综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷可行性分析(定稿)2023.09.27

山西华晟荣煤矿综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷可行性分析二〇一六年九月二十七日目录一、煤矿无煤柱开采的发展现状…………………..2二、综放工作面无煤柱开采问题的提出……….3三、综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷施工工艺……3一）、3113工作面运输顺槽地质条件…….3二）、巷道加固及挡矸措施…………………….6三）、爆破预裂切缝及设备配置…………….14四）、工程质量标准及评估标准…………….17四、综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷经济效益分析……………20五、综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷实施步骤……22一、煤矿无煤柱开采的发展现状我国煤矿无煤柱开采的沿空留巷技术发展开始于20世纪50年代，主要巷旁支护采用矸石垛、木密集支柱等，且仅限于在薄煤层中应用。到了上世纪70年代，巷旁支护开始采用混凝土砌块和密集金属支柱，并应用于中厚煤层。但这些巷旁支护存在支护阻力不够、可缩性能不匹配、机械化程度低、劳动强度大和采空区密封性能差等缺点，限制了沿空留巷的使用范围。上世纪80年代初，原煤炭工业部为了改变我国在沿空留巷技术方面的落后局面，先后从英国、德国引进了充填材料和充填设备，并在阳泉、开滦、平顶山等矿区进行了工业性试验，取得了较好的效果。同时又组织高等院校、科研单位和生产单位共同进行充填材料和充填设备攻关。经过多年的研究和试验，到20世纪90年代初，我国充填材料和充填设备已实现了国产化。中国矿业大学于20世纪80年代末、90年代初研制成功了高水速凝材料。利用高水速凝充填材料在巷旁实现机械化构筑护巷充填带的技术，一段时间代表了沿空留巷技术的世界水平。目前，我国薄及中厚煤层的沿空留巷技术己日趋完善，巷旁支护、巷内支护、加强支护和煤帮加固技术己经成熟。然而，综放沿空留巷技术的研究和实践刚刚起步，与之相关的围岩活动规律及变形机制、围岩稳定性控制原理及技术等许多问题需要进一步研究。2016年5月27日，中国煤炭工业协会组织中国科学院院士宋振骐、中国工程院院士张铁岗等13位专家对神南公司柠条塔煤矿、中国矿业科学协同创新联盟共同完成的“厚煤层无煤柱自成巷110二、综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷问题的提出华晟荣煤矿自2023年在3104工作面研究推广小煤柱开采技术，并取得成功。后又在3105、3112、3113工作面推广均取得了令人满意的效果。推广小煤柱开采技术即将原先的每个工作面16m区段煤柱减少到6m小煤柱，不仅改善了巷道掘进条件，加快了掘进速度，同时减少了煤柱损失，取得了可观的经济效益。但是，即使是小煤柱，上、下工作面之间仍然有6m的煤柱损失，而这一煤柱损失，今后无法回收。资源的浪费，十分可惜。要彻底做到无煤柱开采，就是要采用沿空留巷技术。无煤柱开采切顶卸压自动成巷技术又称为“110”工法在柠条塔煤矿的试验成功，给了我们启发，就是要把这一技术推广到综采放顶煤工作面中，实现综放工作面卸压切顶成巷，实现真正意义上的的无煤柱开采。三、综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷施工工艺一）、3113工作面运输顺槽地质条件3113胶带顺槽位于三一采区胶带巷，回风巷南部，巷道为南北布置，其南为实煤体，北部为三一采区胶带、轨道巷，东部为已经回采的3115工作面，西部为3111工作面（尚未掘进）。