CN105971606A - 一种巨厚煤层长壁工作面开采方法 - Google Patents
一种巨厚煤层长壁工作面开采方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，包括：分析煤层顶板岩性特征，确定老顶的初次来压步距L和周期来压步距M，开采煤房：按照正常的采区布置准备采区巷道和各工作面顺槽，形成回风系统，利用房柱式连续采煤机或使用掘锚一体机开采煤房、留设煤柱，开采过程中确保开采的煤房宽度N≤M，留设的煤柱宽度R≤L，开采过程中对顶板进行锚网支护或锚索支护；充填煤房采空区，开采煤柱，充填开采煤柱后的采空区。本发明利用高水膨胀材料对采空煤房和采空煤柱进行充填，能够实现任何情况下的无煤柱开采，达到资源回收率最大化，而且实现绿色开采目的，从而大幅度地提高采煤工作面的安全程度。
Description
技术领域
本发明属于煤层开采技术领域，尤其涉及一种巨厚煤层长壁工作面开采方法。
背景技术
随着东部矿区煤炭资源的枯竭，中部受资源与环境约束的矛盾加剧，我国煤炭资源开发重点已快速转移到西部地区。新疆煤炭资源极其丰富，是我国21世纪十分重要的能源基地接替区和战略能源储备区。新疆煤炭资源赋存的一个主要特点是厚煤层广泛分布且巨厚煤层多，如伊犁、吐哈、库拜等预测资源量超过100亿吨的煤田中都赋存有单层厚度大于20m以上的巨厚煤层，中国乃至世界上最大的整装煤田—准东煤田探明有单层厚度达80m以上的巨厚煤层，沙尔湖煤田更有单层厚度达200m以上的巨厚煤层。
目前我国于20世纪70年代开始探索厚煤层开采技术，经过40多年对厚煤层开采方法的研究与实践，相继形成了大采高一次采全厚综采采煤方法、倾斜分层铺网下行垮落法开采、分层恒底式上行开采和综采放顶煤开采方法，上述几种采煤方法都有各自的优缺点和适用范围。厚煤层大采高一次采全厚综采采煤方法虽然对厚煤层资源回收率高，能实现高产高效，经济效益好，然而目前现有的大采高只可开采煤层厚度7～8m。综采放顶煤开采方法煤炭回收率较低，且只可采20m以下厚度的煤层。分层铺网下行垮落法开采就是将厚煤层分成若干与煤层层面相平行的分层，先采顶分层，依次下行回采各分层，垮落法管理顶板，该方法能有效解决中倾斜以下厚煤层开采时顶板支护和采空区处理问题，顶分层以下各分层矿压显现缓和，由于采取人工铺设假顶，该方法较安全，采出率高，技术经济指标较好；但是在开采过程中存在巷道系统布置复杂，巷道维护较困难，生产组织管理工作较复杂等缺点；分层铺网下行垮落 法开采适用于煤层顶板不太坚硬，易于垮落、直接顶有一定厚度的缓、中倾斜厚煤层。分层恒底式上行开采就是将厚煤层划分为相当于中厚煤层的若干分层，各分层工作面依次沿煤层底板布置，第一分层工作面采后，上覆煤层垮落下沉，经注水压实，重新胶结后成为具有一定稳定性和强度的再生煤体，再仍沿煤层底板在再生煤体中重新布置第二和第三分层的工作面，这种厚煤层开采方法巷道系统简单，工艺简单，岩层活动对工作面影响小，有利于消除水患及冒顶的威胁，技术经济效益显著，然而该方法容易造成顶板岩石混入到原煤当中，不但增加了原煤的含矸率，而且还增加了煤炭的洗选量，导致生产成本大大提高。
经过多年的研究与实践，到目前为止，可以说我国煤炭资源开发已经形成了具有中国特色的厚煤层开采技术体系，但是大多数研究成果主要集中在煤层厚度为20m以下，针对像新疆地区厚度20m以上的巨厚煤层，目前还没有一种安全、可靠、高效的巨厚煤层开采方法，因此亟需一种巷道布置系统简单，降低原煤含矸率，提高经济效益，能确保20m以上的巨厚煤层安全高效开采的开采方法。
