周立超,臧传伟,张晨曦,谢 帅,席俊辉
(山东科技大学 矿业与安全工程学院,山东 青岛 266590)
倾斜煤层综采沿空留巷技术探讨与应用
周立超,臧传伟,张晨曦,谢 帅,席俊辉
(山东科技大学 矿业与安全工程学院,山东 青岛 266590)
针对长沟峪煤矿15槽2壁综采工作面采用沿空留巷工艺所存在的巷道围岩变形严重和支护体损坏的问题,提出采用切顶卸载技术。通过对锚索切顶和爆破切顶进行数值模拟对比分析,结果显示爆破切顶卸载技术在控制巷道变形、减少覆岩对巷旁支护体的压力方面具有明显的优势。研究成果在现场实际工程中成功实施,有效地控制了沿空留巷的围岩稳定性。
综采;沿空留巷;切顶卸载;爆破切顶
Discussion and Application of Gob-side Entry Retaining in Fully-mechanized Caving Face with Inclined Coal Seam
沿空留巷是无煤柱开采的重要技术之一,有利于矿井安全生产和改善技术经济效益,符合绿色采矿、科学采矿的发展方向[1-4]。
沿空留巷在综采工作面的应用,具有巷道掘进量少、劳动强度低、开采工艺简单的优点,缓解了采掘接替矛盾,取消了孤岛工作面及缩短搬家时间,提高了开采作业效率[5]。因此,随着沿空留巷技术的发展,其在综采工作面也得到了较好地应用和发展。邱集煤矿采用新型高水材料构筑巷旁充填体加锚栓、钢带沿空留巷技术取得了较好的效果[6];城山煤矿 145工作面在巷道内采取锚杆、钢带配锚索支护加编织袋码墙方法进行沿空留巷,取得了满意的效果[7];淮北岱河矿Ⅲ3215工作面机巷巷旁采用了工字钢密集支柱及矸石(碎煤)带联合支护,取得了良好的技术、经济效果[8]。
长沟峪煤矿随着开采深度增加,巷道地应力的增大,巷道处于复杂的应力环境中,巷道两帮移近与底鼓量增加,巷道维护十分困难。如果巷旁支护更换为强度和可缩性大的支护材料,支护成本和支护工序的复杂性大大增加,既不经济也不现实。因此,长沟峪煤矿安子采区北二北15槽2壁工作面采用更为经济有效的切顶卸载沿空留巷技术,通过改变留巷顶板的结构,以达到减少巷道围岩变形的效果。
杨译:...who pass on the truth and dispel ignorance.[5]151
平台所采用的安川SGDV伺服器可以通过配套软件读出电机的实时转速与转矩数据,采样时间间隔为0.001 s,将采样转速与转矩对应的电流值代入式(8)和式(9)计算能耗值,然后根据计算值做插值,可得电机输入电能趋势如图6所示;用实验数据验证表示机械功的式(10),结果如图7所示。从图6和图7中可以看出,以两种能量参数为指标的轨迹优化结果相同。根据实验值所得能耗趋势图可以看出轨迹能耗变化趋势与仿真图一致,则可以确定轨迹的最优参数。
图1 地层柱状
1.2 采煤方法和工艺
15槽2壁邻近采区开采情况:工作面上部一壁正在回采;下部三壁运输巷正在掘进;右面未进行采动,左面-140m水平北二北3反眼上部15槽正在回采。采区准备开采的15槽为单一煤层,开采程序为沿倾向由上向下,沿走向从北向南的顺序开采。工作面落煤利用采煤机螺旋滚筒截割落煤,运煤采用SGB730/160型刮板输送机。工作面采用ZJ3600/15/36型急倾斜支撑掩护式液压支架支护工作面顶板,最大控顶距为4.94m,最小控顶距为4.34m,端面距0.34m。上下端头使用单体柱加铰接顶梁支护顶板。采用自然垮落法管理顶板,放顶步距为0.6m,即采空区顶板随支架前移自行垮落充填。
2.1 沿空留巷巷内基本支护
