综放采区提高采出率的.doc

综放采区提高采出率的 理论与技术浅谈摘要：区段煤柱是影响采取采出率的重要因素之一，大量的区段煤柱严重地影响了采区采出率，特别是综放采区,一次开采的煤层厚度加大，区段煤柱对采区采出率的影响程度也加大，因此,如何合理布置回采巷道,尽可能地提高采区采出率，成为综采放顶煤采区急需解决的问题之一。关键词：综采放顶煤 回采率 放煤工艺 锚杆支护煤矿开采保持较高的煤炭采出率是关系煤炭工业可持续发展的大问题。从理论上讲，多年来，我国绝大多数缓倾斜厚煤层矿井采用的长壁分层下行垮落采煤法，可以取得较高采出率，但实际上，由于开采时的厚度损失(含煤层厚度变化的损失和分层工艺难以控制的损失)、煤柱损失及局部地质构造损失等原因，相当多数矿井的采区采出率还很低。针对这样的问题，我们需要采取各种措施，通过改进放煤工艺、合理选择放煤步距和放顶煤高度、加强管理，达到提高工作面采出率的目的。 综采放顶煤开采技术在我国有了很大发展，并带来巨大的技术经济效益，而综放工作面大断面顺槽的维护技术已成为制约放顶煤开采技术发展的关键问题之一。目前综放工作面两巷一般仍采用架棚或锚杆与架棚联合支护，回风平巷留较大煤柱护巷，受采动影响后，巷道变形量大，维护困难，尤其是与采空区相邻的回风平巷在采空区侧向支承压力和本工作面超前支承压力叠加作用下，采用工字钢对棚与锚杆联合支护，支架折损严重、巷道支护费用高，维护也困难，并带来超前维护工作量大、管理要求高、工人体力劳动强度大等问题，影响了安全生产，阻碍了综放工作面的快速推进，制约了综放工作面高产高效特点的发挥。 1、 合理护巷煤柱的留设及沿空巷道稳定性分析1.1 合理煤柱宽度的计算煤柱宽度的理论计算。 B=B1+B2+B3 式中 B煤柱宽度，m；B1相邻工作面开采后在采空侧煤体中产生的塑性区宽度，m；取1.5m；B3锚杆有效长度，取2m；B2富余宽度按（B1+B3）(3050)%计，故B2=1.051.75m。 故B4.555.25m。1.2综放沿空掘巷稳定性分析锚杆支护的围岩强度强化理论： 分析可知，一般巷道围岩条件不同，综放沿空巷道处于因侧向支撑压力作用而形成的塑性区内，围岩为疏松破碎的岩体，且厚度大，包括直接顶、老顶在内的顶板厚度一般超过5m，在这种围岩条件的巷道中使用锚杆支护，传统的锚杆支护理论难以作出合理的解释。即沿空掘巷的锚杆支护对锚杆支护理论尤其是锚杆作用机理的研究提出了新的要求。1.3 沿空巷道围岩的应力特点 综放沿空掘巷上覆岩体在巷道掘进前已经形成了大结构，在巷道掘进期间，掘巷引起的围岩扰动只是小范围内的应力调整，对其上覆岩体大结构的稳定性不会有大的影响，此时大结构对掘巷期间的围岩变形无明显影响；但在回采时，上覆岩体大结构在本工作面采动影响下，垂直应力集中，大结构的稳定性受到了影响，并发生一定的变形下沉，从而造成巷道围岩应力的强烈响应，垂直应力的强烈变化时巷道围岩变形发展的主要影响因素，上覆岩体大结构在本工作面回采时巷道围岩传递垂直载荷的方式，对进一步研究巷道围岩小结构的变形机理及稳定性原理是有益的。2、锚秆支护强度的确定2.1锚秆预紧力的合理确定 研究采用现场实测与数值计算相偶合的方法，现场实测的预紧力为lOkN，支护强度为0.15MPa，相应地在掘巷期间的顶板下沉12mm，根据此值调整数值计算中的围岩力学参数，使两者相统一，在此基础上，对锚杆施加不同的预紧力，分别再取5、10、15、20、30、40、60kN进行数值计算，结果在巷道掘进期间，锚杆的预紧力对顶板的下沉量影响不大、锚杆安装时只要施加大于10kN的预紧力，顶板的下沉量即可控制在20mm左右。在巷道受本工作而采动影响时，锚杆的预紧力只要大于15kN，即可将顶板下沉量控制在110mm左右，当预紧力小于15kN时，顶板的下沉量增加较大，大于此值时对控制顶板下沉的作用又不是很明显。考虑到现有的锚杆支护技术条件和综放沿空掘巷围岩大变形的特点，认为锚杆的预紧力在1020kN左右是较为合理的，此时既可以有效地保证巷道顶板的稳定性，又在目前机具条件下现场施工中容易实现。