房柱式采煤法是在煤层内开掘有一定宽度的煤房，煤房间用联络巷相连，形成近似长方形的煤柱，煤柱的宽度由数米到数十米不等。回采在煤房中进行，煤房采完后，再将煤柱按要求采出。如果煤柱留下不采，称之为房式采煤法。由于房柱式采煤法与房式采煤法巷道布置基本相似，因此美国现在将这两种方法均称为房柱式采煤法。由于房式采煤法属于部分回采，能够有效地控制覆岩移动，减少地表移动和变形，特别适合于不能搬迁又不便加固维修的密集建筑物下(如村庄)采煤。美国通常采用房柱式开采法来保护地面建筑物，例如当地面坡度小于5％时，则从被保护的建筑物15英尺处的一点向下引一15°直线与煤层相交，所圈的面积内煤层回采率限制在15％，煤柱均匀布置，每个煤柱的最小尺寸为20×30英尺。有时要求有更大的安全系数，要以地面建筑物125英尺处引垂线与煤层相交，并且所圈的煤层不得采动，此外还要在起始线处向下引一条25°直线与煤层相交，这中间的煤柱回采率为50％，煤柱尺寸不小于 20×30英尺。美国的多年开采实际证明，采出率为50％时，煤柱能够支承地表长期稳定而不沉陷。
我国因煤矿地下开采而引起的地表沉陷问题越来越突出，特别是在高潜水位矿区，开采后地表移动盆地内大面积积水，村庄被迫搬迁，生态环境受到严重的破坏，由此引发了一系列社会、经济及环境问题。这不仅影响和损害了当地居民的利益，也严重影响和制约了煤矿自身的可持续性发展。因此如何控制开采沉陷已成为一项重要技术工作。在这种情况下，房柱式开采的优越性逐渐被煤炭行业认同，使之成为控制地表沉陷保护地面建筑物的重要开采措施之一。
由于我国煤炭消耗量大(约占总能源消耗的70％)，煤炭赋存量少(不及美国的50％)，煤层赋存条件差，厚煤层比重低，使得我国不可能采用像美国那样低回收率的房柱式采煤工艺。由于现有的充填方式都难以解决厚煤层开采后的顶板下沉问题，不能满足充填开采后对地表沉降的有效控制，无法解放厚煤层“三下”压煤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，旨在解决现有的充填方式都难以解决厚煤层开采后的顶板下沉，不能满足充填开采后对地表沉降的有效控制，无法解放厚煤层“三下”压煤的问题。
本发明是这样实现的，一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，该巨厚煤层长壁工作面开采方法包括以下步骤：
步骤一、分析煤层顶板岩性特征，确定老顶的初次来压步距L和周期来压步距M，设计所采的煤房宽度N≤M，所留的煤柱宽度R≤L，煤房和煤柱间隔设置；
步骤二、开采煤房：按照正常的采区布置准备采区巷道和各工作面顺槽，形成回风系统，利用房柱式连续采煤机或使用掘锚一体机开采煤房、留设煤柱，开采过程中确保开采的煤房宽度N≤M，留设的煤柱宽度R≤L，开采过程中对顶板进行锚网支护或锚索支护；
步骤三、充填煤房采空区：选用高水膨胀材料对煤房采空区进行全部充填；
步骤四、开采煤柱：待煤房充填区中的高水膨胀材料完全凝固后，利用房柱式连续采煤机或使用掘锚一体机将留设的煤柱开采出来，并对煤柱的顶板进行锚网支护或锚索支护；
步骤五、充填开采煤柱后的采空区：根据地表建筑物及其附着物保护等级设计充填比例，对煤柱采空区进行全部充填、部分充填或不充填，充填时选用高水膨胀材料。
进一步，所述步骤三中充填具体步骤为：
a、撤出所有开采设备，清净浮煤；
b、制作充填挡墙：在煤房采空区的上、下端面砌筑挡墙，并在上端面的挡墙顶部预留一个充填口，上、下端面挡墙和煤房采空区两侧的煤柱形成煤房充填区；
c、通过充填管将高水膨胀材料从上端面挡墙的充填口输送到煤房充填区中，待煤房充填区充满后停止充填工作，并将上端面挡墙的充填口密封；
进一步，所述步骤五中具体充填步骤为：A、撤出所有开采设备，清净浮煤；B、制作充填挡墙：根据充填比例确定煤柱充填区的上、下端面，并上、下端面砌筑挡墙，上端面的挡墙顶部预留一充填口，上、下端面挡墙以及采空煤柱两侧的已充填煤房共同构成煤柱充填区；C、通过充填管将高水膨胀材料从上端面挡墙的充填口输送到煤柱充填区中，待煤柱充填区充满后停止充填工作，并将上端面挡墙的充填口密封。
进一步，所述的步骤二开采煤房时，可以按照离采区运输巷道从近到远的顺序用一台连续采煤机或掘锚一体机逐个开采煤房，也可以间隔布置多台连续采煤机或掘锚一体机同时开采多个煤房，每个煤房顶板均应进行锚网支护或锚索支护。
进一步，所述步骤三中的充填工作或在每采完一个煤房后进行一次充填，或多个或所有煤房全部采完后一起充填。
进一步，所述的步骤四开采煤柱时，可以按照离采区运输巷道从远到近的顺序用一台连续采煤机或掘锚一体机逐个开采煤柱，也可以间隔布置多台连续采煤机或掘锚一体机同时开采多个煤柱，每个煤柱顶板均应进行锚网支护或锚索支护。
