急倾斜煤层保护层开采

+aa井设计能力为45万tΠ,核定生产能力为35万tΠ,3～,、灰、、、～,、、2008年2月矿业安全与环保第35卷第1期急倾斜保护层俯伪斜采煤法实践袁德术摘要:磨心坡煤矿在急倾斜薄煤层保护层工作面进行俯伪斜分段密集摩擦支柱采煤方法试验,通过对试验工作面主要技术参数的选择,以及储煤仓改进,实施假顶上方充填矸石和顶板控制等措施,取得了良好的经济效益和安全效益,为急倾斜薄煤层保护层开采提供了一种新的途径。关键词:急倾斜煤层;摩擦支柱;采煤方法中图分类号:TD823.213文献标识码:C文章编号:1008-4495(2008)01-0052-04天府矿业公司磨心坡煤矿开采急倾斜煤层,矿属煤与瓦斯突出矿井。煤系为二叠系龙潭煤组,煤层倾角为60°70°煤层群开采,可采及局部可采煤层自上而下分为K9,K8,K6,K5,K4,K2共6层,层间距:K2—K4为31.17m;K4—K5为31.38m;K5—K6为6.45m;K6—K8为10.43m;K8—K9为4.44m。主采煤层K2为中厚煤层,平均厚度为3.5m,为煤与瓦斯突出煤层,采用伪斜柔性掩护支架采煤法。K8煤层局部块段煤厚平均为1.0m;其余均为薄煤层,煤厚在0.4～0.7m。煤层顶板为泥岩砂岩、岩,底板为泥岩页岩。在可采区域内煤层赋存稳定,煤质较好,属主焦煤。薄煤层采用传统的倒台阶采煤法开采。1保护层开采技术磨心坡煤矿采用自上而下开采方式,用以保护下部突出煤层。保护层开采至关重要,关系着矿井的采掘部署是否正常和矿井的安全生产。几十年来,该矿一直采用传统的倒台阶采煤法。随着矿井开采水平的延伸,倒台阶采煤法已严重地制约着矿井的发展。磨心坡矿-10m水平中段K9保护层因开采技术原因而未采,-115m水平中段即将生产。怎样开采保护层,怎样解决矿压渗透水瓦斯三大难题,磨心坡矿为此进行了积极探索,试验成功俯伪斜分段密集摩擦支柱采煤方法,取得了良好的经济效益和安全效益。收稿日期:2007-07-26・52・2俯伪斜分段密集摩擦支柱采煤法2.1试验工作面-115m水平中段K9煤层工作面走向长2210m,阶段垂高105m,煤平均厚度为0.70m,平均倾角65°。该采区地质构造简单,顶底板均为泥岩。矿压大,采面将遇到采空区渗透水;瓦斯涌出量大,吨煤瓦斯涌出量为55m,顶板控制难度较大。2.2工作面布置工作面呈俯伪斜方式布置,伪斜坡度40°45°以煤炭能自溜为宜。工作面布置6个斜坡,1个储煤台阶和超前横道。每个斜坡伪斜长20～25m,台阶倾斜高度1～2m(采煤短壁),沿煤层倾斜方向每隔3m布置1排走向挡矸密集支柱。储煤台阶走向长6～8m,倾斜长5～6m,俯伪斜工作面与储煤台阶结合部留足3m倾斜长,超前横道12～15m,其下方为2～3个工作面子风眼上风,进风巷护巷煤柱为5～6m,回风巷根据现场情况,工作面有淋水时留3～5m隔水煤柱,无水则可不留煤柱。俯伪斜分段密集采煤法工作面布置见图1。2.3顶板控制顶板控制应视顶底板岩性,以及采面矿山压力显现工作面淋水等因素,选用与之相适应的支护材料及支护方式。挡矸密集支柱选用金属摩擦支柱支护,支护密度为4～6根Πm。密集支柱上面铺竹笆,竹笆上面为矸石垫层形成的假顶,假顶垫层充填厚度为采高的1.5倍以上且不小于1.5m,假顶垫层随假顶支柱回撤前移而依次下落至下方假顶上,形成煤矸石充填带,以缓冲采空区周期来压使顶板大面积垮落时带来的集中冲击载荷。基本支柱的排柱距走向、倾向均为1.0m,风眼采用木点柱支护,必要#～°～°、、、、2008年2月矿业安全与环保第35卷第1期图1俯伪斜分段密集采煤法工作面布置示意图时采用木盘料箍盘支护。回风巷用梯形木架棚或锚杆支护,进风巷用矿用11工字钢梯形金属支架或K9,K6,K5,K4采面的支护要求,其参数见表1。表1金属摩擦支柱支护参数表锚杆支护。2.4工作面主要技术参数选择型号顶盖形成高度Πmm最大最小工作阻力ΠkN初终活柱可缩能力ΠkN最大承载能力ΠkN质量Πkg②工作面上方采空区透漏水情况,工作面淋水小,则1)工作面俯伪角确定。