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摘要:针对低位放顶煤工作面开采过程中遇到的超前应力集中问题,采取支护、放顶为主,卸压为辅的综合治理技术,合理回收了煤炭资源,提高了开采厚煤层的技术水平,实现了安全生产,保证了矿井的可持续发展。
关键词:瓦斯 低位放顶煤 超前应力
1.矿井概况
云冈矿位于大同市西郊云冈沟内,距大同市区18公里,开采大同侏罗纪煤层,井田南北长13.1公里,东西宽5.75公里,面积59.0003平方公里。矿井开拓方式为立井、斜井混合式开拓,主运输水平为+980米水平,+1030米水平为辅助运输水平。矿井通风方式为分区抽出式。目前井田南部12#层408盘区是我矿主要生产盘区。
1.1. 工作面概况
12#层8824面是我矿低位放顶煤开采的第三个工作面,该面走向长1631m,倾向长152m,煤层厚度为5.3m～7.6m,平均6.6m,煤层倾角2～6度,平均4度。直接顶为灰白色中细砂岩,以石英、长石为主,具有水平层理,含云母及暗色矿物,厚度3.3～31.0米,平均为16.2米,老顶为灰色粉细砂岩互层,矿物成分以石英为主。具水平层理,厚度88.0～116.0米,平均为102.8米,底板岩性为细砂岩,厚度1.45-3.41米,12#层本层与上覆3#层层间距为119米。
工作面采用"五巷制"布置方式,分别为2824巷、2824-1巷、2824-2巷、5824-1巷,5824巷,其中2824巷为皮带巷(进风),掘宽4.6米,掘高3.0米,(沿底掘进),2824-1巷、2824-2巷为工艺巷(进风),掘宽3.5米,掘高2.4米(沿顶掘进),5824-1巷为回风顶巷(回风),掘宽3.5米,掘高2.4米(沿顶掘进),5824巷为运料回风巷(回风),掘宽3.5米,掘高3.5米(沿底掘进)。巷道采用金属锚杆、锚索支护管理顶板。
工作面布置103架ZFS7500/22/35型液压支架,前运输机为SGZ-764/400型一部,后运输机为SGZ880/800型一部,转载机为SZZ-880/220型一部,破碎机PCM-160型一部,乳化液泵GKB-400/31.5两台,胶带输送机SSJ-1200/2*200两部。
1.2. 超前应力集中的显现
8824工作面在开采前440米时,工作面没有出现大面积来压,当推进至距切巷440米时,机轨合一顺槽(2824巷)超前段80米压力增大,巷道局部片帮深度达0.8米,煤顶破碎下沉,下端头漏顶0.6～1米,转载机头附近30米范围巷道底鼓,最大底鼓量高达0.6米。皮带尾扭曲变形,滑道断裂,超前支护的个别单体支柱折断和弯曲,造成工作面停产,无法正常生产。
2.原因分析及治理方案
2.1.原因分析
经过分析认定造成12#层8824工作面超前集中应力剧烈显现的原因,形成如下共识:
第一,本煤层开采深度增加,地压较大。
第二,原采空区8826面靠本工作面侧放顶效果客观上差,顶板悬臂梁较大,传递到本工作面2824巷围岩的支承应力较大,与本工作面开采中的超前应力叠加,形成高度应力集中区。
第三,相邻8826工作面采空时间短,其顶板仍处于活动状态中,影响本面顶板管理。
第四,12#煤层顶板坚硬且性脆,具有积蓄大量弹性能的能力,能量达到极限时或受采空区顶板活动影响而突然释放,对巷道超前部分及工作面端头造成破坏。
第五,机轨巷靠近采空区,且巷道跨度较大,受应力集中破坏程度大。
根据以上分析,应力集中表现为来压迅猛,破坏力大,因此制定方案时先考虑保护巷道及设备不会被损坏,后考虑如何将应力合理地释放,保证行人及设备的安全。
2.2.治理方案
针对以上原因分析,我们采取了以支护和放顶为主,卸压为辅的治理措施,具体如下:
把机轨巷的设备串车超前工作面100米以外放置,机轨巷超前支护范围由原40米增至100米,变双排单体柱为三排,中间一排单体柱穿工字钢梁十字靴,临近采空区侧煤壁超前50米内支对柱。
对12#层2824巷加强支护,在原来的五排锚杆、两排锚索护顶,并有护帮锚杆网的基础上进行全封闭铺网(金属网)并挂锚索钢梁(11#工字钢),炸帮裸露面积大于0.8㎡时必须补打短节工字钢锚索梁。在工作面下出口1#---3#架顶梁处补网挂锚索,保证安全出口畅通。保证行人及通风的要求。
引进支腿式护帮锚索钻机对采空区侧煤壁补打4米的锚索,对煤柱进行固化。(排距1.5米,钢绞线长4米)。
