山西華晟榮煤礦綜放工作面無煤柱開采卸壓切頂成巷可行性分析二〇一六年九月二十七日目錄一、煤礦無煤柱開采的發(fā)展現(xiàn)狀…………………..2二、綜放工作面無煤柱開采問題的提出……….3三、綜放工作面無煤柱開采卸壓切頂成巷施工工藝……3一）、3113工作面運輸順槽地質條件…….3二）、巷道加固及擋矸措施…………………….6三）、爆破預裂切縫及設備配置…………….14四）、工程質量標準及評估標準…………….17四、綜放工作面無煤柱開采卸壓切頂成巷經濟效益分析……………20五、綜放工作面無煤柱開采卸壓切頂成巷實施步驟……22一、煤礦無煤柱開采的發(fā)展現(xiàn)狀我國煤礦無煤柱開采的沿空留巷技術發(fā)展開始于20世紀50年代，主要巷旁支護采用矸石垛、木密集支柱等，且僅限于在薄煤層中應用。到了上世紀70年代，巷旁支護開始采用混凝土砌塊和密集金屬支柱，并應用于中厚煤層。但這些巷旁支護存在支護阻力不夠、可縮性能不匹配、機械化程度低、勞動強度大和采空區(qū)密封性能差等缺點，限制了沿空留巷的使用范圍。上世紀80年代初，原煤炭工業(yè)部為了改變我國在沿空留巷技術方面的落后局面，先后從英國、德國引進了充填材料和充填設備，并在陽泉、開灤、平頂山等礦區(qū)進行了工業(yè)性試驗，取得了較好的效果。同時又組織高等院校、科研單位和生產單位共同進行充填材料和充填設備攻關。經過多年的研究和試驗，到20世紀90年代初，我國充填材料和充填設備已實現(xiàn)了國產化。中國礦業(yè)大學于20世紀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實現(xiàn)機械化構筑護巷充填帶的技術，一段時間代表了沿空留巷技術的世界水平。目前，我國薄及中厚煤層的沿空留巷技術己日趨完善，巷旁支護、巷內支護、加強支護和煤幫加固技術己經成熟。然而，綜放沿空留巷技術的研究和實踐剛剛起步，與之相關的圍巖活動規(guī)律及變形機制、圍巖穩(wěn)定性控制原理及技術等許多問題需要進一步研究。2016年5月27日，中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織中國科學院院士宋振騏、中國工程院院士張鐵崗等13位專家對神南公司檸條塔煤礦、中國礦業(yè)科學協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟共同完成的“厚煤層無煤柱自成巷110二、綜放工作面無煤柱開采卸壓切頂成巷問題的提出華晟榮煤礦自2023年在3104工作面研究推廣小煤柱開采技術，并取得成功。后又在3105、3112、3113工作面推廣均取得了令人滿意的效果。推廣小煤柱開采技術即將原先的每個工作面16m區(qū)段煤柱減少到6m小煤柱，不僅改善了巷道掘進條件，加快了掘進速度，同時減少了煤柱損失，取得了可觀的經濟效益。但是，即使是小煤柱，上、下工作面之間仍然有6m的煤柱損失，而這一煤柱損失，今后無法回收。資源的浪費，十分可惜。要徹底做到無煤柱開采，就是要采用沿空留巷技術。無煤柱開采切頂卸壓自動成巷技術又稱為“110”工法在檸條塔煤礦的試驗成功，給了我們啟發(fā)，就是要把這一技術推廣到綜采放頂煤工作面中，實現(xiàn)綜放工作面卸壓切頂成巷，實現(xiàn)真正意義上的的無煤柱開采。三、綜放工作面無煤柱開采卸壓切頂成巷施工工藝一）、3113工作面運輸順槽地質條件3113膠帶順槽位于三一采區(qū)膠帶巷，回風巷南部，巷道為南北布置，其南為實煤體，北部為三一采區(qū)膠帶、軌道巷，東部為已經回采的3115工作面，西部為3111工作面（尚未掘進）。3113膠帶順槽開口位置在距主斜井煤倉向東38.3m處向正南方向掘進。巷道設計長度1646m，車場設計長度50m。該巷道在地面相對位置在六家村村西。工作面范圍有一洗煤廠，地面標高為925～935m，井下標高為580～640m。