CN110130892B - 一种放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法 - Google Patents

一种放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法，在工作面两巷及开切眼掘进完毕后在两巷上方沿煤层顶板掘进端头高位顶巷，在端头高位顶巷近回采侧向顶板施工倾斜炮孔进行聚能爆破，切断顶板；沿端头高位顶巷帮部向工作面顶煤施工倾斜炮孔进行松动爆破；工作面开采时除巷道内的端头支架外所有的放煤支架正常放煤，并在本工作面采空区覆岩运动稳定后，在稳定采空区旁并间隔一定宽度的煤柱掘进下一个工作面的巷道。顶板的垮落及时、巷道易维护，提高了工作面和采区煤炭资源回收率。

Description

一种放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法
技术领域
本发明涉及一种煤矿开采技术，特别涉及一种放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法。
背景技术
放顶煤工作面的煤炭损失主要由放煤损失、上下端头顶煤损失和初末采顶煤损失这三部分组成，其中放煤损失主要是由于在正常的放煤过程中，由于顶煤和煤层直接顶在向下放落的过程中形成一个混合带，为了减少放落煤体中矸石的含量不得不在未完全放完顶煤时关闭放煤口，从而导致工作面部分顶煤遗落到采空区内。
工作面上下端头的煤炭损失主要是因为工作面端头支架、过渡支架不具备放煤功能或者为保证端头顶板的稳定而不进行放煤，从而损失了部分的工作面煤炭。
在煤层中进行爆破，俗称松动爆破，可以增强煤体中节理裂隙的发育程度，甚至变得松散，减弱煤体中的应力集中现象，用到放顶煤开采中，则可使顶煤变得易放，同时减少放落顶煤的含矸率。
有别于传统爆破对其四周岩体产生破碎和冲击作用，聚能爆破能够使爆破能量定向释放，可以实现切断顶板而不破周围岩体的目的。在煤层顶板中进行聚能爆破，可以切断工作面和巷道之间顶板的联系，防止工作面端头顶煤和顶板的下沉垮落对巷道顶煤和顶板的稳定性产生影响，回收工作面顶煤的同时保证巷道的稳定。
工作面采空后，在上覆岩层垮落向采空区运动的过程中，上位的坚硬岩层破断后在采空区边缘形成长悬臂梁的结构，顶板岩梁伸向采空区，并发生偏转下沉，使得其下方实体煤存在高应力集中区，且应力集中区的范围和应力集中程度与煤层的厚度呈正比例关系，这就造成厚煤层放顶煤开采时，为避免高应力对相邻工作面巷道的影响，往往需要留设较宽的煤柱来保证相邻工作面巷道的稳定。采用聚能爆破的方式切断巷道和工作面之间的顶板，工作面采后顶板形成短悬臂梁结构，同时，由于提前断顶，使得顶板垮落及时，缓解了采场周围的应力集中现象，工作面采动对相邻工作面巷道的影响较小。
岩体由于碎胀的特性，完整岩层破碎后的体积明显增加，采用自然垮落法管理顶板时，顶板垮落后堆积在采空区能够对上覆岩层提供承载力。但随着采高的增加，顶板垮落后矸石很难快速充满采空区，导致工作面的垮落带高度较大，造成采场围岩的矿压显现剧烈，因此若顶板能在煤层采空后及时破断且矸石碎胀系数较大，则能够较好的充填采后空间，更早的发挥承载能力，对控制上覆岩层的整体变形有益。采用聚能爆破断顶技术能够使煤层顶板在工作面采过后及时的垮落，且由于爆破在顶板岩层中产生了大量的节理裂隙，并人为增加了一个自由面，弱化了顶板岩层，使得垮落矸石的块度变小，从而增大了岩层的碎胀系数，采空区的充填效果好，充分利用了矸石的自承载能力。
在工作面煤柱上方向顶煤中施工松动爆破炮孔，爆破影响范围内的煤体形成松动区，松动区的存在起到了卸压的作用，同时使得上一个工作面开采形成的应力集中区向实体煤更深处转移，这样，松动区下方的煤体则处于相对的低应力区，在松动区下方掘巷，巷道围岩的应力环境得到极大的改善。