进一步，所述步骤五中的充填工作或在每采完一个煤柱后进行一次充填，或待多个或所有煤柱全部采完后一起充填。
进一步，所述的高水膨胀材料是由粉煤灰、膨胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料浆，固液比为1∶1.2～1.5，膨胀率为10～30％，
各原料按以下配比组成：
粉煤灰300～400kg/m3
膨胀剂0.2～1kg/m3
延缓剂0.6～0.8kg/m3
固化剂30～100kg/m3
水800～1000kg/m3。
进一步，所述膨胀剂是铝粉，延缓剂是石膏粉，固化剂是石灰或水泥。
进一步，所述分析煤层顶板岩性特征方法为：对所采巨厚煤层的顶板岩层、底板岩层和煤层的水文地质采矿条件进行分析，将巨厚煤层划分为顶部分层、底部分层和中部分层；顶部分层的厚度为2.5～4.5m；根据综放支架参数对中部分层和底部分层进行平均分层；
在顶部分层挖掘工作面运输巷Ⅰ、回风巷Ⅰ和开切眼Ⅰ，顶部分层工作`面采用综合机械化采煤，在顶部分层工作面开采的同时，在顶部分层的底板上同步铺设顶网作为中部分层和底部分层开采时的假顶；同时在顶部分层采空区底板安装布置位移和应力监测点，形成巨厚煤层的位移监测系统和压力监测系统；顶部分层工作面自开切眼Ⅰ回采后持续监测顶板的位移和应力，对巨厚煤层顶板运移情况进行分析，当顶板位移和应力数值不再变化时，判断顶部分层回采后顶板已垮落移动稳定；
当顶部分层回采完毕并且采空区上覆顶板垮落稳定后，在底部分层中挖掘工作面的运输巷Ⅱ、回风巷Ⅱ和开切眼Ⅱ；底部分层工作面采用综合机械化放顶煤开采；底部分层工作面回采过程中采用注水软化和采后爆破强制放煤的方法促使上覆中部分层垮落；
当底部分层工作面回采完毕后，其上覆中部分层垮落形成新的底部分层；利用顶部分层采空区中位移和应力监测系统对巨厚煤层顶板运移情况进行分析；当位移和应力数值不再变化时，判定新形成的底部分层已垮落移动稳定；此时根据顶板位移监测数据绘制巨厚煤层顶板岩层下沉空间曲线f(x，y，z)；在新形成底部分层中沿采空掘进工作面的运输巷Ⅲ、回风巷Ⅲ和开切眼Ⅲ，所述运输巷Ⅲ、回风巷Ⅲ与底部分层采空区之间设置煤柱；新底部分层工作面采用综合机械化放顶煤开采；根据巨厚煤层顶部下沉空间曲线f(x，y，z)，确定新形成底部分层综放开采的放煤高度曲线h(x，y，z)＝f(x，y，z)-i·m-c，其中i为底部分层和中部分层的第几次分层开采，c为综放支架采煤高度。
进一步，如权利要求1所述的一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述的中部分层和底部分层的分层数根据公式n＝1+i nt(M/p)计算，其中n为中部分层和底部分层的分层数，M为中部分层和底部分层的总厚度，p为综放支架开采厚度上限；所述的中部分层和底部分层的分层开采高度根据公式m＝M/n计算，其中m为中部分层和底部分层的平均分层厚度；
所述的位移和应力监测点为位移传感器和应力传感器；所述的位移和应力监测点沿顶部分层工作面走向每隔30～40m布置一排，每排监测点由10个监测点组成，所述相邻监测点之间的间隔为20m；所述的煤柱宽度为10～15m；所述的顶网由若干个长宽比为5:1的金属网组成；所述的金属网之间的连接部位重叠宽度30cm，所述的金属网连接部位相扭接。
进一步，步骤二对顶板进行锚杆或锚索支护，锚杆的支护参数设置方法为：用组合梁理论设计锚杆的支护参数，计算公式如下：
(1)锚杆的长度。
图1是本发明实施例提供的巨厚煤层长壁工作面开采方法流程图；
图2是本发明实施例提供的待开采煤层的结构示意图；
图3是煤房开采充填后的结构示意图；
图4是煤柱开采后全部充填的结构示意图；
图5是煤柱开采后部分充填的结构示意图。
图中：1、煤房；2、煤柱；3、煤房充填区；4、挡墙；5、挡墙；6、煤柱充填区；7、挡墙；8、挡墙。
Claims (10)
1.一种巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，该巨厚煤层长壁工作面开采方法包括以下步骤：