3113胶带顺槽开口位置在距主斜井煤仓向东38.3m处向正南方向掘进。巷道设计长度1646m，车场设计长度50m。该巷道在地面相对位置在六家村村西。工作面范围有一洗煤厂，地面标高为925～935m，井下标高为580～640m。工作面设计开采为山西组中下部的3#煤层，煤层赋存稳定，平均厚度为6.1m，煤层倾角为平均为3°20’--6°20’，煤岩类型为半亮～光亮型煤，煤质为3号煤层直接顶板为砂质泥岩、泥岩，局部为粉砂岩，厚0.86～9.35m。砂质泥岩为灰～灰黑色，中厚～厚层状，岩相变化大。真密度2702Kg/m³，视密度2684Kg/m³，含水率0.79％，自然抗压强度14.7MPa，为软岩。软化系数0.66，为软化性岩石。粉砂岩为灰黑色，中厚层状。真密度2687Kg/m³，视密度2665Kg/m³，含水率1.05％，自然抗压强度13.7MPa，为软岩～半坚硬岩。软化系数0.39，为软化性岩石。老顶为中～细粒砂岩，厚2.55～16.50m，岩相变化大。真密度2657Kg/m³，视密度2640Kg/m³，含水率0.29％，为半坚硬岩～坚硬岩。3号煤层直接底板为砂质泥岩、泥岩，局部为粉砂岩，厚0.30～6.31m。砂质泥岩为灰黑色，中厚层状，真密度2682Kg/m³，含水率0.57％，自然抗压强度10.7MPa，为软岩。软化系数0.43，为软化性岩石。粉砂岩为灰～灰黑色，中厚层状。真密度2695Kg/m³，视密度2673Kg/m³，含水率0.74％，自然抗压强度20.3MPa，为软岩。软化系数0.59，为软化性岩石。老底为灰色中厚～厚层状细粒砂岩，厚1.05～4.83m，岩相变化大。为半坚硬～坚硬岩。3113运输顺槽巷道在掘进过程中无老巷及采空区积水影响，充水因素主要为3号煤层顶板砂岩孔隙及裂隙含水层，主要出水水源为打设锚索顶板出水及底板少量渗水，涌水量为0～5m³／h。矿井为低瓦斯矿井，据资料显示，实测3113车场、3113运输顺槽掘进过程中的瓦斯浓度为0.1%。根据山西省煤矿安全装备技术测试中心报告：该煤样的吸氧量为0.9235m³/g，自然倾向性为Ⅲ级，不易自燃。3号煤层煤尘具有爆炸危险性。本地区地温正常区，地恒温带深度20—40m，温度15.℃左右。3113综放工作面运输顺槽平面图见图1。图13113工作面运输顺槽平面图3113工作面运输顺槽煤层顶底板综合柱状图见图2。图23113工作面运输顺槽煤层顶底板综合柱状图二）、巷道加固措施及挡矸措施3113运输顺槽切顶卸压自动成巷技术施工主要工艺流程：恒阻锚索超前加固支护→施工切缝钻孔→沿设计切顶线爆破预裂切缝→巷道负帮加固支护→留巷段加强支护及挡矸。（一）、巷道加固支护及挡矸措施根据切顶卸压沿空留巷技术的特点及3113综放工作面的具体条件，3113工作面运输顺槽加固支护措施主要分为三段：一是井下运输顺槽超前支护措施，即采用恒阻锚索对巷道顶板进行超前加固支护，对巷道负帮用普通锚索加固支护；二是井下3113运输顺槽留巷段架后0～100m范围，采用“单体液压支柱+11#矿用工字钢”对巷道进行加固支护及挡矸；三是井下运输顺槽留巷段架后100～300m范围，采用11#矿用工字钢对巷道进行加固支护及挡矸。1、恒阻锚索加固支护措施1）、恒阻锚索加固支护相关参数设计为了防止切顶过程中和采空区顶板周期来压期间留巷段顶板失稳或冒顶，采用恒阻锚索对巷道进行超前支护。恒阻锚素直径为21.8mm，长度10000mm，恒阻值为33t±2t，恒阻器直径为65mm+3mm，恒阻器长度为500mm，恒阻锚索间排距为500mm×800(1600)mm，预紧力为28t。恒阻锚索距切顶线为300mm，切顶线距离巷道正帮为200mm。靠近工作面煤壁侧恒阻锚索相邻三根沿巷道走向采用18#槽钢连接。槽钢加工图见图３。