程极易冒落底板砂质泥岩深灰色，局部较软弱，开采时围压为了提高煤炭回收率、提高矿井生产效率，33012工作面 (下分层)与上分层工作面呈外错型布置方式，如图1-1所示。在回采上分层31011和33011工作面时，为加强31011瓦斯尾巷支护，在31011瓦斯尾巷布置了大量木垛，因此，31011瓦斯尾巷存在空洞；31011和33011工作面的顺槽随工作面推进基本垮落，但这2条顺槽顶底板可能存在空隙，这对安全开采31011和33011工作面之间下分层煤柱存在以下影响：1)由于会影响安全开采；2)3条顺槽正下方液压支架不接顶，移架困为了解决以上问题，山西沁和能源集团有限公司、曲堤煤业有限公司与中国矿业大学合作，拟采取高水充填材料充填31011瓦斯尾巷、33011回风顺槽及31011回风顺槽，将空洞、3顶板稳定性，为开采31011和33011工作面之间下分层煤柱提供安全保障。拟采取以下方案：(1)采用高水充填材料充填满31011瓦斯尾巷，在33011回风顺槽及31011回风顺槽采用高水充填材料充填后形成0.5m厚胶结顶板；(2)在进行下分层工作面31012工作面回采时，在瓦斯尾巷处超前循环探测，若正下方综采支架移架困难和瓦斯突然释放的难题；(3)在下分42充填方案2.131011瓦斯尾巷充填方案从31012胶带顺槽(下分层)向31011瓦斯尾巷钻孔进行充填，如图2-1所示，首先从31012胶带顺槽垂直向31011瓦斯尾巷布置6个孔(等距离，每孔间距86m),孔径78mm,先孔封孔材料进行封孔，封孔长度为1.5m~2.0m,钢管外端焊接31011胶带顺槽330111回风顺槽31011胶带顺槽5图2-1瓦斯尾巷充填钻孔布置示意图(1)从31012胶带顺槽底板以上0.75m向上倾斜钻孔(角度6°)对31011瓦斯尾巷进行钻孔直达该巷顶部，需打6孔(见实蓝线所示);(3)向PVC管内塞入3英寸的钢管；(5)进行充填，依次通过6孔将31011瓦斯尾巷全部充填(6)再在已充填的孔中间补打钻孔(见图虚蓝线所示位置),采用钻孔窥视仪观看第一次充填情况，采用以上步骤再2-2所示。6图2-2瓦斯尾巷工作面前方探孔布置示意图(1)工作面检修班期间，与工作面推进方向一致，每隔10m打一个水平长度15m的向上孔探测31011瓦斯尾巷充填情(2)采用钻孔窥视仪观察瓦斯尾巷充填情况；(4)若进行充填，采用水灰比为3:1的高水充填材料再进行充填，能快速凝固，不影响工作面回采；(5)重复以上步骤(1)~(4),始终保持工作面煤壁前2.231011回风顺槽和33011回风顺槽充填方案31011回风顺槽与33011回风顺槽充填孔布置见图2-3所7图2-331011回风顺槽与33011回风顺槽充填孔布置示意图(1)从31012胶带顺槽打孔进行充填，充填固结厚度达到(2)高水充填材料水灰比为5:1,能胶结形成强度达到2MPa的固结体。83下分层顶板稳定性分析与顶板管理3.1下分层顶板稳定性分析根据顶板结构及应力分布可沿倾斜方向将31012工作面顶板分为四种：煤柱下方顶板、上分层巷道下方顶板、采空区下方顶板、瓦斯尾巷下方顶板。下面分析这四种顶板的结构特征(1)煤柱下方顶板结构特征及稳定性煤柱两侧的上分层工作面回采后，在采空区侧向支承压力作用下煤柱两侧煤体的完整性相对差一点，一般顶板岩层结构较好，但支承压力较大，易发生片帮，顶板稳定性较好，现场应采取紧跟前滚筒移架、确保支架有较高的初撑力等方法来保(2)上分层巷道下方顶板结构特征及稳定性上分层工作面回采以后，两顺槽顶板基本垮落，但由于煤柱的支撑作用，靠近煤柱附近的巷道下方可能存在空隙，因此采用高水充填材料充填空隙、胶结冒落的煤岩体，充填、胶结高度达到0.5m,因此，该范围顶板管理比采空区下方破碎顶板好管理、压力小于煤柱下方顶板，但由于胶结顶板强度还是小于原生顶板，现场应采取紧跟前滚筒移架、确保支架有较高的(3)采空区下方工作面顶板结构特征及稳定性9采空区下方顶板结构可归为碎裂顶板，顶板压力不大、周期来压不明显，但顶板破碎、下沉量较大，该范围顶板管理不在本课题研究范围内，根据以往经验，该范围现场顶板管理应当采取紧跟前滚筒移架、严格控制采高、采用较大的支架初撑(4)瓦斯尾巷下方工作面顶板结构特征及稳定性位于瓦斯尾巷下方的顶板通过高水充填材料充填后，顶板稳定性比上分层巷道下方顶板好、比煤柱下方顶板差，但压力小于煤柱下方，回采时紧跟前滚筒移架、采用较大的支架初撑总之，上分层回采后改变了下层煤开采时的覆岩破断和移动特征；上分层采过后由于上覆岩层已遭受了大范围的破断和覆岩破断和移动特征发生了明显的变化。