步骤一、分析煤层顶板岩性特征，确定老顶的初次来压步距L和周期来压步距M，设计所采的煤房宽度N≤M，所留的煤柱宽度R≤L，煤房和煤柱间隔设置；
步骤二、开采煤房：按照正常的采区布置准备采区巷道和各工作面顺槽，形成回风系统，利用房柱式连续采煤机或使用掘锚一体机开采煤房、留设煤柱，开采过程中确保开采的煤房宽度N≤M，留设的煤柱宽度R≤L，开采过程中对顶板进行锚网支护或锚索支护；
步骤三、充填煤房采空区：选用高水膨胀材料对煤房采空区进行全部充填；
步骤四、开采煤柱：待煤房充填区中的高水膨胀材料完全凝固后，利用房柱式连续采煤机或使用掘锚一体机将留设的煤柱开采出来，并对煤柱的顶板进行锚网支护或锚索支护；
步骤五、充填开采煤柱后的采空区：根据地表建筑物及其附着物保护等级设计充填比例，对煤柱采空区进行全部充填、部分充填或不充填，充填时选用高水膨胀材料。
2.如权利要求1所述的巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述步骤三中充填具体步骤为：
a、撤出所有开采设备，清净浮煤；
b、制作充填挡墙：在煤房采空区的上、下端面砌筑挡墙，并在上端面的挡墙顶部预留一个充填口，上、下端面挡墙和煤房采空区两侧的煤柱形成煤房充填区；
c、通过充填管将高水膨胀材料从上端面挡墙的充填口输送到煤房充填区中，待煤房充填区充满后停止充填工作，并将上端面挡墙的充填口密封。
3.如权利要求1所述的巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述步骤五中具体充填步骤为：
A、撤出所有开采设备，清净浮煤；
B、制作充填挡墙：根据充填比例确定煤柱充填区的上、下端面，并上、下端面砌筑挡墙，上端面的挡墙顶部预留一充填口，上、下端面挡墙以及采空煤柱两侧的已充填煤房共同构成煤柱充填区；
C、通过充填管将高水膨胀材料从上端面挡墙的充填口输送到煤柱充填区中，待煤柱充填区充满后停止充填工作，并将上端面挡墙的充填口密封。
4.如权利要求1所述的巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述的步骤二开采煤房时，可以按照离采区运输巷道从近到远的顺序用一台连续采煤机或掘锚一体机逐个开采煤房，也可以间隔布置多台连续采煤机或掘锚一体机同时开采多个煤房，对煤房的顶板采用锚网支护或锚索支护；
所述步骤三中的充填工作或在每采完一个煤房后进行一次充填，或多个或所有煤房全部采完后一起充填。
5.如权利要求1所述的巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述的步骤四开采煤柱时，可以按照离采区运输巷道从远到近的顺序用一台连续采煤机或掘锚一体机逐个开采煤柱，也可以间隔布置多台连续采煤机或掘锚一体机同时开采多个煤柱，对煤柱的顶板采用锚网支护或锚索支护；
所述步骤五中的充填工作或在每采完一个煤柱后进行一次充填，或待多个或所有煤柱全部采完后一起充填。
6.如权利要求1所述的巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述的高水膨胀材料是由粉煤灰、膨胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料浆，固液比为1∶1.2～1.5，膨胀率为10～30％，
各原料按以下配比组成：
粉煤灰300～400kg/m3
膨胀剂0.2～1kg/m3
延缓剂0.6～0.8kg/m3
固化剂30～100kg/m3
水800～1000kg/m3。
7.如权利要求1所述的巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述膨胀剂是铝粉，延缓剂是石膏粉，固化剂是石灰或水泥。
8.如权利要求1所述的巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，分析煤层顶板岩性特征方法为：对所采巨厚煤层的顶板岩层、底板岩层和煤层的水文地质采矿条件进行分析，将巨厚煤层划分为顶部分层、底部分层和中部分层；顶部分层的厚度为2.5～4.5m；根据综放支架参数对中部分层和底部分层进行平均分层；