研究表明,沿空留巷应综合考虑巷内支护和巷旁支护的共同作用。沿空留巷要经历掘进及2次采动的强烈影响,沿空留巷围岩具有变形量大、维护周期长、破坏范围大的特点,如何提高围岩强度,并正确选择支护方式是保证留巷成功的关键。长沟峪煤矿根据留巷围岩岩性情况,为保证留巷断面满足2次回采要求,确定15槽2壁采用锚杆+金属网+钢筋梯+锚索+金属摩擦支柱联合支护方式。巷内基本支护效果如图2所示。
图2 巷内基本支护效果
获奖的这枚腕表是一枚计时码表,不同的是,腕表的两个码表按钮分别设置在了10点和2点钟位置。日期也采用了中央指针指示,乍一看仿佛是一枚高复杂的双追针计时码表。
金属锚杆:锚杆杆体采用φ18mm的螺纹钢,锚杆长度1800mm,采用K2350型树脂锚固剂(每眼1卷)。托盘为150mm×150mm,厚度6mm的蝶形托盘,锚杆钻孔为φ28mm,锚杆眼深度1700mm。
还有颜真卿师父,大家觉得他很古板,书法课也很没意思,除了描红,就是描红,依葫芦画瓢,又排在春日迟迟的下午,一般的弟子能逃课,就会逃课。找到理由是要去帮工部修机关啊,帮藏药部晒个药啊,帮图部整理书籍啊,帮酒坊糖坊干活啊,为厨房捞鱼摸虾啊,心疼脑热啊谁也免不了,自己去采药配个方子什么的,实则是与心上人去逍遥林散个步,三星望月去看夕阳,晴昼海去摘花,落星湖去摸鱼。
钢筋梯:钢筋梯用φ12mm钢筋棍焊接而成,顶板支护钢筋梯长度依巷道上宽而定,孔的规格为90mm×90mm。两帮支护所用钢筋梯长度视煤壁高度而定,孔的规格为90mm×90mm。
塑料网:煤壁松软地带使用树脂锚杆加塑料网加钢筋梯的联合支护可有效防止煤壁片帮,塑料网规格为1000mm×2000mm,网孔不得大于50mm×50mm。
巷道顶板锚杆确定为每排6根,锚杆间、排距为1000mm×1000mm。
金属网:金属网用φ6mm钢筋棍焊接而成的钢筋网,网孔不得大于100mm×100mm,钢筋网规格为1000mm×2000mm。
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如遇到留巷巷道顶板破坏时,除保持加强支护与防溜矸措施外,在破坏顶板部位按间排距2000mm布置5000mm长的锚索,并挂金属网。沿空留巷支护示意如图3所示。
防溜矸措施:倾斜煤层沿空留巷支护应考虑采空区冒落矸石下窜所带来的危险。密集支柱具备阻挡矸石下溜的情况,但为防止矸石下溜时冲击支柱,选择使用当地材料灌木稍子成捆固定在支柱靠采空侧,用于做缓冲作用并阻挡矸石溜入巷道。
超前支护:沿空巷道上帮侧采用单体柱加柱帽支护,柱帽使用12号铁丝绑在柱头上,柱距4根/m;下帮侧采用单体柱挂铰接梁支护,一梁一柱式,正悬臂,单体柱打在铰接梁的5,7牙上,排距1.2m;上下帮支柱行距2.0m,超前支护不少于25m;当巷道顶板破碎时,在上下帮两排单体柱之间补打带帽点柱,柱帽使用12号铁丝绑在柱头上。
图3 沿空留巷支护示意
2.3 切顶卸载技术方案
切顶卸载是指通过采取不同的技术措施将沿空留巷采空区侧的顶板切落下来,以达到切断采空区内的悬顶和避免后期采空区来压时对留巷稳定性的影响。切顶卸载技术根据切顶措施的不同可分为被动切顶和主动切顶两类[9]。被动切顶是指在巷道顶板来压时,巷旁支护体提供一个较大的切顶阻力,使采空区侧的顶板切落下来;主动切顶是指沿巷道采空区一侧预先爆破预裂顶板,在矿山压力作用下使顶板切落下来。根据长沟峪煤矿地质条件及两种切顶卸载技术原理,在巷内基本支护相同的前提下,拟采用以下2种切顶卸载沿空留巷方案:
从理论分析的角度来看,2种切顶方案都能达到直接顶切落,减轻巷内和巷旁的支护阻力,减轻巷道变形的效果。为进一步验证方案的可行性,针对长沟峪煤矿北二北15槽2壁的实际地质条件、沿空留巷的巷道尺寸及巷道支护参数,采用离散单元程序UDEC进行数值模拟分析。