工作面設計開采為山西組中下部的3#煤層，煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度為6.1m，煤層傾角為平均為3°20’--6°20’，煤巖類型為半亮～光亮型煤，煤質為3號煤層直接頂板為砂質泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，厚0.86～9.35m。砂質泥巖為灰～灰黑色，中厚～厚層狀，巖相變化大。真密度2702Kg/m3，視密度2684Kg/m3，含水率0.79％，自然抗壓強度14.7MPa，為軟巖。軟化系數(shù)0.66，為軟化性巖石。粉砂巖為灰黑色，中厚層狀。真密度2687Kg/m3，視密度2665Kg/m3，含水率1.05％，自然抗壓強度13.7MPa，為軟巖～半堅硬巖。軟化系數(shù)0.39，為軟化性巖石。老頂為中～細粒砂巖，厚2.55～16.50m，巖相變化大。真密度2657Kg/m3，視密度2640Kg/m3，含水率0.29％，為半堅硬巖～堅硬巖。3號煤層直接底板為砂質泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，厚0.30～6.31m。砂質泥巖為灰黑色，中厚層狀，真密度2682Kg/m3，含水率0.57％，自然抗壓強度10.7MPa，為軟巖。軟化系數(shù)0.43，為軟化性巖石。粉砂巖為灰～灰黑色，中厚層狀。真密度2695Kg/m3，視密度2673Kg/m3，含水率0.74％，自然抗壓強度20.3MPa，為軟巖。軟化系數(shù)0.59，為軟化性巖石。老底為灰色中厚～厚層狀細粒砂巖，厚1.05～4.83m，巖相變化大。為半堅硬～堅硬巖。3113運輸順槽巷道在掘進過程中無老巷及采空區(qū)積水影響，充水因素主要為3號煤層頂板砂巖孔隙及裂隙含水層，主要出水水源為打設錨索頂板出水及底板少量滲水，涌水量為0～5m3／h。礦井為低瓦斯礦井，據資料顯示，實測3113車場、3113運輸順槽掘進過程中的瓦斯?jié)舛葹?.1%。根據山西省煤礦安全裝備技術測試中心報告：該煤樣的吸氧量為0.9235m3/g，自然傾向性為Ⅲ級，不易自燃。3號煤層煤塵具有爆炸危險性。本地區(qū)地溫正常區(qū)，地恒溫帶深度20—40m，溫度15.℃左右。3113綜放工作面運輸順槽平面圖見圖1。圖13113工作面運輸順槽平面圖3113工作面運輸順槽煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖見圖2。圖23113工作面運輸順槽煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖二）、巷道加固措施及擋矸措施3113運輸順槽切頂卸壓自動成巷技術施工主要工藝流程：恒阻錨索超前加固支護→施工切縫鉆孔→沿設計切頂線爆破預裂切縫→巷道負幫加固支護→留巷段加強支護及擋矸。（一）、巷道加固支護及擋矸措施根據切頂卸壓沿空留巷技術的特點及3113綜放工作面的具體條件，3113工作面運輸順槽加固支護措施主要分為三段：一是井下運輸順槽超前支護措施，即采用恒阻錨索對巷道頂板進行超前加固支護，對巷道負幫用普通錨索加固支護；二是井下3113運輸順槽留巷段架后0～100m范圍，采用“單體液壓支柱+11#礦用工字鋼”對巷道進行加固支護及擋矸；三是井下運輸順槽留巷段架后100～300m范圍，采用11#礦用工字鋼對巷道進行加固支護及擋矸。1、恒阻錨索加固支護措施1）、恒阻錨索加固支護相關參數(shù)設計為了防止切頂過程中和采空區(qū)頂板周期來壓期間留巷段頂板失穩(wěn)或冒頂，采用恒阻錨索對巷道進行超前支護。恒阻錨素直徑為21.8mm，長度10000mm，恒阻值為33t±2t，恒阻器直徑為65mm+3mm，恒阻器長度為500mm，恒阻錨索間排距為500mm×800(1600)mm，預緊力為28t。