因此在31012工作面回采过程中其矿山压力显现和单一煤层工作面的开采不同。主要表现为：没有周期来压或者周期来压不明显、工作面超前支承压力较小、应力集中程度降低、支承压力分布平缓，但是端面顶板冒落较多、顶板下沉量较大、煤柱下方工作面顶板压力较大等现象。回采时及时移架(紧跟前滚筒移架)、维修好乳化液管路和液压支架的液压系统，保持乳化液管理不漏液，保证支架初撑力达到额定工作阻力的80%,支架能达到额定工作支架的工作状态是处于“结定变形”状态还是处于“给定33011工作面回风顺槽与31011工作面回风顺槽之间煤柱下根据矿压理论，工作面支架承受的最大压力为4-8倍采高烈时取较小倍数，煤柱下方工作面支架取最大倍数即取8倍采r—煤层顶板岩石容重，取2.5t/m³;ZYP3200/17/28型液压支架额定工作阻力32003.3下部煤层开采辅助技术31012工作面开采下分层，容易发生架前顶板冒落。特别是工作面上方煤柱附近受上分层工作面侧向支承压力及本工作下部煤层工作面架前顶板冒落主要有3种形式即：轻微冒落，滑坡式冒顶和大冒高形态，如图3-1所示。(a)轻微冒落(b)滑坡式冒顶(c)大冒高形态图3-1冒顶类型在上分层残留煤柱附近易发生微冒落和滑坡式冒顶。拟采(1)采用高水充填材料将上分层未垮落充分的位置附近充(2)控制合理的端面距，提高端面顶板的稳定性。巷道下方及采空区顶板端面距应小于400mm,煤柱下方端面距应小于(3)当端面距超过规定要求时，由先割煤后移架，改为先移架后割煤，即“支架超前”,以缩小梁端距。(4)消除和减小支架顶梁上端的浮矸；确保支架初撑力达到额定工作阻力的80%;支架不得低头。(5)严格按规定采高回采，严禁割顶板，局部地段可以留(6)出现较大范围、较深的冒顶时，为了防止冒顶继续增加而发展成为第三种大冒高形式，从煤壁向顶板方向斜打木锚用金属钢梁或木梁配合单体支柱支护冒落区。煤壁片帮的主要形式：一是倒墙式片帮，煤壁上下部片帮深度相等，主要是平行于煤壁的节理及采动影响和支承压力共同作用的结果。二是滑落式片帮，煤壁上部沿斜面滑下在端面处形成较大的空顶面积，主要是因降压移架时煤壁承受压力增大引发，如图3-2所示。图3-2煤壁片帮形式(1)工作面液压支架采用带压移架。(3)保持支架良好的工作状态。(4)若片帮严重，应垂直于煤壁打贴帮柱。(5)严格安装规定采高回采。4瓦斯管理加强31011瓦斯尾巷、33011回风顺槽和31011回风顺槽(1)利用31011瓦斯尾巷的抽放管路中219mm进行采空区(2)瓦斯检查工要不定时对33012切眼及工作面与31011(3)在31011瓦斯尾巷下方悬挂便携式甲烷报警仪，随时(4)在回采接近贯眼7m时，从33012工作面平行顺槽方(5)若出现瓦斯异常，一方面可以风幛导风方式稀释瓦斯(6)进一步加强人员培训，做好下分层工作面瓦斯监管、5充填材料与工艺5.1高水充填材料简介高水充填材料经七五和八五国家科技攻关，材料本身和相留巷效果良好，即将在兖矿集团南屯煤矿、甘肃窑街矿务局海石湾煤矿等矿使用；也可以在工作面充填、空巷充填等条件下充填使用，曾经在潞安矿务局王庄煤矿、兖州矿务局杨庄煤矿进行空巷充填，保证了综采放顶煤工作面安全通过充填后的空高水充填材料是一种能在高水灰比条件下快速凝结的特种水泥，是中国矿业大学承担的国家“七五”、“八五”重点科按1:1的比例配合使用。甲料、乙料单独与水混合24h不凝结，为避免管路堵塞和一定条件下不冲洗管路创造了条件，而甲料高水充填材料之所以能够在高水灰比条件下快速、全部凝结硬化，是因为其水化反应生成了大量的钙矾石。钙矾石是含结晶水最高的水化物中最为常见的一种，这是高水充填材料不同于一般水泥材料的最显著的特点之一。(1)高水灰比条件下结石率100%;(2)凝结时间短，早期强度高并可调；(3)塑性好，凝结体单轴加压应变达15%时，其残余强度还能维持在峰值强度的50%以上。