加大顶板预爆破力度,把原顶板炮15米步距缩小一半,靠采空区一侧顶板炮孔深增加5-7米,加大预裂范围。
在皮带顺槽两侧煤壁打卸压孔,孔径108MM,位于工作面一侧孔距1米,孔深10米,采空区一侧孔距1米,孔深7米,在转载机桥身下利用检修班施工卸压槽,释放超前集中应力。
加强工作面矿压监测监控力度,收集和整理资料,总结超前来压规律,搞好矿压预测预报工作。在原三区五线和每个支架安装双针压力表的基础上,又在1#支架上安装一块综采连续记录仪分机,监测端头压力情况。在2824巷超前100米单体支柱上分段安装八块YTL-60圆图自记仪,尤其在转载机头处安装一块单体柱压力数字显示仪,以便转载机司机随时掌握压力情况。
3.效果
通过采取上述措施,在之后的推进过程中,机轨合一顺槽(2824巷)超前来压强度明显减弱,来压瞬时增阻由原来的10-25MPa降低到6-10MPa,来压步距由原来的15-20米增加到20-25米 ,片帮减弱,仅有零星片帮,巷道顶板较完整,底鼓量减少,工作面推进正常。
4.结论
由于在采掘部署上8824工作面2824巷道靠近8826工作面采空区,来压后应力集中显现,对宽断面的巷道造成的损坏相对加大,因此在部署时,应避免工作面宽断面的巷道临近采空区,来压后,首要原则是支护,然后再考虑卸压,本面在支、放的基础上然后卸压,技术方案成功,同时为下一个低位放顶煤工作面的顺利开采及解决超前集中应力问题提供可靠依据,积累了经验,避免了由集中应力引起的安全事故,实现了安全生产,保证了矿井顺利地完成全年的生产任务。
另外,工作面从出现集中应力显现开始,连续7天工作面推进仅7m,实施技术方案后,工作面平均日进达到4m,之后工作面顺利推进785m,安全采出煤量51.7万吨,创造了可观的经济效益。
参考文献:
[1]钱鸣高.矿山压力及其控制[M].北京: 煤炭工业出社,2005.
[2]徐永圻.煤矿开采学[M].徐州: 中国矿业大学出版社,1990.
[3]吴贤振.井巷工程[M].北京:化学工业出版社,2009.
[4](美)R.C.Hibbeler. 材料力学[M]. 北京:电子工业出版社,2006.
[5]范钦珊,薛克宗,程保荣.理论力学[M].北京:高等教育出版社,2009.
作者简介:宣宏斌,男,中共党员,1987年毕业于山西矿业大学,工学学士,高级工程师,现任大同煤矿集团晋华宫矿矿长.
关键词:瓦斯 低位放顶煤 超前应力
1.矿井概况
云冈矿位于大同市西郊云冈沟内,距大同市区18公里,开采大同侏罗纪煤层,井田南北长13.1公里,东西宽5.75公里,面积59.0003平方公里。矿井开拓方式为立井、斜井混合式开拓,主运输水平为+980米水平,+1030米水平为辅助运输水平。矿井通风方式为分区抽出式。目前井田南部12#层408盘区是我矿主要生产盘区。
1.1. 工作面概况
12#层8824面是我矿低位放顶煤开采的第三个工作面,该面走向长1631m,倾向长152m,煤层厚度为5.3m～7.6m,平均6.6m,煤层倾角2～6度,平均4度。直接顶为灰白色中细砂岩,以石英、长石为主,具有水平层理,含云母及暗色矿物,厚度3.3～31.0米,平均为16.2米,老顶为灰色粉细砂岩互层,矿物成分以石英为主。具水平层理,厚度88.0～116.0米,平均为102.8米,底板岩性为细砂岩,厚度1.45-3.41米,12#层本层与上覆3#层层间距为119米。
工作面采用"五巷制"布置方式,分别为2824巷、2824-1巷、2824-2巷、5824-1巷,5824巷,其中2824巷为皮带巷(进风),掘宽4.6米,掘高3.0米,(沿底掘进),2824-1巷、2824-2巷为工艺巷(进风),掘宽3.5米,掘高2.4米(沿顶掘进),5824-1巷为回风顶巷(回风),掘宽3.5米,掘高2.4米(沿顶掘进),5824巷为运料回风巷(回风),掘宽3.5米,掘高3.5米(沿底掘进)。巷道采用金属锚杆、锚索支护管理顶板。
工作面布置103架ZFS7500/22/35型液压支架,前运输机为SGZ-764/400型一部,后运输机为SGZ880/800型一部,转载机为SZZ-880/220型一部,破碎机PCM-160型一部,乳化液泵GKB-400/31.5两台,胶带输送机SSJ-1200/2*200两部。
1.2. 超前应力集中的显现