2.2 锚杆支护强度的合理确定 1)锚杆支护强度的现状及存在的问题从目前我国锚杆支护的现状来看，支护设计时的锚杆支护强度多在0.10.15MPa之间，而实际上锚杆的支护强度却更低，一般均在0.05MPa左右，这很难有效地控制巷道围岩变形。研究发现，锚杆支护强度较低的原因主要在于以下几个方面:（1）锚杆本身的力学特性较差。我国长期使用的大多是材质为Q235软钢锚杆。其屈服强度240MPa,延伸率大于25；同时也使用少量的16Mn钢锚杆：其屈服强度为340MPa，延伸率为19，屈服强度低。（2)锚杆的直径较小，国内常用的锚杆直径多为14mm和16mm两种，个别有18mm这样直径的锚杆，其破断载荷般均在50l00kN之间，这很难满足综放沿空掘巷高强度支护的要求。 (3)锚固长度达不到要求，此前，国内采用锚杆支护时其锚固长度多为端头锚固方式，达不到软弱破碎煤体中的临界锚固长度，拉拔力较小不能有效保证锚杆的较高的支护强度要求。(4)锚杆的辅助支护构件不配套。在锚杆支护实践中，锚杆的托板、螺帽、金属网、钢带及钢筋梯子粱等辅助支护措施不仅能承受载荷，而且可以将载荷传递给锚杆，若这些附件的性能与锚杆不匹配，那么即使锚杆本身的强度再高，它也不能承受较大的载荷，影响锚杆本身强度的充分发挥。目前，国内普遍对此不够重视，锚杆的支护质量和控制围岩变形的能力必然较低。掘进期间支护强度对顶板下沉量影响不大，0.05MPa的支护强度也能控制顶板变形。在回采期间支护强度对顶板下沉量影响很大，当锚轩的支护强度达到0.15MPa时，顶板下沉量减少明显，达到03MPa时，可显著的控制住顶板的下沉变形。而当锚杆的支护强度小于0.lMPa时，顶板下沉量急剧增加，顶板的稳定性将受到很大影响，而锚秆支护强度大于0 3MPa时，对控制顶扳变形的作用不是太明显，而且就国内目前的锚杆支护状况而言，锚杆支护强度达到或超过0.3MPa在经济上不合理，也没有必要，对综放沿空掘巷来说，没有必要将其变形量控制到很小，在保证巷道正常使用的前提下，允许巷道有一定的变形量巷道也能保持稳定，而巷道支护成本可显著降低对支护强度不足部分，可采用超前加强支护的方式进行补强。 因此，对于综放沿空掘巷锚杆支护强度保证在0.15O.3MPa之间是比较理的。2.3锚杆支护巷道的加强支护 1)小孔径锚索加固技术 综放沿空掘巷实践中，常会出现以下问题： (1)顶板锚杆的长度不够。通常情况下，顶板锚扦均采用全长锚固方式，由于受巷道高度的限制，锚杆长度不能过大，因此锚杆的锚固范围较小，对顶板锚固区外的围岩变形起不到良好控制效果。 (2)顶板煤体普遍较为松软破碎，锚杆的锚固性能得不到有效保证，致使锚杆的支护强度达不到0.15MPa。 (3)当巷道两帮的支护强度不够时，将使两帮向巷道内挤入，煤帮发生较大的下沉，这将影响到顶板的稳定性。 当存在以上问题时，将引起顶板锚固区外煤体的膨胀和离层，达到一定程度就会导致顶板大面积冒落，此时可采用锚索技术对顶板进行加固。 目前常用的小孔径锚索直径为15.24mm，钻孔直径为28mm，长度可以达到68m左右，承载能力240kN左右。其作用的主要原理在于；通过锚索将巷道周边浅部不稳定的围岩悬吊到上部较为稳定的围岩中，以此来保证顶板煤体的稳定。应注意的是，当顶板厚度超过8m后，锚索的钻孔和安装都较为困难，对锚索的使用是不利的。 2)巷道超前加强支护 综放沿空掘巷受采动影响时，上覆岩体大结构会发生一定程度的变形下沉，将影响到小结构的稳定性。根据前面的分析，该类巷道较为强烈的影响在工作面前方40m范围内，剧烈影响范围在前方20m左右。此时，锚杆支护强度不足时，难以控制围岩过大的变形，遇此情况，应在超前工作面一定范围内采用适当的加强支护措施来控制围岩的变形。 3)对煤体注浆加固技术可考虑在以下两种情况下使用： (1)小孔径锚索施工困难时。当顶板的松散煤层厚度和直接顶厚度较大时，锚索的钻孔和安装困难，难以保证锚索良好的锚固性能时，应考虑对煤体注浆。 (2)当煤体较破碎时，其裂隙极为发育，太大削弱了煤体本身的强度，而且降低了锚杆的锚固性能，此时可对煤体进行注浆加固，以提高巷道围岩的稳定性。2.4保持综放沿空掘巷围岩结构稳定的锚杆支护技术 前面的分析表明，综放沿空掘巷上覆岩体大结构在本工作面采动影响时，虽会发生一定程度的回转变形下沉，但不会失稳 为巷道的稳定提供了先决的外部条件。巷道的稳定在很大程度上取决于围岩小结构的稳定。实践表明，对于综放沿空掘巷来说巷道的顶板煤体及窄煤柱帮的稳定性在较大程度上决定着巷道能否稳定。因此，这两个问题是该类巷道支护中极为重要的问题。 1、保持顶煤稳定的支护技术 保持顶煤稳定的锚杆支护机理。综放沿宅掘巷顶煤采用锚杆支护保持稚定的机理是锚杆通过对顶煤的可靠锚固作用，使锚固区域中的破裂煤体连在一起，形成一个稳定的锚固梁，以实现顶板的稳定。此时锚杆对顶煤主要发挥以下作用： (1)锚杆将下位处于临界失稳状态的顶煤块与上位较稳定的顶煤连成一体、防止其垮落。 (2)锚扦施加一定的预紧力，有效地将锚固范围内的层状煤体压缩加固，并通过钢筋梯子梁。金属网形成统一的锚固梁支护阻止巷道顶煤的漏冒。并对上位顶煤的破坏起较大的约束作用。 (3)锚杆的预紧力和合理的树脂锚固长度，可有效控制破裂顶煤体之间相对滑动和开裂，提高了顶煤的内摩擦力，实现小结构顶板的稳定。 2、保持顶煤稳定的锚杆支护技术 确定保持综放沿空掘巷顶煤稳定的主要锚杆支护技术如下： (1)综放沿空掘巷的顶板煤体较为破碎，变形量相对较大、故在该顶板的支护中、应采用高强度螺纹钢锚杆支护体系，这样可以保证锚杆具备较大的破断力，能够承受较大载荷。 (2)巷道的顶板煤体软弱；破碎程度及范围较大，与树脂卷的粘结能力差，故锚杆的锚固方式采用加长或全长锚固，保证锚杆通过树脂在较长范围内与围岩粘结，对其整体粘结力的提高是很有效的；同时也对提高锚杆锚固范围内煤体的强度和刚度有很大的作用，使顶板的稳定有了基本的保证。 (3)为防止顶煤的的冒落，提高顶煤的稳定、安全性，进一步发挥保证锚杆的锚固能力，应在顶板支护中配套使用钢筋梯子梁与金属网。 (4)在锚杆安装时，对其施加预紧力，当预紧力达到15kN时，就可以有效的提高锚杆控制围岩变形的能力。 (5)重视帮角锚杆布置和支护时机。顶板上两个顶角锚杆的安装角度与垂直方向呈2530是比较合适的，此时对顶板的稳定性能起到较大的作用，减少顶板暴露时间，及时安装锚杆，又是一个要注意的问题。2.5保持实体煤帮稳定的支护技术 综放沿空掘巷的现场试验发现，实体煤帮的围岩性质虽然相对较好，但在掘巷及本工作面回采影响时，其围岩应力明显增大，造成实体煤帮的移进量加大，一般表现为下部移进量大于上部。如果其稳定性得不到保证，则会造成顶煤沿实体煤帮倾斜下沉，以及底板在该侧严重鼓起。 保持实体煤帮的稳定性，应主要采取以下支护技术 (1)综放沿空掘巷的实体煤帮在掘巷时的破碎程度相对不大，但在受采动影响时，煤帮的破裂范围较大，变形量相当大。因此，该帮的支护需要锚杆具有较高的抗拉断能力来保持稳定，故应采用高强度螺纹钢锚杆为其基本的支护形式。 (2)针对实体煤帮的锚杆可以采用加长锚固方式，锚固长度应达到1Om以上。保证锚杆具备足够的锚固力，允许实体煤帮有一定的变形量来适应其变形，使该帮的稳定得到有力的保证。 (3)为进一步提高实体煤帮的整体性，应铺设钢筋梯子梁与金属网。 (4)在锚杆安装时，对其施加预紧力，对控制实体煤帮掘进期间的移近量是很有好处的，且可以有效的提高实体煤帮受采动影响时锚杆控制围岩变形的能力。2.6保持窄煤柱稳定的支护技术 保证窄煤柱帮的稳定是实现综放沿空掘巷重要要前提，根据影响窄煤柱稳定性的因素分析，其主要支护技术如下： (1)窄煤柱在整个巷道围岩小结构中破坏最严重，且窄煤柱呈现向两侧位移的特点，要求锚杆具有较高的抗破断能力，故在窄煤柱的支护中，应采用高强度螺纹钢锚杆支护体系，这样可以通过锚杆对围岩提供较大的支护阻力，使煤柱的围岩强度得到强化，提高窄煤柱的整体承载能力。 (2)窄煤柱中锚杆锚固方式采用加长锚固，通过未锚固段锚杆的伸长，使窄煤柱有一定的侧向变形，释放变形能，