(4)凝结体具有微膨胀性；(5)改变水灰比和添加剂成分就能获得不同强度的凝结(6)单位体积充填材料用量少。→胶凝固化→强度硬化体高水充填材料充填体呈现明显的塑性材料特征，在压力作用下可以允许较大的塑性变形，强度衰减比较缓慢，可以维持通过我们与有关设备厂家共同努力，研究开发了简单的充填泵，该泵能够保证同时进浆、同时出浆，甲乙料等量，从根高水充填材料主要分为两类：一类是在水灰比为5:1的条以上，主要应用于采空区、空巷充填等；第二类材料水灰比在2.5:1以下，通常在1.5~1.8:1的条件下，1m³充填体只需高水充填材料500kg,凝固后强度达10MPa以上，主要应用于沿空5.2充填工艺高水充填材料分甲料和乙料两部分，甲料、乙料按1:1的比例配合使用。由于甲料、乙料单独加水搅拌不凝结，而一旦混合则凝结硬化，凝结速度可以控制在20~60分钟。为防止浆液在搅拌、运输过程中凝结、堵塞管路和充填泵等设备，需分别搅拌和泵送甲料浆、乙料浆。因而，应采用双液充填工艺1)充填泵站布置采用1台流量为120～150L/min的双液充填泵充填。甲料、乙料各配2台搅拌桶，每台搅拌桶容积1.0m³,搅拌桶附近布置料场，充填泵站布置在31012胶带顺槽(下分层),具体位置与矿方共同确定。料场要适当垫高，防止堆放的高水充填材料受潮，并且实行挂牌管理，严禁混放。充填泵及搅拌桶放平，甲料、乙料4个搅拌桶上方分别各接一趟2寸水管供水；搅拌桶较高，为了便于工人上料，需要搭台阶。2)试验系统用清水试验搅拌桶、充填泵、充填管路及充填点与泵站之间的联络是否正常，一切正常后就可以进行充填浆液。3)上料、搅拌根据设计的水灰比加入适量的水，若采用水灰比为5:1时，每桶一次上水550kg,然后每桶加高水充填材料100kg,加甲料及加乙料添加剂各10kg。注意(加)甲料、(加)乙料不能混加，搅拌时间不少于4)泵送与清洗设备因故暂停15分钟充填就需要清洗充填泵和管路，防止堵5.3充填过程注意事项(1)若出现电气或设备故障时，充填点人员应(2)泵站人员应观察甲、乙料的吸入情况，出浆流量是否(3)充填点人员应密切观察充填袋周围顶板特(4)加强泵站与充填点的联系十分重要，及时通报相互间(5)对每一袋高水充填材料，必须彻底将袋里的高水充填材料完全倒净，袋子里不能留下一点高水充填材料，对于高水5.4人员配备设置充填的班组成员共5人，其中班长1人，机电工1名负责泵、搅拌桶的操作及维护、保养，另外3人负责泵站及充填点的充填工：充填期间负责从混液器到充填袋管路控制及与注说明：在充填前和充填过程中1名机电工检修充填设备、6准备事项及经济效益核算6.1需要准备的材料及设备(1)购买或维护充填设备：2台充填泵，1台使用，1备用；5台搅拌桶，4台使用、1台备用，及相关配件，特别是易损件(2)购买高水充填材料800t。6.2成本概算1)设备费用充填设备清单及费用见表6-1所示。表6-1充填设备清单及费用序号材料名称规格、型号数量参考价格费用1双液注浆泵2ZBSB8-1.1/6-22防爆22搅拌桶JB-1000防爆53混合器2总计2)材料费用31011瓦斯尾巷原断面宽×高为3m×2.3m,经历两次采动影响巷道断面收缩及巷内木垛，其断面明显缩小，设计时按断面3m²计算，31011瓦斯尾巷按600m计算，充填体积为1800m³,充填材料水灰比设计为5:1,则需要充填材料360t,再考虑10%元计算(含运到矿上费用),则材料费用约为80万元。31011回风顺槽和33011回风顺槽巷道底宽按3m计算，充填高度按0.5m计算，充填长度按600m计算，需要充填体积也为1800m³,充填材料水灰比设计为5:1,则需要充填材料360t,再考虑10%浆液渗漏、跑浆等，则所需材料为400t左右，每吨材料按2000元计算(含运到矿上费用),则材料费用约为80综上，所需充填材料费用为160万元左右。Editor'snote:JudsonJonesisameteorologist,journaphotographer.HehasfreelancedwithCNNforfouryears,coveringsevere(CNN)-Iwillalwaysw