東河煤礦2206工作面無煤柱自成巷關鍵技術研究及應用

楊正綱

(太原煤氣化集團有限責任公司 東河煤礦,山西 蒲縣 041207)

近年來,隨著煤炭開采技術及采煤設備自動化水平地不斷提高,我國每年的煤炭產量在全球范圍內占據前列。傳統采煤采用留設煤柱的開采方法,極易造成煤炭資源的浪費,而且還需增加掘進巷道的數量。沿空留巷無煤柱開采技術不僅避免了開采過程中煤炭資源的浪費,還在一定程度上減少了巷道的掘進作業[1]。本文以東河煤礦2206工作面為工程背景,重點研究無煤柱自成巷關鍵技術在該工作面的應用效果。

1 工程概況

太原煤炭氣化(集團)有限責任公司東河煤礦為太原煤炭氣化(集團)有限責任公司下屬煤炭企業,礦井生產能力為90萬t/a,批準開采2號煤層,井田面積13.320 4 km2。

2206運輸順槽上覆巖層依次為9.20 m的泥巖、4.69 m的粉砂砂巖,底板巖層為6.49 m的泥巖。工作面柱狀圖如圖1所示。

圖1 工作面柱狀圖

2 無煤柱自成巷開采技術研究

無煤柱自成巷開采技術在采掘模式和留巷方式上具有先天的優勢,將成為煤炭開采的主流技術[2]。無煤柱自成巷開采與傳統沿空留巷開采的區別如圖2所示。

2-a 沿空留巷開采

2-b 無煤柱自成巷開采

由圖2可知,無煤柱自成巷開采技術與沿空留巷開采技術的主要區別在于:

1)沿空留巷開采盡管取消了區段煤柱,但是增加了人工填充材料,而無煤柱自成巷開采取消了煤柱和巷旁充填,解決了煤柱或巷旁充填集中的問題。

2)無煤柱自成巷開采提升了巷道圍巖的穩定性。

3)無煤柱自成巷開采技術的頂板切縫切斷了采空區與巷道頂板之間的聯系,避免了生產中的跨落物對巷道頂板造成沖擊,進而對巷道圍巖造成損傷[3]。

3 無煤柱自成巷關鍵技術

無煤柱自成巷采煤的關鍵技術為聚能切縫技術,預裂切縫爆破能夠將工作面局部范圍內的應力傳遞阻隔,在一定程度上避免了頂板來壓對工作面的影響,確保巷道的頂板得到有效保護。

3.1 頂板預裂切縫的設計

工作面頂板預裂切縫是基于聚能切縫技術實現的,該工藝具有操作簡單的優勢。在實際生產過程中,僅需將炸藥采用雙向聚能裝置置于預裂線所開的鉆孔中即可[4]。由于采用了雙向聚能裝置,在實際爆破過程中不會對巷道周圍的巖體造成損傷。

根據以往切頂卸壓沿空留巷經驗及《無煤柱自成巷110工法規范》,合理的預裂切縫深度(Hf)設計一般應大于2.6倍采高,即Hf≥2.6Hm。

另外預裂切縫鉆孔深度與采高、頂板下沉量及底臌量有關,一般通過如下方式確定:

Hf=(Hm-ΔH1-ΔH2)/(k-1).

(1)

式中:Hm為工作面采高,m;ΔH1為頂板下沉量,m;ΔH2為底臌量,m;k為碎脹系數,1.3～1.5。

采空區頂板冒落煤矸石碎脹系數取1.35,在不考慮底臌及頂板下沉的情況下,工作面采高Hm為2.1 m時,計算得Hf=7.0 m。綜合考慮上述計算結果及頂板巖性沿走向變化情況,確定留巷順槽里段200 m切頂深度為8 m,剩余225 m順槽切頂深度為7 m。

根據以往經驗,切縫孔位于巷道頂板與正幫夾角處,與水平方向夾角為75°,傾向于回采工作面一側,切縫孔間距為500 mm。切縫鉆孔布置剖面圖見圖3。

3.2 頂板預裂爆破工藝

從工作面切眼位置開始施工定向預裂爆破鉆孔,爆破原理如圖4所示。

爆破鉆孔參數為:間距500 mm,深度7 000 mm,與垂直方向夾角為15°；爆破時,每個爆破鉆孔安設4根聚能管,其中聚能管長度為1.5 m,孔口封泥長度為1.5 m,具體裝藥量及爆破方式根據現場試驗效果確定。為了確保預裂切縫線能夠穩定形成,一般情況下常將爆破方向設定為工作面的推進方向,在巷道完成生產任務的同時完成預裂切縫的爆破任務[5]。

3-a 里段200 m切頂設計斷面

3-b 外段225 m切頂設計斷面

圖4 聚能爆破示意圖

根據相關要求,需要對長度為425 m巷道內預裂切縫采用單孔或者多孔的爆破方式完成,并參考連孔爆破試驗的參數完成對頂板預裂切縫爆破參數的設置。具體爆破預裂切縫的工藝流程如下:

1)將爆破所需的聚能管置于預先設置的爆破鉆孔內,注意應將聚能管置于鉆孔的底部,以確保后續預裂切縫的爆破效果。

2)爆破預裂切縫所采用的炸藥為三級乳化炸藥,爆破前應根據相關試驗結果確定聚能管中所填充的炸藥量。為確保最終的爆破效果,應將三級乳化炸藥通過聚能管底部填充,并按照相關標準要求安裝雷管及引線,將彼此相鄰的聚能管采用專用連接件進行連接,要求每個需要裝炸藥的聚能管安裝對應的雷管。

3)根據相關標準及規范要求爆破鉆孔采用炮泥進行封堵,且炮泥封堵的長度最小為1.5 m。

4)根據《煤炭安全規程》的相關標準要求確定爆破預裂切縫線的安全距離,并按照規范組織爆破。

5)當爆破完成后應組織專人對爆破效果進行驗收,并對現場情況進行監測分析。當現場預裂切縫線的完成率達到75%時,視為此次爆破效果合格。具體實施方法是在爆破前對炮孔進行逐個編號,爆破完成后對炮孔裂縫的狀態和情況進行評估,最后建立對應炮孔的相關檔案。

4 成巷效果分析

將無煤柱自成巷開采技術應用于東河煤礦2206工作面,現場留巷的效果見圖5。

圖5 現場留巷效果圖

如圖5所示,由于無煤柱自成巷采煤技術的應用,東河煤礦2206工作面將工作面輔助運輸順槽保留下來并供相鄰工作面回采使用。

在留巷過程中對2206工作面巷道頂板和底板的移近量、頂板的下沉量以及底臌量進行監測。具體監測監測結果見圖6。

如圖6所示,2260工作面頂底板的移近量值近似為150 mm;頂板的移近量近似約為110 mm;工作面底板移近量為40 mm。

圖6 現場監測數據

5 結束語

綜采設備自動化程度的不斷提升,對煤炭開采技術提出了更高的要求和挑戰。無煤柱自成巷開采技術由于其獨特的優勢將成為煤炭開采的主流技術,加強對無煤柱自成巷采煤技術,尤其是其關鍵技術的研究對提高工作面采煤效率和安全系數具有現實意義。