劉純貴

(1.中國礦業(yè)大學 (北京)資源與安全工程學院,北京 100083;2.華潤煤業(yè)控股有限公司,廣東深圳 518001)

白洞煤礦大采高綜采工作面頂板控制研究

劉純貴1,2

(1.中國礦業(yè)大學 (北京)資源與安全工程學院,北京 100083;2.華潤煤業(yè)控股有限公司,廣東深圳 518001)

白洞煤礦采場頂板中雖然直接頂較松軟,但基本頂巖層為砂礫巖,屬于難控頂板。試采證明:對于大采高綜采,采空區(qū)僅僅采用垮落法控制頂板,往往出現(xiàn)各種基本頂不能正?？迓涞默F(xiàn)象,嚴重制約煤礦的正常生產。在白洞煤礦采取工作面頂板深孔爆破切槽等人工強制放頂措施,并通過現(xiàn)場實踐檢驗,證明可以取得良好的技術效果,提出了適用白洞煤礦的大采高綜采工作面頂板控制技術。

大采高;綜采;頂板控制

1 礦井及工作面基本概況

1.1 礦井概況

白洞煤礦井田面積為 9.85km2,其范圍內共賦存有2號,3號,5號,6號,7號,8號,9號共7層煤,表內儲量為 224.713Mt,可采儲量為85.742Mt。開拓延伸第 1生產水平確定為 930m水平,首先開拓開采上組的 3號和 5號煤層 (2號煤層不可采),其下組 6號,7號,8號,9號煤層待后期開拓開采。上分組首采煤層 3號層尚有可采儲量 11.043Mt、5號煤層有可采儲量 40.506Mt,即上分組煤層有可采煤層為 51.519Mt,占全井田可采總儲量的 60%上。礦井開拓延伸設計生產能力為 900kt/a,設計服務年限為 38.2a,包括下分組礦井服務年限為 63a。

原白洞礦侏羅紀礦井采用雙立井開拓,通風方式為中央并列抽出式。石炭系開拓延深利用原主、副 2個立井,在其井底車場內采用開掘膠帶暗斜井和材料暗斜井,直接延深西風井,在石炭系 5號煤層底板下 930m標高處設置生產水平,首先開拓開采 3號和 5號煤層,實行大巷兩翼條帶前進式布置工作面,在井田中部各煤層內沿東西傾斜方向平行布置 3條煤層大巷,并且上下層巷道重疊布置?，F(xiàn)正在開采的 3號層布置了 1個 301盤區(qū),該盤區(qū)由于受斷層和地面構造的影響在 301盤區(qū)內又布置了3條盤區(qū)輔助巷道。

1.2 工作面基本情況

大采高綜采工作面為白洞煤業(yè)公司 3號層 301盤區(qū) 8106工作面。該工作面井下位于 301盤區(qū)左翼的中部;北部、東部為實煤,南部為 8104工作面,大采高工作面投產時 8104面已采完;西部為本盤區(qū)膠帶、軌道、回風巷。地面位于小南溝東側的山梁地帶,并有小南溝少量的自建房。

從地面往下 320.7m左右為本工作面 3號煤層,與上層侏羅紀 14號煤層間距為 222.5m左右,往下 2.5～7m為 5號煤層。工作面長 181.5m,軌道巷長 1540m,膠帶巷長 1430m,可采走向長度為1036m。煤層厚度最大 5.8m,最小 3.6m,平均4.43m,煤層密度 1.44t/m3,工作面工業(yè)儲量為1.6Mt,可采儲量為 1.137Mt,采出率 95%。

本工作面地質構造簡單,煤層呈一單斜構造,煤層走向為 S30°E,傾向 NE,傾角一般為 1.5°,快到切眼時傾角為 9°,煤層直接頂為 3.15m左右厚的高嶺巖、砂質泥巖,塊狀、似砂狀結構;基本頂為厚 7.3m左右的灰白色砂礫巖,多為石英,并含有燧石,致密堅實。直接底為 1.4m厚的砂質泥巖,塊狀,破碎有植物化石。老底為 4m左右的泥巖,砂質泥巖,有少量云母及植物化石。