①工作面落煤能自溜;ZYD-650ZYD-850CC650850423523808025025050～8050～8040040014.216.1伪倾角可小,反之则尽可能加大,以减少工作面受水面积;③采场压力影响,采场压力大,则伪倾角大,反之则小;④考虑工作面相邻斜坡人员工作的安全因素,伪倾角过大相邻斜坡下方人员作业不安全。按实际经验,一般控制在40°45为宜。2)走向密集支柱(假顶)倾斜间距。假顶倾斜间距的大小应视煤层顶底板控制难易程度,周期来压是否明显,周期来压强度和假顶支柱支护走向长度确定,一般取3.0m。3)密集支柱(假顶)沿走向长度。假顶走向长度既要满足相邻两假顶间矸石自然堆积的要求,又要满足假顶矸石在放顶时不窜至采面,须留有一定的安全长度。实践中取4～6m,且沿工作面方向有3°5坡度,以防假顶矸石窜入采面。4)支柱参数:Hmax=M-δ=700-60=540Hmin=M-δ-l=600-60-50=490式中:Hmax,Hmin为支柱最大最小长度,mm;δ为回柱时必须的卸载高度(活柱下落量),mm;l为木垫板(顶底板垫板)合计厚度,mm;M为采高(煤厚),mm。选用2种规格的摩擦支柱,可满足磨心坡煤矿5)工作面斜坡长度,应根据落煤方式、阶段高度、回采工效、斜坡坡度、溜煤方式确定,一般取20～25m,斜坡间错距(采煤短壁)取1～2m为宜。2.5工作面储煤仓布置储煤仓布置于采面最下方,储煤仓应根据顶底板岩性支护难易程度工作面循环产量运输方式等因素确定。为防储煤仓储满堵塞风路,引起采面瓦斯超限和安全退路不畅通,必须在超前横道上方掘一风眼和联络小巷与煤仓顶部贯通。2.6工作面支柱防滑为预防工作面支柱突然失效,推底失去支护阻力,回柱时滑倒伤人,必须对支柱按排进行整体串联,一般用小软钢绳连接。2.7工作面假顶充填物急倾斜薄煤层俯伪斜走向分段密集采煤法能否成功应用,关键是假顶上方充填矸石来源及厚度。矸石来源渠道:①回风巷回柱放顶煤(岩);②假顶上方顶底板垮落矸石;③掘进矸石;④采回风巷护巷煤岩柱充填。矸石充填厚度应大于1.5m。实践中,低瓦斯煤层多采用放顶煤(岩)技术充填假顶,高瓦斯煤层多采用后3种方式进行充填。・53・,、、、2008年2月矿业安全与环保第35卷第1期3工作面淋水及瓦斯处理3.1工作面淋水处理急倾斜俯伪斜分段走向密集采煤法成功应用的技术关键之一是要处理好采面淋水。采面淋水主要来源:一是工作面上部采空区的渗透水,为主要水源;二是受采动压力影响顶底板含水层中的裂隙水。工作面淋水大,易推底垮顶,导致支柱失效,危及安全生产。因此,必须很好地处理。1)留设防水(隔水)煤柱。在回风巷上方留设5～6m防水煤柱,防止上覆采空区积水渗透到采面。-10m水平中段K9煤层未采,对K9保护层开采防水有利,主要是防上部相邻煤层采空区积水。在回风巷下方留设3～5m隔水护巷煤柱,防止回风巷积水渗透到采面。2)加大工作面伪倾角,其目的是尽量减少工作面沿走向的受水面积。3.2工作面瓦斯处理高瓦斯矿井保护层工作面应用俯伪斜走向分段密集采煤法,其工作面控顶距大,通风断面较大,采空区有假顶矸石作为密封屏障,采空区漏风量大大减少,将采空区瓦斯带入工作面的回风量也随之减少。回风巷有隔水煤柱和护巷煤柱保护,能有效地维护,作为工作面尾排巷,从而能够有效解决工作面及回风CH4超限问题。4回采工艺1)采用风镐落煤方式,工作面的煤炭利用煤壁自溜,不安设搪瓷溜槽,采空区管理采用自然垮落法。2)工作面初采时,假顶上方无碴源,只能采取风巷(斜坡巷)回柱放顶结合刷帮的方式采集碴源,必要时可采取人工强制放顶措施;密集支柱假顶的垫层厚度必须保证在1.5m以上。3)回采前,应根据现场情况,在采面斜坡适当位置(大约中间位置)挡煤,利用专用挡煤板挡牢,下部用碎煤护实。每个掘进工作面必须留有一定的存煤距离而同时又为下一个台阶留有一定的回采距离,这样相邻台阶才可同时进行回采。