图３槽钢加工图采用恒阻锚索超前加固巷道支护、巷帮加固支护如图4、5所示。2）、恒阻锚索施工工艺（1）井下3113运输顺槽共设计两排恒阻锚索，间排距500mm×800(1600)mm，靠近工作面煤壁侧恒阻锚索距切顶线为300mm，距煤壁500mm。恒阻器恒阻値33t±2t。（2）钻孔施工:严格接照预先点设的眼位，采用φ28mm金刚石复合片钻头施工钻孔，钻孔直径28mm，恒阻锚索外露长度为150～250mm；钻孔施工完毕后，采用直径75mm的专用扩孔钻头，将导向杆放入己钻好的小孔内连接钻机进行扩孔(小孔与大孔须同心)，扩孔深度500mm。（3）打恒阻锚索眼孔够深时钻机要反复升落2～3次，以便把眼孔内的碎煤冲洗干净。（4）恒阻锚索锚固长度一般不小于＿m，批量安装前应做锚固力测试，必须保证恒阻锚索锚固力不小于450KN(45t)，否则将影响使用效果。每根恒阻锚索使用＿根＿锚固剂，通过一根600mm长的PVC导管将锚固剂送入小孔内，用钢绞线顶锚固剂至眼底，然后撤下导管，用锚索钻机边推进边搅拌，搅拌时间15～20s后停止搅拌，等待2～3min(具体搅拌时间和凝固时间以实际使用的锚固剂型号为准)后撤下钻机。一般情况下，恒阻锚索外露150～250mm为宜，考虑现场施工条件，在满足恒阻锚索要求的前提下，可以减少恒阻锚索外露长度，防止支架对恒阻锚索造成破坏。（5）预紧力施加：恒阻锚索钢绞线锚固完成后，分别将300×300×16mm托盘和槽钢、恒阻器通过外露的恒阻锚索钢绞线穿进去，然后把恒阻器推入锚孔内，恒阻器托盘贴紧煤壁，然后把专用锁具穿过恒阻锚索钢绞线，锁具外锚环与恒阻器中恒阻装置贴紧，放好夹片，然后用恒阻锚索张拉机夹持恒阻锚索钢绞线进行张拉，张拉力值达到28t应停止张拉。最后卸载，预紧力应控制在280KN(28t)为验收标准，撤下张拉机，完成安装。待放炮距离超过20m后，为补偿爆破震动引起的预紧力损失，实施2次预紧，预紧力亦必须达到28t以上。2、巷道负帮加固支护为了防止切顶过程中和采空区顶板周期来压期间留巷段巷道负帮失稳或出现巷帮鼓出，采用帮锚索对巷道帮进行超前支护。锚索直径为17.8mm，长度6000mm。锚索间距为1600mm，预紧力为10t。锚索距顶、距底板距离为1600mm，位于巷帮中部。锚索的抗拔力为24t。图4巷道断面支护示意图a---俯视图b---侧视图图5巷道断面平面支护示意图3、工作面采空区内留巷段巻道支护及挡矸措施1）、井下轨道顺槽留巷段架后0～100m范围内巻道加固及挡矸措施3113运输顺槽顺槽留巷段在液压支架后0～100m范围内，采用“单体液压支柱+11#矿用工字钢”进行巷帮支护和挡矸。巷道断面共设计四排单体支柱，靠近切缝侧单体支柱配合有11#矿用工字钢进行挡矸支护，间距800mm，11#矿用工字钢高度3200mm，间距800mm，与单体支柱间隔布置，并采用8#铅丝将φ6mm、网格为100×100mm冷拔筋网(长3m×宽1.0m)固定于单体支柱和11#矿用工字钢上，该网主要用于挡小块矸石。巷内设计有三排单体支柱，柱距800mm，排距800mm。巷道支护及挡矸设计如图6所示。挡矸支护侧视图如图7所示。图6留巷段架后0至100m范围巷道断面支护布置图图7留巷段架后0至100m范围巷道断面支护侧视图2）、顺槽留巷段架后超过100m范围巷道加固及挡矸措施3113运输顺槽留巷段架后超过100m范围，在矿压不大，顶板垮落充分、巷帮充填完整的条件下，回撤巷道内单体液压支柱支护，只采用11#矿用工字钢进行巷帮支护和挡矸，11#矿用工字钢间距为800mm。巷道断面支护如图8所示。图83113运巷留巷段架后超过100m范围巷道支护断面示意图三）、爆破预裂切缝及设备配置（一）爆破预裂切缝1、爆破预裂切缝设计1）、根据巷道现场条件及切顶卸压沿空留巷技术特点，确定巷道切顶孔距离巷道正帮为200mm(即切缝线距离巷道正帮为200mm)，切顶孔直径为48mm，切顶孔与铅锤方向成15°，切顶孔孔深8000mm，孔间距为800mm，每排1个切顶孔。