8824工作面在开采前440米时,工作面没有出现大面积来压,当推进至距切巷440米时,机轨合一顺槽(2824巷)超前段80米压力增大,巷道局部片帮深度达0.8米,煤顶破碎下沉,下端头漏顶0.6～1米,转载机头附近30米范围巷道底鼓,最大底鼓量高达0.6米。皮带尾扭曲变形,滑道断裂,超前支护的个别单体支柱折断和弯曲,造成工作面停产,无法正常生产。
2.原因分析及治理方案
2.1.原因分析
经过分析认定造成12#层8824工作面超前集中应力剧烈显现的原因,形成如下共识:
第一,本煤层开采深度增加,地压较大。
第二,原采空区8826面靠本工作面侧放顶效果客观上差,顶板悬臂梁较大,传递到本工作面2824巷围岩的支承应力较大,与本工作面开采中的超前应力叠加,形成高度应力集中区。
第三,相邻8826工作面采空时间短,其顶板仍处于活动状态中,影响本面顶板管理。
第四,12#煤层顶板坚硬且性脆,具有积蓄大量弹性能的能力,能量达到极限时或受采空区顶板活动影响而突然释放,对巷道超前部分及工作面端头造成破坏。
第五,机轨巷靠近采空区,且巷道跨度较大,受应力集中破坏程度大。
根据以上分析,应力集中表现为来压迅猛,破坏力大,因此制定方案时先考虑保护巷道及设备不会被损坏,后考虑如何将应力合理地释放,保证行人及设备的安全。
2.2.治理方案
针对以上原因分析,我们采取了以支护和放顶为主,卸压为辅的治理措施,具体如下:
把机轨巷的设备串车超前工作面100米以外放置,机轨巷超前支护范围由原40米增至100米,变双排单体柱为三排,中间一排单体柱穿工字钢梁十字靴,临近采空区侧煤壁超前50米内支对柱。
对12#层2824巷加强支护,在原来的五排锚杆、两排锚索护顶,并有护帮锚杆网的基础上进行全封闭铺网(金属网)并挂锚索钢梁(11#工字钢),炸帮裸露面积大于0.8㎡时必须补打短节工字钢锚索梁。在工作面下出口1#---3#架顶梁处补网挂锚索,保证安全出口畅通。保证行人及通风的要求。
引进支腿式护帮锚索钻机对采空区侧煤壁补打4米的锚索,对煤柱进行固化。(排距1.5米,钢绞线长4米)。
加大顶板预爆破力度,把原顶板炮15米步距缩小一半,靠采空区一侧顶板炮孔深增加5-7米,加大预裂范围。
在皮带顺槽两侧煤壁打卸压孔,孔径108MM,位于工作面一侧孔距1米,孔深10米,采空区一侧孔距1米,孔深7米,在转载机桥身下利用检修班施工卸压槽,释放超前集中应力。
加强工作面矿压监测监控力度,收集和整理资料,总结超前来压规律,搞好矿压预测预报工作。在原三区五线和每个支架安装双针压力表的基础上,又在1#支架上安装一块综采连续记录仪分机,监测端头压力情况。在2824巷超前100米单体支柱上分段安装八块YTL-60圆图自记仪,尤其在转载机头处安装一块单体柱压力数字显示仪,以便转载机司机随时掌握压力情况。
3.效果
通过采取上述措施,在之后的推进过程中,机轨合一顺槽(2824巷)超前来压强度明显减弱,来压瞬时增阻由原来的10-25MPa降低到6-10MPa,来压步距由原来的15-20米增加到20-25米 ,片帮减弱,仅有零星片帮,巷道顶板较完整,底鼓量减少,工作面推进正常。
4.结论
由于在采掘部署上8824工作面2824巷道靠近8826工作面采空区,来压后应力集中显现,对宽断面的巷道造成的损坏相对加大,因此在部署时,应避免工作面宽断面的巷道临近采空区,来压后,首要原则是支护,然后再考虑卸压,本面在支、放的基础上然后卸压,技术方案成功,同时为下一个低位放顶煤工作面的顺利开采及解决超前集中应力问题提供可靠依据,积累了经验,避免了由集中应力引起的安全事故,实现了安全生产,保证了矿井顺利地完成全年的生产任务。
另外,工作面从出现集中应力显现开始,连续7天工作面推进仅7m,实施技术方案后,工作面平均日进达到4m,之后工作面顺利推进785m,安全采出煤量51.7万吨,创造了可观的经济效益。
参考文献:
[1]钱鸣高.矿山压力及其控制[M].北京: 煤炭工业出社,2005.
[2]徐永圻.煤矿开采学[M].徐州: 中国矿业大学出版社,1990.
[3]吴贤振.井巷工程[M].北京:化学工业出版社,2009.
[4](美)R.C.Hibbeler. 材料力学[M]. 北京:电子工业出版社,2006.
[5]范钦珊,薛克宗,程保荣.理论力学[M].北京:高等教育出版社,2009.
作者简介:宣宏斌,男,中共党员,1987年毕业于山西矿业大学,工学学士,高级工程师,现任大同煤矿集团晋华宫矿矿长.