挡煤点只能设在2道密集假顶之间,避免因挡煤堵塞通风断面或煤炭直接冲击到假顶上。4)各采煤工作面采落的煤炭堆积到影响回采时,由当班工长统一指挥,协调联络,自下而上进行放煤。放煤时,必须做到上呼下应,避免煤炭冲击伤人。5)严格现场管理,控制好各个台阶的推进度,严禁2个台阶采成“重齐”特别要控制好最末1个・54・台阶的开切时间。前面的台阶向前推进,后面又开切回采形成新的台阶,最前面的台阶采到回风巷消失,后面的台阶又不断跟进,循环往复,工作面不断向前推进。6)工作面向前推进必须及时回柱放顶。最大控顶距(假顶)6.0m,最小控顶距4.0m,回柱放顶前必须先延伸好下排挡矸密集支柱,铺竹笆后才能回上一排挡矸密集支柱。回柱放顶安排在准备班进行,回柱与放顶不得平行作业,相邻2排挡矸密集支柱不得同时作业。回柱放顶时人员只能站在安全地点,采取由里向外由下向上的顺序。工作面悬挂便携式瓦斯检测仪,严格瓦斯检查制度,若瓦斯超限则严禁作业。回柱时必须保持安全道路畅通。7)金属支柱入井前必须进行性能鉴定,严禁失效摩擦支柱进入工作面。摩擦支柱必须采用专门升柱器进行升柱。8)采用“三采一准”的作业形式,即3个采煤班,1个准备班。准备班进行两巷维护回柱放顶铺设假顶及其他辅助工作,循环方式采用日循环方式。5实际应用及效果2003年开始在-115m水平中段采区K9保护层工作面进行俯伪斜走向分段密集采煤法试验。试验初期,工作面采用Φ100mm木点柱支护,挡矸密集支柱间距为0.2m,长5m,倾斜间距3m,挡矸密集支柱下方0.2m处支护1排间距为0.3～0.4m的加强支柱。基本支柱柱距1.0m,排距0.9m。2004年上半年挡矸密集支柱改为ZYD-650,ZYD-850型摩擦支柱,以增强控制顶板的支护能力,并降低坑木消耗。基本支柱仍为木点柱,其他参数不变。最后工作面支护全部采用摩擦支柱,实现急倾斜煤层工作面支护金属化。5.1工作面及两巷压力显现俯伪斜走向分段密集摩擦支柱采煤法在磨心坡矿应用以来,经过实测并与原倒台阶采煤法相比较,新采煤法在矿压方面的优势正凸显出来,见图2。图2各种材料支护下顶底板位移量变化曲线图2008年2月矿业安全与环保第35卷第1期由图2可知:倒台阶木支护强度不够(工作阻力基本支柱为木支护,其顶板下沉量较俯伪斜法木支护要小,载荷分布相对均匀;俯伪斜全部实现摩擦支柱支护,其顶板下沉量则更小,更缓慢,工作面控顶范围内应力分布则更为均匀。根据实测,采用俯伪斜走向分段密集采煤法,采煤工作面进风巷回风巷压力得到明显改善,见图3、图4。图3倒台阶俯伪斜工作面压力分布图图4倒台阶俯伪斜位移量关系图由图3、4可知:倒台阶采煤法易在两巷采煤工作面前后20～30m内形成采场集中应力,即前支承压力和后支承压力,使巷道处于2次动压影响,巷道变形可达1300mm。两巷需多次维修,成本高。俯伪斜走向分段密集采煤法其采场压力分布较均匀,前支承压力不明显,后支承压力也得到明显下降。进风巷变形位移量小于800mm,回风巷变形位移量小于500mm。5.2工作面淋水及瓦斯排放效果1)经过留设隔水煤柱,上覆采空区(含相邻煤层采空区)积水和渗透水的90%不能进入工作面,并经雨季检验,该治理方法能保证工作面的正常推进,未因水而发生大中型冒顶事故。2)经留设尾排巷排放瓦斯和假顶隔离采空区的屏障作用,工作面通风断面增加,采空区漏风量减少,采面回风瓦斯超限状况得到明显改善。6效果评价俯伪斜走向分段密集摩擦支柱采煤法的试验、推广应用,成功地解决了倒台阶采煤法的技术缺陷,主要体现在以下几个方面:1)工作面安全环境明显改善采面的粉尘浓度降低,顶底板控制较为容易事故率显著降低,没有发生重伤以上事故。2)运输巷回风巷不存在明显采动压力影响,每年可节省巷道维护费80余万元。3)回风瓦斯超限得到有效治理,工作面回风瓦斯体积分数由2%～3%降为0.5%～1.0%。4)煤炭回采率由50%～60%提高到95%～100%。5)原煤平均月产量由2000～3000t,提高到5000～6