恒阻錨索距切頂線為300mm，切頂線距離巷道正幫為200mm?？拷ぷ髅婷罕趥群阕桢^索相鄰三根沿巷道走向采用18#槽鋼連接。槽鋼加工圖見圖３。圖３槽鋼加工圖采用恒阻錨索超前加固巷道支護、巷幫加固支護如圖4、5所示。2）、恒阻錨索施工工藝（1）井下3113運輸順槽共設計兩排恒阻錨索，間排距500mm×800(1600)mm，靠近工作面煤壁側恒阻錨索距切頂線為300mm，距煤壁500mm。恒阻器恒阻値33t±2t。（2）鉆孔施工:嚴格接照預先點設的眼位，采用φ28mm金剛石復合片鉆頭施工鉆孔，鉆孔直徑28mm，恒阻錨索外露長度為150～250mm；鉆孔施工完畢后，采用直徑75mm的專用擴孔鉆頭，將導向桿放入己鉆好的小孔內連接鉆機進行擴孔(小孔與大孔須同心)，擴孔深度500mm。（3）打恒阻錨索眼孔夠深時鉆機要反復升落2～3次，以便把眼孔內的碎煤沖洗干凈。（4）恒阻錨索錨固長度一般不小于＿m，批量安裝前應做錨固力測試，必須保證恒阻錨索錨固力不小于450KN(45t)，否則將影響使用效果。每根恒阻錨索使用＿根＿錨固劑，通過一根600mm長的PVC導管將錨固劑送入小孔內，用鋼絞線頂錨固劑至眼底，然后撤下導管，用錨索鉆機邊推進邊攪拌，攪拌時間15～20s后停止攪拌，等待2～3min(具體攪拌時間和凝固時間以實際使用的錨固劑型號為準)后撤下鉆機。一般情況下，恒阻錨索外露150～250mm為宜，考慮現(xiàn)場施工條件，在滿足恒阻錨索要求的前提下，可以減少恒阻錨索外露長度，防止支架對恒阻錨索造成破壞。（5）預緊力施加：恒阻錨索鋼絞線錨固完成后，分別將300×300×16mm托盤和槽鋼、恒阻器通過外露的恒阻錨索鋼絞線穿進去，然后把恒阻器推入錨孔內，恒阻器托盤貼緊煤壁，然后把專用鎖具穿過恒阻錨索鋼絞線，鎖具外錨環(huán)與恒阻器中恒阻裝置貼緊，放好夾片，然后用恒阻錨索張拉機夾持恒阻錨索鋼絞線進行張拉，張拉力值達到28t應停止張拉。最后卸載，預緊力應控制在280KN(28t)為驗收標準，撤下張拉機，完成安裝。待放炮距離超過20m后，為補償爆破震動引起的預緊力損失，實施2次預緊，預緊力亦必須達到28t以上。2、巷道負幫加固支護為了防止切頂過程中和采空區(qū)頂板周期來壓期間留巷段巷道負幫失穩(wěn)或出現(xiàn)巷幫鼓出，采用幫錨索對巷道幫進行超前支護。錨索直徑為17.8mm，長度6000mm。錨索間距為1600mm，預緊力為10t。錨索距頂、距底板距離為1600mm，位于巷幫中部。錨索的抗拔力為24t。圖4巷道斷面支護示意圖a---俯視圖b---側視圖圖5巷道斷面平面支護示意圖3、工作面采空區(qū)內留巷段巻道支護及擋矸措施1）、井下軌道順槽留巷段架后0～100m范圍內巻道加固及擋矸措施3113運輸順槽順槽留巷段在液壓支架后0～100m范圍內，采用“單體液壓支柱+11#礦用工字鋼”進行巷幫支護和擋矸。巷道斷面共設計四排單體支柱，靠近切縫側單體支柱配合有11#礦用工字鋼進行擋矸支護，間距800mm，11#礦用工字鋼高度3200mm，間距800mm，與單體支柱間隔布置，并采用8#鉛絲將φ6mm、網格為100×100mm冷拔筋網(長3m×寬1.0m)固定于單體支柱和11#礦用工字鋼上，該網主要用于擋小塊矸石。巷內設計有三排單體支柱，柱距800mm，排距800mm。巷道支護及擋矸設計如圖6所示。擋矸支護側視圖如圖7所示。圖6留巷段架后0至100m范圍巷道斷面支護布置圖圖7留巷段架后0至100m范圍巷道斷面支護側視圖2）、順槽留巷段架后超過100m范圍巷道加固及擋矸措施3113運輸順槽留巷段架后超過100m范圍，在礦壓不大，頂板垮落充分、巷幫充填完整的條件下，回撤巷道內單體液壓支柱支護，只采用11#礦用工字鋼進行巷幫支護和擋矸，11#礦用工字鋼間距為800mm。巷道斷面支護如圖8所示。