在顶部分层挖掘工作面运输巷Ⅰ、回风巷Ⅰ和开切眼Ⅰ，顶部分层工作`面采用综合机械化采煤，在顶部分层工作面开采的同时，在顶部分层的底板上同步铺设顶网作为中部分层和底部分层开采时的假顶；同时在顶部分层采空区底板安装布置位移和应力监测点，形成巨厚煤层的位移监测系统和压力监测系统；顶部分层工作面自开切眼Ⅰ回采后持续监测顶板的位移和应力，对巨厚煤层顶板运移情况进行分析，当顶板位移和应力数值不再变化时，判断顶部分层回采后顶板已垮落移动稳定；
当顶部分层回采完毕并且采空区上覆顶板垮落稳定后，在底部分层中挖掘工作面的运输巷Ⅱ、回风巷Ⅱ和开切眼Ⅱ；底部分层工作面采用综合机械化放顶煤开采；底部分层工作面回采过程中采用注水软化和采后爆破强制放煤的方法促使上覆中部分层垮落；
当底部分层工作面回采完毕后，其上覆中部分层垮落形成新的底部分层；利用顶部分层采空区中位移和应力监测系统对巨厚煤层顶板运移情况进行分析；当位移和应力数值不再变化时，判定新形成的底部分层已垮落移动稳定；此时根据顶板位移监测数据绘制巨厚煤层顶板岩层下沉空间曲线f(x，y，z)；在新形成底部分层中沿采空掘进工作面的运输巷Ⅲ、回风巷Ⅲ和开切眼Ⅲ，所述运输巷Ⅲ、回风巷Ⅲ与底部分层采空区之间设置煤柱；新底部分层工作面采用综合机械化放顶煤开采；根据巨厚煤层顶部下沉空间曲线f(x，y，z)， 确定新形成底部分层综放开采的放煤高度曲线h(x，y，z)＝f(x，y，z)-i·m-c，其中i为底部分层和中部分层的第几次分层开采，c为综放支架采煤高度。
9.如权利要求8所述的巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，所述的中部分层和底部分层的分层数根据公式n＝1+int(M/p)计算，其中n为中部分层和底部分层的分层数，M为中部分层和底部分层的总厚度，p为综放支架开采厚度上限；所述的中部分层和底部分层的分层开采高度根据公式m＝M/n计算，其中m为中部分层和底部分层的平均分层厚度；
所述的位移和应力监测点为位移传感器和应力传感器；所述的位移和应力监测点沿顶部分层工作面走向每隔30～40m布置一排，每排监测点由10个监测点组成，所述相邻监测点之间的间隔为20m；所述的煤柱宽度为10～15m；所述的顶网由若干个长宽比为5:1的金属网组成；所述的金属网之间的连接部位重叠宽度30cm，所述的金属网连接部位相扭接。
10.如权利要求1所述的巨厚煤层长壁工作面开采方法，其特征在于，步骤二或步骤四均应对顶板进行锚网支护或锚索支护，锚杆的支护参数设置方法为：用组合梁理论设计锚杆的支护参数，计算公式如下：
(1)锚杆的长度
l＝l1+l2+l3
式中l——锚杆长度，m；
l1——外露长度，一般取0.1m；
l2——锚杆的有效长度，m；
l3——锚杆的锚固长度，一般取0.2～0.3m；
L——巷道净跨度，m；
k1——安全系数；机掘取2～3，炮掘取3～5，巷道受采动影响取5～6；
P——层状岩石上部的均匀载荷，MPa；
——与组合层数有关的系数；当组合岩层数为1、2、3时，分别对应1、0.75、0.7，当组合层数≥4时，取0.65；
σ1——岩层抗拉计算强度，可取试验强度的0.6～0.8倍，MPa；
σx——原岩水平应力，为泊松比)。
(2)锚杆间距
所选锚杆长度，须验算组合梁各岩层面间不发生相对滑动，并保证最下面一层岩层的稳定性，即锚杆间距满足下式要求：
式中a——锚杆间排距，m；
m1——最下层岩层厚度，m；
σ′1——最下层岩层抗拉计算强度，可取试验强度的0.3～0.4倍，MPa；
P′——最下层岩石自重均匀载荷，MPa；
(3)金属网
采用菱形网金属网，且各搭接边长30cm，且用金属网丝进行搭接部分的扭接；
(4)锚索支护
在锚网支护出现顶板破碎下沉及大面积锚网支护出现失效时，采用锚索支护进行加强支护，锚索采用6.8m长。
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