传统的厚煤层放顶煤开采由于采高较大和一面两巷端头不放顶煤的开采工艺，造成剧烈的采场矿压显现，影响范围大。为避免采动对相邻工作面的影响，只能选择不断增加护巷煤柱的宽度；同时，由于端头支架不放顶煤造成了大量的煤炭资源损失，因此，传统的放顶煤开采的支护成本和煤炭损失都是很高的。
发明内容
本发明的目的是提供一种放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法，包括步骤：
A、开掘工作面回风巷、运输巷和开切眼从而形成工作面回采系统；
B、分别在工作面回风巷和运输巷上方沿煤层顶板掘进端头高位顶巷，使得端头高位顶巷靠近回采侧的帮部与工作面回采巷道的非回采帮处于同一竖直平面内，并采用高强锚索进行顶板支护；
C、在端头高位顶巷靠近回采一侧的顶板施工聚能爆破炮孔，装药后进行聚能爆破，切断顶板；
D、在端头高位顶巷的帮部斜向下方顶煤施工两个松动爆破炮孔，钻孔与水平面的夹角分别为10°和30°，钻孔沿巷道走向的孔间距为3～5m，采用非聚能爆破的方式对顶煤进行松动；
E、放顶煤工作面开采时，打开除巷道内端头支架外的全部工作面支架的放煤口进行放煤；
F、工作面煤层回采完毕后，顶板岩层沿着聚能爆破炮孔所成的切断面垮落到采空区，实体煤上方顶板岩层形成短悬臂梁结构，并且采空区矸石碎胀后对顶板岩层提供支撑力，限制其进一步的下沉变形；
G、工作面后方采空区的覆岩运动趋于稳定后，在稳定采空区旁并与工作面运输巷间隔一个端头高位顶巷宽度的煤柱掘进相邻工作面回风巷。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法，能够提高放顶煤开采煤炭回收率和缩小工作面煤柱尺寸，提高煤炭资源的利用效率，优化采场应力分布，降低巷道支护和维护的成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法的布局示意图。
图2为本发明实施例的工作面前方松动爆破炮孔布置及装药结构的剖面图。
图中：
1—聚能爆破炮孔，2—端头高位顶巷，3—松动爆破炮孔，4—高强锚索，5—工作面回风巷，6—工作面放煤支架，7—工作面运输巷，8—相邻工作面回风巷，9—炸药，10—封孔炮泥。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法，其较佳的具体实施方式是：
包括步骤：
A、开掘工作面回风巷、运输巷和开切眼从而形成工作面回采系统；
B、分别在工作面回风巷和运输巷上方沿煤层顶板掘进端头高位顶巷，使得端头高位顶巷靠近回采侧的帮部与工作面回采巷道的非回采帮处于同一竖直平面内，并采用高强锚索进行顶板支护；
C、在端头高位顶巷靠近回采一侧的顶板施工聚能爆破炮孔，装药后进行聚能爆破，切断顶板；
D、在端头高位顶巷的帮部斜向下方顶煤施工两个松动爆破炮孔，钻孔与水平面的夹角分别为10°和30°，钻孔沿巷道走向的孔间距为3～5m，采用非聚能爆破的方式对顶煤进行松动；
E、放顶煤工作面开采时，打开除巷道内端头支架外的全部工作面支架的放煤口进行放煤；
F、工作面煤层回采完毕后，顶板岩层沿着聚能爆破炮孔所成的切断面垮落到采空区，实体煤上方顶板岩层形成短悬臂梁结构，并且采空区矸石碎胀后对顶板岩层提供支撑力，限制其进一步的下沉变形；
G、工作面后方采空区的覆岩运动趋于稳定后，在稳定采空区旁并与工作面运输巷间隔一个端头高位顶巷宽度的煤柱掘进相邻工作面回风巷。
所述炮孔深度的计算公式为：
Figure GDA0002489445690000041
Figure GDA0002489445690000042
Figure GDA0002489445690000043
式中，L1为聚能爆破炮孔的深度，L2为上部的顶煤松动爆破炮孔的深度，L3为下部的顶煤松动爆破炮孔的深度，hm为煤层厚度，L支为工作面放煤支架的中心距，α1为聚能爆破炮孔与铅垂线的夹角，α2为上部的松动爆破炮孔与水平面的夹角，α3为下部的松动爆破炮孔与水平面的夹角。