圖83113運巷留巷段架后超過100m范圍巷道支護斷面示意圖三）、爆破預裂切縫及設備配置（一）爆破預裂切縫1、爆破預裂切縫設計1）、根據巷道現(xiàn)場條件及切頂卸壓沿空留巷技術特點，確定巷道切頂孔距離巷道正幫為200mm(即切縫線距離巷道正幫為200mm)，切頂孔直徑為48mm，切頂孔與鉛錘方向成15°，切頂孔孔深8000mm，孔間距為800mm，每排1個切頂孔。2）、頂板恒阻錨索+槽鋼加固后，由于恒阻錨索距切縫線距離較小，巷道頂板切縫側在恒阻錨索的作用下形成一個固支結構，巷道頂板另一側在煤體的支撐下也是一個固支結構，則巷道頂板在斷面內就是兩端固支的穩(wěn)定結構，不會因頂板形成短臂梁造成頂板斷裂事故。因此，頂板恒阻錨索+槽鋼加固后，在保證恒阻錨索超前加固支護≥20m的前提下，按設計參數(shù)施工切頂孔，沿工作面推進方向，依次采用聚能管裝藥的方式進行預裂爆破，形成切頂卸壓預裂切縫線。3）、雙向聚能管外徑為42mm，內徑為36.5mm，管長1500m。4）、聚能爆破采用二級煤礦乳化炸藥，炸藥規(guī)格為φ32mm×200mm/卷。5）、根據井下3113運輸順槽頂板巖性分析，擬采用以下爆破參數(shù)進行實驗，最終的爆破參數(shù)需根據現(xiàn)場實驗效果確定。聚能管捅到孔底，孔口用炮泥封孔，裝藥量及封孔長度如圖9、表1所示。圖9切縫炮孔間距及試驗方案設計表1爆破預裂切縫試驗方案參數(shù)表編號聚能管（m）裝藥量（卷）重量(g）封泥長度(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、施工工藝說明及要求1）、切頂孔經檢驗合格后進行爆破預裂切縫，采用不耦合裝藥，正向爆破。2）、現(xiàn)場爆破使用礦用安全乳化炸藥，外徑φ32mm，長200mm。3）、每個切頂孔在裝藥前，先在巷道內按照爆破裝藥設計參數(shù)從孔底聚能管開始連續(xù)裝藥并安設雷管和引線，然后將引線穿過第二根聚能管，并將第二根聚能管與第一根聚能管用連接件連接，然后在第二根管內開始連續(xù)裝藥并安設引線，重復按照上述方法，依次完成全部聚能管裝藥。要求每個聚能管內采用連續(xù)裝藥，每個聚能管設置一個雷管。4）、炮孔封泥封孔前，采用聚能爆破定向桿調整聚能管切縫方向與切頂線一致，調整完畢方可用封泥封孔。5）、爆破時躲炮距離不小于100m，躲炮時間不少于15分鐘。6）、施工地點設備保護：爆破點往前10m，爆破點往后10m，總長度不小于20m。7）、爆破點附近的管路、電纜、開關采用半圓木或木板、膠帶進行裹蓋，以防崩壞。8）、每次切頂爆破聚能孔的個數(shù)為20個。（二）、爆破預裂切縫設備配置1、設備選型爆破預裂切縫設備主要由切縫鉆機、錨索張拉機、錨索鉆機及供電、供液設備等組成。設備選型著重考慮設備的生產能力、技術指標、適應性、可靠性、安全性、經濟性、配套性等因素。根據設計生產能力及其地質條件，選用設備。1）、切縫鉆機：選用山東兗州黑豹公司的QZ45切頂鉆機兩臺。2）、錨索張拉機：選用北京巧力科技有限責任公司T022-500/63(含QLBQ，1.2×63氣動泵、QLT22-500/退錨/張拉器，該型號退錨、張拉兩用，張拉力500KN)錨索張拉機2臺。3）、錨索鉆機：選用濟寧年潤工礦機械的MQT130/32錨索鉆機4臺。另選用礦壓監(jiān)測系統(tǒng)一套(含工作面支架壓力監(jiān)測儀、頂板離層儀、錨索載荷監(jiān)測儀、錨索變形量監(jiān)測儀、頂?shù)装逡平勘O(jiān)測儀)。2、設備的主要性能及其技術特征表2切縫鉆機的主要性能及其技術特征表類型材料切縫聚能管BTC-1500，長1.5m，外徑42mm，內徑36.5mm二級煤礦乳化藥卷，直徑32mm，長200mm恒阻錨索加固恒阻器HZS35-300-0.5，直徑63+3mm。