方案1:巷旁顶板锚索切顶,其属于被动切顶方法。即在15槽2壁工作面留巷巷道采空区侧施工一排长锚索,在锚索切顶面上形成较大的拉应力和剪应力,使悬露的直接顶及时切落下来。根据留巷巷道在采动影响下顶板破坏范围与采场顶板冒落带高度的计算以及锚索悬吊理论,选择锚索长度6m较合适。
在电力调度监控系统的构建时,出于其多个监控中心局域网并行特点的考虑,要实现监控系统支持全IP组网与多级组网,以此满足电力各级部门对图像监控的不同需求,使得操作平台的工作方式更贴近电力行业垂直管理模式和电力系统管理的实际需求。
方案2:巷旁爆破切顶,其属于主动切顶方法。即在留巷巷道上帮的顶板超前工作面施工预裂爆破孔,采用聚能爆破预裂技术[10]形成弱面,使采空区悬露顶板切落下来。预裂爆破深度,考虑顶板垮落后能够完全充填采空区,经计算选取炮孔深度6.5m。
切顶卸压沿空留巷方案见图4。
图4 切顶卸压沿空留巷方案
3)小麦生长中后期强降雨伴随大风天气往往造成倒伏[8]。 2017年 4月 8~9日,襄阳市襄州区降雨量达到45 mm以上,并伴有大风,最大风力达到12.8 m/s。强降雨伴随大风天气是造成此次小麦严重倒伏的主要外部因素。
3.1 数值计算模型建立
2.2 沿空留巷巷内加强支护
采用UDEC 4.0二维计算模型,初始模型如图5所示。模型的长度120m,垂直高度70m。模型的两侧和底部边界条件采用位移固定边界,上部边界施加垂直应力为上覆岩层总重力21MPa,本构关系采用莫尔-库仑定律。模型中各主要岩层厚度、岩性以及力学参数见表2。
图5 初始模型
岩石名称密度/(kg·m-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa内摩擦角/(°)砾岩29007.85.65.6045粉砂岩26004.63.66.844715槽煤层18002.21.62.8545粉砂岩27004.73.98.604614槽煤层18002.21.62.8545粉砂岩27004.73.98.6046
3.2 计算结果分析
长沟峪煤矿安子采区北二北15槽2壁地面标高+740~+860m,位于碴石沟以北160m范围,地面没有建筑物设施。工作面长183~199m,平均长191m。工作面宽81~89m,平均宽87m。煤层倾向在114~140°之间,倾角23~40°,平均32°,煤质松软易塌冒、片帮,并局部伴有煤炮现象。煤层厚度在0.8~3.8m之间,平均厚度2.5m,赋存状态不稳定。具体岩性如图1所示。
熟练的口语会话能力对志愿者服务效果的重要性可谓是不言而喻。在受访的104名志愿者中,仅有15.3%的同学对自己的英语口语会话能力表示满意或十分满意,而一般和不满意则占据了84.6%。在访谈中,3名本科同学表示自己的听说会话能力相对于阅读识别能力较弱,只能进行一些句式词汇简单的日常交流,长句或者大段的表达显得十分吃力。另外两名研究生志愿者认为即使通过参加英语考试、兼职活动积累了一些口语表达经验,但要完全胜任与外国友人密切交流的英语服务岗位也有不小的困难。
在原巷道基本支护相同的前提下,模拟不同切顶方案的沿空留巷支护效果。第1种方案为不采取切顶措施的完整顶板;第2种方案采用UDEC中的锚索结构单元模拟锚索切顶;第3种方案采用NULL模型模拟预裂爆破孔模拟爆破切顶。不同方案沿空留巷受力及变形量见表3,3种方案模拟留巷效果见图6。
表3 不同方案沿空留巷受力及变形量
如图6所示,当不采取切顶措施时(见图6(a)),在巷道采空区侧的直接顶呈倒台阶式的悬臂梁状态,所留巷顶板受悬臂梁的旋转而产生挤压应力,巷道顶板垂直压力为24.3MPa,顶底板移近量为453mm,巷道变形严重;当采取锚索切顶卸压时(见图6(b)),顶底板移近量与顶板垂直压力分别降低了24.2%和7.4%,巷旁单体支柱与顶板锚索共同作用直接顶,所给切顶阻力并未达到完全切顶的阻力,仍会对所留巷道支护产生不利影响;当采用预裂爆破孔卸压时(见图6(c)),顶底板移近量与顶板垂直压力分别降低了50.5%,20.9%,留巷采空区侧直接顶沿预裂爆破形成的弱面完整切落下来,有利于巷道的维护。