2）、顶板恒阻锚索+槽钢加固后，由于恒阻锚索距切缝线距离较小，巷道顶板切缝侧在恒阻锚索的作用下形成一个固支结构，巷道顶板另一侧在煤体的支撑下也是一个固支结构，则巷道顶板在断面内就是两端固支的稳定结构，不会因顶板形成短臂梁造成顶板断裂事故。因此，顶板恒阻锚索+槽钢加固后，在保证恒阻锚索超前加固支护≥20m的前提下，按设计参数施工切顶孔，沿工作面推进方向，依次采用聚能管装药的方式进行预裂爆破，形成切顶卸压预裂切缝线。3）、双向聚能管外径为42mm，内径为36.5mm，管长1500m。4）、聚能爆破采用二级煤矿乳化炸药，炸药规格为φ32mm×200mm/卷。5）、根据井下3113运输顺槽顶板岩性分析，拟采用以下爆破参数进行实验，最终的爆破参数需根据现场实验效果确定。聚能管捅到孔底，孔口用炮泥封孔，装药量及封孔长度如图9、表1所示。图9切缝炮孔间距及试验方案设计表1爆破预裂切缝试验方案参数表编号聚能管（m）装药量（卷）重量(g）封泥长度(m)11.5+1.5+1.5+1.52+2+2+11400221.5+1.5+1.5+1.53+2+2+11600231.5+1.5+1.5+1.53+3+2+22000241.5+1.5+1.5+1.53+3+3+22200251.5+1.5+1.5+1.53+3+3+32400261.5+1.5+1.5+1.54+4+3+32800271.5+1.5+1.50.8～0.922、施工工艺说明及要求1）、切顶孔经检验合格后进行爆破预裂切缝，采用不耦合装药，正向爆破。2）、现场爆破使用矿用安全乳化炸药，外径φ32mm，长200mm。3）、每个切顶孔在装药前，先在巷道内按照爆破装药设计参数从孔底聚能管开始连续装药并安设雷管和引线，然后将引线穿过第二根聚能管，并将第二根聚能管与第一根聚能管用连接件连接，然后在第二根管内开始连续装药并安设引线，重复按照上述方法，依次完成全部聚能管装药。要求每个聚能管内采用连续装药，每个聚能管设置一个雷管。4）、炮孔封泥封孔前，采用聚能爆破定向杆调整聚能管切缝方向与切顶线一致，调整完毕方可用封泥封孔。5）、爆破时躲炮距离不小于100m，躲炮时间不少于15分钟。6）、施工地点设备保护：爆破点往前10m，爆破点往后10m，总长度不小于20m。7）、爆破点附近的管路、电缆、开关采用半圆木或木板、胶带进行裹盖，以防崩坏。8）、每次切顶爆破聚能孔的个数为20个。（二）、爆破预裂切缝设备配置1、设备选型爆破预裂切缝设备主要由切缝钻机、锚索张拉机、锚索钻机及供电、供液设备等组成。设备选型着重考虑设备的生产能力、技术指标、适应性、可靠性、安全性、经济性、配套性等因素。根据设计生产能力及其地质条件，选用设备。1）、切缝钻机：选用山东兖州黑豹公司的QZ45切顶钻机两台。2）、锚索张拉机：选用北京巧力科技有限责任公司T022-500/63(含QLBQ，1.2×63气动泵、QLT22-500/退锚/张拉器，该型号退锚、张拉两用，张拉力500KN)锚索张拉机2台。3）、锚索钻机：选用济宁年润工矿机械的MQT130/32锚索钻机4台。另选用矿压监测系统一套(含工作面支架压力监测仪、顶板离层仪、锚索载荷监测仪、锚索变形量监测仪、顶底板移近量监测仪)。2、设备的主要性能及其技术特征表2切缝钻机的主要性能及其技术特征表类型材料切缝聚能管BTC-1500，长1.5m，外径42mm，内径36.5mm二级煤矿乳化药卷，直径32mm，长200mm恒阻锚索加固恒阻器HZS35-300-0.5，直径63+3mm。