【摘 要】
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无煤柱自成巷N00工法作为一种新型的井工长壁无煤柱开采技术,在采掘系统布置方面与传统长壁开采具有较大区别:①N00工法无需提前掘进工作面回采巷道,回采巷道在采煤过程中逐渐形成,所形成的巷道位于工作面后方,供本工作面和相邻接续工作面两次使用;②N00工法无需留设工作面之间的保护煤柱或人工充填体,其利用顶板定向预裂切缝技术,切断巷道和采空区之间部分顶板的物理联系,促使切缝范围内的顶板迅速垮落,并充分利
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无煤柱自成巷N00工法作为一种新型的井工长壁无煤柱开采技术,在采掘系统布置方面与传统长壁开采具有较大区别:①N00工法无需提前掘进工作面回采巷道,回采巷道在采煤过程中逐渐形成,所形成的巷道位于工作面后方,供本工作面和相邻接续工作面两次使用;②N00工法无需留设工作面之间的保护煤柱或人工充填体,其利用顶板定向预裂切缝技术,切断巷道和采空区之间部分顶板的物理联系,促使切缝范围内的顶板迅速垮落,并充分利用垮落岩石的碎胀性形成碎石巷帮,避免了因留设煤柱或充填体引起的围岩应力集中现象。相比于传统长壁开采方式,无煤柱自成巷N00工法采掘系统具有特殊性,其工作面通风系统也由常见的U型通风和Y型通风变为Z型通风。作为一种新型采煤方法,其采空区顶板垮落特征以及通风方式均与传统长壁开采有所区别,这就导致了其采空区渗流特性和工作面风流运移规律也必然产生一定变化。因此,研究N00工法采空区渗透性演化规律不仅有助于了解该采煤方法采空区内风流运移特征,也能为该开采条件下采空区自然发火和瓦斯灾害防治提供指导,具有一定的理论和实践价值。本文以陕煤柠条塔煤矿无煤柱自成巷N00工法试验工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的研究方法,开展了以下方面的研究:(1)阐述了我国现行的几种井工长壁采煤技术,包括传统长壁留煤柱开采、充填沿空留巷开采、无煤柱自成巷110工法、无煤柱自成巷N00工法,并从工作面布置方式、采掘方式以及通风方式等方面进行了对比分析。另外,主要阐释了无煤柱自成巷N00工法关键技术和工艺,为后续研究奠定了基础。(2)采用理论分析和UDEC数值模拟方法,对N00工法与传统长壁开采条件下采空区“横三区”和“竖三带”进行了分析。分析了无煤柱自成巷N00工法采空区直接顶垮落和基本顶断裂特征,相较于传统开采,无煤柱自成巷N00工法消除了煤柱或充填体对采空区直接顶的影响,从而消除了因留设煤柱或充填体而产生的“松散三角区”,有利于减小瓦斯等有害气体集聚空间。得出传统长壁开采模式下,工作面两侧巷道均垮塌且形成沿工作面中部对称分布的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。而对于无煤柱自成巷N00工法开采,留巷侧顶板由于切缝的存在,切断了顶板岩层的应力传递,使得留巷侧采空区顶板垮落更加充分,在留巷附近形成压实稳定区,采空区内的横三区分布是非对称的。(3)以柠条塔煤矿为例,根据留巷围岩应力及变形分析,得出N00工法采空区后方40m范围内为矸石自由堆积区,该区域采空区多孔介质空隙率和渗透率主要受矸石充填度影响;采空区后方40~160m范围为顶板载荷影响区,该区域主要受垮落矸石的碎胀系数影响;采空区后方160m以外为压实稳定区,该区域矸石被压实,采空区空隙率和渗透率基本保持稳定,由垮落矸石的残余碎胀系数决定。(4)基于采空区矸石垮落和压实特征,构建了无煤柱自成巷N00工法采空区多孔介质空隙率和渗透率数学模型,为进一步研究采空区风流运移规律奠定了理论基础。(5)利用Fluent数值模拟分析了无煤柱自成巷N00工法工作面风流运移规律,得出无煤柱自成巷N00工法主要漏风区域为进风巷与工作面交界隅角以及工作面机尾与留巷交接拐角。其中进风隅角进入采空区的风流将沿着采空区进入深部并流向回风巷,而回风隅角漏风大部分在距工作面后方50m范围内重新流入回风巷,因此,进风隅角处的漏风更具威胁,需要采取措施进行处理。(6)为了研究不同配风量对无煤柱自成巷N00工法工作面风流运移规律的影响,分别模拟了进口风速为0.5m/s、0.8m/s、1m/s、1.2m/s、1.5m/s五种配风量的工作面风流运移特征,得出配风量越大,漏向采空区的风流越多,漏风比越高,同时进入采空区深部的风流也越多,对于采空区自然发火和瓦斯溢出等灾害的防治愈加困难。(7)针对无煤柱自成巷N00工法工作面风流运移特征,提出在进风隅角处挂设风帐或堆砌隔离墙,并对留巷段采取喷浆封闭采空区处理,可以减少采空区后方与回风巷之间的漏风通道,从而减少由采空区深部流入留巷的风量。通过模拟不同长度风帐以及喷浆对工作面风流的影响,得出在工作面悬挂10m风帐联合喷浆的方式对于防止工作面漏风效果最好。通过现场实际观测,减风降压、隅角挂风帐及留巷喷浆对于无煤柱自成巷N00工法工作面防漏风能起到有效的控制作用。
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