所述端头高位顶巷聚能爆破炮孔与铅垂线的夹角为5～10°，偏向回采侧；炮孔沿巷道走向的孔间距为500mm，并根据聚能爆破试验确定合理的爆破参数。
进行松动爆破时，只在工作面支架上方的钻孔段采用空气间隔的方式安装炸药，而巷道上方的钻孔段装填封孔炮泥对炮孔进行封堵，且下方的松动爆破炮孔主要在炮孔中部装药，孔底只装少量的炸药。
上方的松动爆破炮孔底部与巷道至工作面第5个支架的端部位于同一个竖直平面内；下方的松动爆破炮孔底部与巷道至工作面第4个支架的端部位于同一个竖直平面内。
两相邻工作面之间留设的煤柱宽度为端头高位顶巷的宽度。
本发明的放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法，能够提高放顶煤开采煤炭回收率和缩小工作面煤柱尺寸，提高煤炭资源的利用效率，优化采场应力分布，降低巷道支护和维护的成本。
具体实施例：
如图1、图2所示，包括步骤：
a开掘工作面回风巷5、工作面运输巷7和工作面开切眼，形成工作面回采系统，工作面巷道顶板主要采用高强锚索4进行支护；
b待工作面形成系统后，分别在工作面回风巷5和工作面运输巷7的上方沿煤层顶板掘进两条端头高位顶巷2，并采用高强锚索4进行顶板支护，保证端头高位顶巷2靠近回采侧的一帮与工作面巷道的非回采帮位于同一个竖直平面内；
c在端头高位顶巷2靠近回采一侧的顶板施工聚能爆破炮孔1，装药后进行聚能爆破，切断煤层顶板与巷道顶板的联系；
d在端头高位顶巷2的帮部斜向下方施工两个松动爆破炮孔3，两个钻孔与水平面的夹角分别为10°和30°，松动爆破炮孔3沿巷道走向的孔间距为3～5m，且只在工作面支架上方的钻孔段采用空气间隔的方式安装炸药9，而巷道上方的钻孔段装填封孔炮泥10对炮孔进行封堵，以防爆破破坏巷道上方煤层的整体性和高强锚索4，松动爆破采用非聚能的方式进行，使得爆破影响范围内的顶煤裂隙充分发育和松动，方便后期工作面开采时顶煤顺利放落；
e待煤层顶板聚能爆破和顶煤松动爆破进行完毕后，进行放顶煤工作面的开采，由于提前对工作面端头除巷道宽度外的5个支架长度的顶煤进行了松动爆破，因此，放煤时应打开除巷道内端头支架外的全部工作面放煤支架6的放煤口进行放煤；
f工作面整层煤回采完毕后，顶板岩层沿着聚能爆破炮孔1所成的切断面垮落到采空区，在碎胀效应下，垮落矸石充满采空区，进而与更上部的顶板岩层接触并对其提供支撑力，限制其进一步的下沉变形等，优化采场周围的应力分布，工作面采动所引起的的应力集中区将向煤体更深处转移；
g工作面后方采空区覆岩运动趋于稳定后，在稳定采空区旁并与工作面运输巷7间隔一个端头高位顶巷2宽度的煤柱掘进相邻工作面回风巷8，此处煤体在松动卸压的作用下处于较低的应力水平，在此处掘巷对降低支护成本和方便后期巷道的维护具有重要意义，同时，两相邻工作面之间留设的煤柱宽度得以大幅减小。
上述聚能爆破炮孔1和顶煤松动爆破炮孔3深度的计算公式为：
Figure GDA0002489445690000061
Figure GDA0002489445690000062
Figure GDA0002489445690000063
其中，L1为聚能爆破炮孔1的深度，L2为上方的松动爆破炮孔二的深度，L3为下方的松动爆破炮孔二的深度，hm为煤层厚度，L支为工作面放煤支架6的支架中心距，α1为聚能爆破炮孔1与铅垂线的夹角，α2为上部的松动爆破炮孔二与水平面的夹角，α3为下部的松动爆破炮孔二与水平面的夹角。
本发明在工作面两巷及开切眼掘进完毕后在两巷上方沿煤层顶板掘进端头高位顶巷，在端头高位顶巷近回采侧向顶板施工倾斜炮孔进行聚能爆破，切断顶板；沿端头高位顶巷帮部向工作面顶煤施工倾斜炮孔进行松动爆破；工作面开采时除巷道内的端头支架外所有的放煤支架正常放煤，并在本工作面采空区覆岩运动稳定后，在稳定采空区旁并间隔一定宽度的煤柱掘进下一个工作面的巷道，从而实现提高工作面和采区煤炭资源回收率的目的。