配合直径21.8恒阻锚索使用恒阻器扩孔钻头MS-SY75锚索张拉机TQ22-500/63(含QLBQ1.2×63气动泵、QLT22-500退锚/张拉器，该型号退锚张拉两用，张拉力500KN）托板（300×300×16mm）槽钢（长2m，眼距0.8m）监测设备矿用本安型顶底板移近量监测仪YHU200顶板离层仪DWG-5LBY-3（2.5m，10m）锚杆（索）测力计矿用本安型压力传感器表3QZ45型切缝钻机主要技术特征表名称参数名称参数整机长度2.4m主油泵力士乐95ml变量柱塞泵整机宽度0.7m液压系统压力16Mpa整机高度2.3m（不含钻机1.3m）钻机扭矩300Nm装机功率45Kw一次钻深1400mm整机重量4.5t成孔直径48mm接地比压0.1Mpa钻机调整角度平面10°垂直360°爬坡能力±18°适用巷道高度2.4—3.1m四）、工程质量标准及评估标准1、工程质量标准锚孔：钻孔深度：±100mm；扩孔深度：500mm±50mm；钻孔直径28mm；扩孔直径：75mm+3mm；角度：±5°。恒阻锚索：间排距：±100mm；锚固长度：≥1500mm；锚固力：≥45t；预紧力：30t±2t，锚固后恒阻锚索外露长度：150～250mm。评估指标还应包括恒阻锚索编号、安装时间等。切缝炮孔：切缝炮孔成孔后，预裂爆破前，钻孔编号，钻孔自动成像仪探测成孔效果、孔内岩性及裂隙情况。2、评估标准角度误差率(包括垂直切缝面方向和平行切缝面方向)：K1=（a设计-a实际）/a设计≤l0%；平直率：K2=L坑洼/L钻孔≤10%。评估指标还应包括钻孔编号、时间、距工作面距离、恒阻锚索超前支护距离（≥20m）、孔口中心距切缝基准线距离（巷帮侧为负，另一侧为正：±50mm）、实际孔深±100mm、角度、间距（±50mm）、岩性分布等。爆破预裂切缝前安装聚能管时，要利用专用定向器和固定器将聚能管固定在孔内，要求最下方(孔口方)为起爆药卷。爆破预裂切缝后，使用防爆相机对巷道表面照相，检测裂缝表面联通情况；钻孔自动成像仪内部探测，检测定向预裂缝孔内扩展情況。表面裂缝率：K3=L表面裂缝/L孔间距≥90%，孔内裂缝率：K4=L孔内裂缝/L钻孔≥90%。半眼率：K5=N半眼率孔数/N孔数≥85%。架后到完全垮落处距离：K6≤20m。支架受力集中系数：K7=P顶板破断极眼力/P平时受力∝1。评估指标还应包括聚能管安装数量及长度、装药方式、炮泥填塞长度(0.5～1.5m)、炮泥填塞位置、表面左裂缝长度、表面右裂缝长度、孔内裂缝段(110工法中，切缝炮孔孔内位置描述为：沿炮孔中轴线，以孔口为起点，向上逐渐増大)、无裂缝段等。四、综放工作面无煤柱开采卸压切顶成巷经济效益分析经济效益计算包括多回收煤炭创造的效益、少掘进巷道产生的效益以及需要留设巷道增加的投入三个方面。1、3113运输顺槽沿空留巷多回收煤炭可获得的经济效益：１）、多回收煤炭：Q=L×b×h×γ×η=1230×6×6.1×1.37×0.85=52423t=5.2423万吨式中：L：沿空留巷长度，m。b：沿空留巷多回收煤柱宽度，m。h：沿空留巷所在工作面煤层厚度，m。γ：3号煤容重，γ=1.37t/m³。η：工作面回收率，η=0.85。２）、直接经济效益按照2023年9月份实时原煤售价535元/t计，吨煤成本200元/t计，吨煤可获得利润335元，合计可获得经济效益：J1=Q×j1=5.2423×335=1756.17（万元）式中：J1：沿空留巷多回收煤炭获得的经济效益，万元。Q：沿空留巷多回收煤炭，万吨。j1：吨煤利润，335元/吨。2、3113运输顺槽沿空留巷少掘进巷道可获得的经济效益：J2=L×j2=1300×6000=7800000（元）=780（万元）式中：J2：少掘巷道节约的掘进费用，万元。j2：掘进巷道每米单价，6000元/米。3、3113运输顺槽沿空留巷加强支护，切顶卸压等增加的费用：J3=L×j3=1230×3000=3690000（元）=369（万元）式中：J3：留巷费用，万元。j3：每米留巷成本，3000元/米