配合直徑21.8恒阻錨索使用恒阻器擴孔鉆頭MS-SY75錨索張拉機TQ22-500/63(含QLBQ1.2×63氣動泵、QLT22-500退錨/張拉器，該型號退錨張拉兩用，張拉力500KN）托板（300×300×16mm）槽鋼（長2m，眼距0.8m）監(jiān)測設備礦用本安型頂?shù)装逡平勘O(jiān)測儀YHU200頂板離層儀DWG-5LBY-3（2.5m，10m）錨桿（索）測力計礦用本安型壓力傳感器表3QZ45型切縫鉆機主要技術特征表名稱參數(shù)名稱參數(shù)整機長度2.4m主油泵力士樂95ml變量柱塞泵整機寬度0.7m液壓系統(tǒng)壓力16Mpa整機高度2.3m（不含鉆機1.3m）鉆機扭矩300Nm裝機功率45Kw一次鉆深1400mm整機重量4.5t成孔直徑48mm接地比壓0.1Mpa鉆機調整角度平面10°垂直360°爬坡能力±18°適用巷道高度2.4—3.1m四）、工程質量標準及評估標準1、工程質量標準錨孔：鉆孔深度：±100mm；擴孔深度：500mm±50mm；鉆孔直徑28mm；擴孔直徑：75mm+3mm；角度：±5°。恒阻錨索：間排距：±100mm；錨固長度：≥1500mm；錨固力：≥45t；預緊力：30t±2t，錨固后恒阻錨索外露長度：150～250mm。評估指標還應包括恒阻錨索編號、安裝時間等。切縫炮孔：切縫炮孔成孔后，預裂爆破前，鉆孔編號，鉆孔自動成像儀探測成孔效果、孔內巖性及裂隙情況。2、評估標準角度誤差率(包括垂直切縫面方向和平行切縫面方向)：K1=（a設計-a實際）/a設計≤l0%；平直率：K2=L坑洼/L鉆孔≤10%。評估指標還應包括鉆孔編號、時間、距工作面距離、恒阻錨索超前支護距離（≥20m）、孔口中心距切縫基準線距離（巷幫側為負，另一側為正：±50mm）、實際孔深±100mm、角度、間距（±50mm）、巖性分布等。爆破預裂切縫前安裝聚能管時，要利用專用定向器和固定器將聚能管固定在孔內，要求最下方(孔口方)為起爆藥卷。爆破預裂切縫后，使用防爆相機對巷道表面照相，檢測裂縫表面聯(lián)通情況；鉆孔自動成像儀內部探測，檢測定向預裂縫孔內擴展情況。表面裂縫率：K3=L表面裂縫/L孔間距≥90%，孔內裂縫率：K4=L孔內裂縫/L鉆孔≥90%。半眼率：K5=N半眼率孔數(shù)/N孔數(shù)≥85%。架后到完全垮落處距離：K6≤20m。支架受力集中系數(shù)：K7=P頂板破斷極眼力/P平時受力∝1。評估指標還應包括聚能管安裝數(shù)量及長度、裝藥方式、炮泥填塞長度(0.5～1.5m)、炮泥填塞位置、表面左裂縫長度、表面右裂縫長度、孔內裂縫段(110工法中，切縫炮孔孔內位置描述為：沿炮孔中軸線，以孔口為起點，向上逐漸増大)、無裂縫段等。四、綜放工作面無煤柱開采卸壓切頂成巷經濟效益分析經濟效益計算包括多回收煤炭創(chuàng)造的效益、少掘進巷道產生的效益以及需要留設巷道增加的投入三個方面。1、3113運輸順槽沿空留巷多回收煤炭可獲得的經濟效益：１）、多回收煤炭：Q=L×b×h×γ×η=1230×6×6.1×1.37×0.85=52423t=5.2423萬噸式中：L：沿空留巷長度，m。b：沿空留巷多回收煤柱寬度，m。h：沿空留巷所在工作面煤層厚度，m。γ：3號煤容重，γ=1.37t/m3。η：工作面回收率，η=0.85。２）、直接經濟效益按照2023年9月份實時原煤售價535元/t計，噸煤成本200元/t計，噸煤可獲得利潤335元，合計可獲得經濟效益：J1=Q×j1=5.2423×335=1756.17（萬元）式中：J1：沿空留巷多回收煤炭獲得的經濟效益，萬元。Q：沿空留巷多回收煤炭，萬噸。j1：噸煤利潤，335元/噸。2、3113運輸順槽沿空留巷少掘進巷道可獲得的經濟效益：J2=L×j2=1300×6000=7800000（元）=780（萬元）式中：J2：少掘巷道節(jié)約的掘進費用，萬元。j2：掘進巷道每米單價，6000元/米。3、3113運輸順槽沿空留巷加強支護，切頂卸壓等增加的費用：J3=L×j3=1230×3000=3690000（元）=369（萬元）式中：J3：留巷費用，萬元。j3：每米留巷成本，3000元/米