8106工作面水文地質較簡單,在掘鄰近巷道時未見大的出水現(xiàn)象。本煤層為低瓦斯煤層,煤塵有爆炸危險,爆炸指數(shù)為 37.01%,煤炭易自燃。

大采高工作面采用雙巷布置方式,巷道沿傾向布置,切眼沿走向布置,兩巷及切眼均采用機掘方式進行掘進。2106,5106巷斷面均為矩型斷面,巷道規(guī)格寬 ×高分別為:5.0m×3.5m和 4.3m× 3.5m,支護方式為錨桿、錨索聯(lián)合支護,兩巷均沿頂掘進。切眼規(guī)格為8.4m×3.8m。

2 8106工作面回采工藝

本工作面采用傾斜長壁后退式綜合機械化采煤法。用自然垮落法結合人工強制放頂控制采空區(qū)頂板,煤層厚度最大 5.8m,最小 3.6m,采高平均4.43m,煤層厚度小于 4.8m時見底見頂開采,大于 4.8m時采高按 4.8 m留底煤開采,循環(huán)進度0.8m。

該工作面選用MG750/1815-G WD型雙滾筒采煤機,雙向割煤,每刀推進 0.8m,端部斜切式進刀,由于采高為 4.43m左右,巷道高度為 3.5m,因而當采煤機割至距兩巷 20m時順坡,以 3°的坡度往起爬,當采煤機割至兩巷時與兩巷的高度保持一致。

生產工藝過程為:斜切入刀→采煤機正常割煤→拉移支架→推移工作面運輸機→斜切入刀。

3 8106工作面大采高綜采頂板控制

采場頂板控制是大采高開采需攻克的關鍵技術之一,通過技術措施,使工作面頂板可控、有序運移,從而確保煤礦開采的順利進行。

大采高開采,因采高增加,采場圍巖運移規(guī)律明顯異于傳統(tǒng)的采場圍巖運移規(guī)律,如經常出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象[1-2]。而這些不良礦壓顯現(xiàn)對開采設備及頂板控制方法提出了全新的要求。

由于工作面采場頂板中雖然直接頂較松軟,但基本頂巖層為砂礫巖,綜合考慮屬難控頂板的范疇,若不采取措施將不能正?？迓?影響生產。所以本工作面頂板采用爆破切槽,人工輔助控制頂板垮落,從而改變頂板巖層結構,使其向傳統(tǒng)的一般采場頂板結構轉化。

據(jù)理論研究預測以及現(xiàn)場試采驗證的情況[3-4],8106工作面采用大采高綜采技術時直接頂初次垮落步距約為 28m,初次來壓步距 45～55m,平均周期來壓步距為 15m,所以確定 8106工作面初次放頂步距為 28m,而周期放頂步距為20m。根據(jù)理論研究以及以往大同礦區(qū)的生產經驗[5]確定放頂具體爆破參數(shù)。

3.1 爆破深孔的布置方式

首先確定放頂孔垂深 H:

式中,M為大采高綜采的采高,m;P為工作面頂板巖層垮落的空隙,0.4m;K為采場覆巖的碎脹系數(shù),取1.3。

頂板標準爆破漏斗的極限抵抗線為:

而最小抵抗線大小為

式中,rb為爆破孔裝藥半徑,32.5mm;p0為爆破裝藥密度,1000g/cm3;m為爆破裝藥的間距和最小抵抗線的比值,取 0.8;q為爆破單位裝藥量,經計算 q為 0.24kg/m3。因w′=rL,按以上兩式計算最小抵抗線為 5.3m?？梢姺彭斂滓税措p層布置,如圖 1、圖 2所示。