图6 3种方案模拟留巷效果
综合上述分析,方案2和方案3都起到了一定的切顶卸载作用,通过数据对比分析,方案3在控制巷道变形、减少覆岩对巷旁支护体的压力方面具有明显的优势。
结合数值模拟分析,在长沟峪煤矿安子采区北二北15槽2壁留巷巷道实施巷旁密集支柱+预裂爆破孔切顶卸载的沿空留巷支护技术。加强支护单体密集支柱为4根/m,柱间距为0.25m。在留巷的上帮巷旁顶板距上帮0.2m处,间距0.6m与顶板成50°角爆破切顶,炮眼孔深为6.5m、装药系数为0.6,炮泥装填系数为0.4。为了观测巷道的变形量与顶板压力,在回采工作面后方分别布置单体记录仪和KY-82型顶板动态仪,对留巷顶底板移近量和加强支柱的承载力进行观测,以研究切顶卸载预裂爆破的应用效果。如图7所示,从观测数据中可发现,巷道总体变形较小,沿空巷道总体变形为227.27mm,布置在工作面后方的3个测点在观测期支柱压力基本保持在15~28MPa之间,但压力起伏比较大,在8月初出现过一次极端高点33MPa,而进入8月份中、下旬后支柱受力很平稳,基本保持在18~24MPa之间。工程实践留巷效果如图8所示。方案3在长沟峪煤矿成功实施,不但为矿井安全生产提供保障,同时也创造了较好的经济效益。多回收煤炭资源17kt以上,创造经济效益1124万元以上。
图7 沿空留巷围岩变形及顶板压力监测
图8 沿空留巷效果
通过对北京昊华能源股份有限公司长沟峪煤矿安子采区北二北15槽2壁倾斜煤层综采工作面沿空留巷技术的探讨与应用,得出以下主要结论:
(1)运用离散元数值模拟软件UDEC对锚索切顶和爆破切顶进行数值模拟分析,通过3种方案的留巷效果、顶底板移近量和顶板垂直压力的对比,爆破切顶方案顶底板移近量为224 mm,减少50.5%,顶板垂直压力为19.4MPa,减少19.2%,在控制巷道变形方面具有明显的优势。
鳴鍾擊鼓,遊行乾坤,收捕逆鬼,摧斬魔群。(《太上說玄天大聖真武本傳神咒妙經注》卷四,《中华道藏》30/558)
(2)结合工程实际条件,确定爆破切顶技术方案:在留巷的上帮巷旁顶板距上帮0.2m处,间距0.6m与顶板成50°角爆破切顶,炮眼孔深为6.5m、装药系数为0.6,炮泥装填系数为0.4。爆破切顶卸载技术在长沟峪煤矿安子采区北二北15槽2壁巷道留巷中成功实施。
(3)对巷道的围岩变形量与顶板压力进行了监测,沿空巷道总体变形较小,为227.27mm,支柱受力平稳,基本保持在15~28MPa之间。爆破切顶有效地改善了围岩应力环境,为矿井安全生产提供了保障,创造了较好的经济效益。多回收煤炭资源17kt以上,创造经济效益1124万元以上。
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[责任编辑:王兴库]
2016-05-24
10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.017
周立超(1989-),男,河北邢台人,在读研究生,研究方向为采矿工艺、矿山压力与岩层控制等。
周立超,臧传伟,张晨曦,等.倾斜煤层综采沿空留巷技术探讨与应用[J].煤矿开采,2017,22(1):73-76,35.
TD353
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1006-6225(2017)01-0073-04