圖1 放頂孔的水平布置

圖2 放頂孔的垂直布置

3.2 8106工作面頂板放頂孔角度

如圖 1,8106工作面頂板放頂孔水平角度:

式中,C為爆破孔底與巷道煤壁的距離,m;L′為爆破孔穿過采空區(qū)的水平距離,m;A為爆破孔口和工作面煤壁之間的距離,m;B為工作面支架的支撐寬度,m。計算分析 5個爆破孔的水平角度見表1。

8106工作面的放頂孔垂直角度 (圖 2)由以下兩式計算,結果見表 1。

3.3 8106工作面頂板放頂孔深度

8106工作面頂板放頂孔的深度:

計算結果見表1。

表1 初次放頂和步距放頂參數(shù)

3.4 放頂孔裝藥長度與裝藥量

綜合考慮 8106工作面頂板巖層組成、放頂孔布置,選用炸藥,確定裝藥長度。結果見表 1。

經過采取以上措施,“兩硬”頂板巖層結構減小了破斷矩,頂板巖層結構趨于一般常見的梁式或板式結構,從而降低了來壓強度。

4 現(xiàn)場試驗效果

通過現(xiàn)場人工輔助放頂,8106工作面成功地控制了頂板的運移,頂板來壓強度比采用人工放頂前下降很多。通過對 8106工作面頭、中、尾 3條測線分析可知,工作面中部首先初次來壓,基本頂初次來壓步距較大,平均為 57.8m?；卷?shù)闹芷趤韷翰骄嘁草^大,平均為 19.2m。這從側面說明了頂板的堅硬和完整。大采高綜采工作面上方的懸漏空間顯著加大,工作面上覆巖層形成的大型結構破斷時,給予煤壁很大的作用力,表現(xiàn)為工作面來壓強烈。比較頭、中、尾的來壓強度看出,頭、尾的來壓強度要低于中部的來壓強度,主要因為頭尾的提前放頂,預松動了頂板,使工作面上覆巖層中的應力得以提前釋放,緩解了基本頂?shù)膩韷簭姸?。觀測數(shù)據(jù)見表2。

表2 8106工作面頂板位移觀測數(shù)據(jù) cm

5 結束語

大同石炭紀復合頂板條件下大采高綜采頂板控制技術研究,在現(xiàn)有開采技術條件下,通過 8106工作面的成功開采,證明在老礦井環(huán)節(jié)能力影響的情況下,工作面的月產平均達到了 146.1kt,最高月產為 169.6kt,最高日產為 7.038kt,工作面直接工效平均達到 59.4t/工,最高達到 85.83t/工,達到了高產高效的目的。

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[責任編輯:王興庫]

Roof Control of Full-mechan izedM ining Face with LargeM ining Height in Ba idong Colliery

L IU Chun-gui1,2

(1.Resource&Safety School,China University ofMining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China; 2.Huarun Coal Holding Co.,Ltd,Shenzhen 518001,China)

Although the immediate roof ofBaidongColliery is relatively soft,its basic roof is glutenite and difficult to control.Testmining proved that for full-mechanized miningwith large mining height,if only cavingmethod was used to control roof,itmight result in that all kindsof basic roof could not cave regularly,whichwould restrict regular production.This paper put forward that applying deephole blasting and slotting in roof to artificially caving inBaidong Colliery,whichwasproved bypractice on-the-spot.Itpresented adaptable roof control technology for full-mechanized miningwith large mining height in Baidong Colliery.

large mining height;full-mechanized mining;roof control

TD327.23

A

1006-6225(2010)05-0089-03

2010-07-20

國家自然科學基金資助項目 (50704024);山西省高等學校優(yōu)秀青年學術帶頭人支持計劃。

劉純貴 (1964-),男,山東萊陽人,博士研究生,優(yōu)秀高工,常務副總經理兼技術總監(jiān)。