上述实施例中：
端头高位顶巷布置在工作面巷道非回采侧的外部，且顶巷靠近回采侧的帮部与工作面巷道非回采侧帮部同在一个竖直平面内；顶巷的断面不宜过大，以方便进行钻孔和爆破施工为宜；
采用聚能爆破技术沿工作面走向切断端头高位顶巷顶板与工作面顶板之间的联系，保证采后工作面顶板及时垮落，同时利用矸石的碎胀特性充满采空区，尽快为上覆岩层提供支撑；
端头高位顶巷聚能爆破炮孔与铅垂线的夹角为5～10°，偏向回采侧；炮孔沿巷道走向的孔间距为500mm，并根据聚能爆破试验确定合理的爆破参数，以切断炮孔所在平面的岩层，同时减弱爆破可能对巷道顶板稳定性的影响；
聚能爆破炮孔深度通过公式：L1＝hm/[(K-1)cosα1]计算，其中L1为聚能爆破炮孔的深度，hm为煤层的厚度，K为岩层的碎胀系数，α1为聚能爆破炮孔与铅垂线的夹角；
工作面端头顶煤的松动爆破采用常规爆破的方式进行，沿顶巷的帮部向工作面顶煤施工两个炮孔，上方的炮孔与水平面的夹角为10°，孔底与巷道至工作面第5个支架的端部位于同一个竖直平面内；下方的炮孔与水平面的夹角为30°，孔底与巷道至工作面第4个支架的端部位于同一个竖直平面内；
上方的松动爆破炮孔深度通过公式：L2＝5L支/cosα2计算，下方的松动爆破炮孔深度通过公式：L3＝4L支/cosα3计算，其中L2为上方松动爆破炮孔的深度，L3为下方松动爆破炮孔的深度，L支为放煤支架的中心距，α2为上方松动爆破炮孔与水平面的夹角，α3为下方松动爆破炮孔与水平面的夹角；
松动爆破炮孔沿巷道走向上的孔间距为3～5m，保证松动爆破对顶煤整体的松动效果；
松动爆破只在工作面支架上方的钻孔段采用空气间隔的方式安装炸药，而巷道上方的钻孔段装填封孔炮泥对炮孔进行封堵；且下方的松动爆破炮孔主要在炮孔中部装药，孔底只装少量的炸药，以防爆破后松动下部顶煤，导致后续工作面开采时发生冒顶事故。
若端头高位顶巷位于两工作面之间，则应在顶巷的两帮向两个工作面顶煤分别施工两个松动爆破炮孔；
待顶板聚能爆破和工作面顶煤松动爆破完成后，工作面巷道处于松动爆破形成的卸压区内，然后进行工作面的开采。待采空区运动稳定后沿稳定采空区边缘掘进相邻工作面的巷道，并留设宽度为端头高位顶巷宽度的煤柱，由于相邻工作面的巷道仍位于卸压区内，其维护相对容易，且煤柱的宽度大大缩小，回收了大量的煤炭资源。
虽然已参照一个典型应用案例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够根据多种顶板情况具体实施而不脱离本发明的精神或实质，所以应当理解，上述应用案例不限于任何前述的细节，而应在所附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为所附权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法，其特征在于，包括步骤：
A、开掘工作面回风巷、运输巷和开切眼从而形成工作面回采系统；
B、分别在工作面回风巷和运输巷上方沿煤层顶板掘进端头高位顶巷，使得端头高位顶巷靠近回采侧的帮部与工作面回采巷道的非回采帮处于同一竖直平面内，并采用高强锚索进行顶板支护；
C、在端头高位顶巷靠近回采一侧的顶板施工聚能爆破炮孔，装药后进行聚能爆破，切断顶板；
D、在端头高位顶巷的帮部斜向下方顶煤施工两个松动爆破炮孔，钻孔与水平面的夹角分别为10°和30°，钻孔沿巷道走向的孔间距为3～5m，采用非聚能爆破的方式对顶煤进行松动；
E、放顶煤工作面开采时，打开除巷道内端头支架外的全部工作面支架的放煤口进行放煤；
F、工作面煤层回采完毕后，顶板岩层沿着聚能爆破炮孔所成的切断面垮落到采空区，实体煤上方顶板岩层形成短悬臂梁结构，并且采空区矸石碎胀后对顶板岩层提供支撑力，限制其进一步的下沉变形；
G、工作面后方采空区的覆岩运动趋于稳定后，在稳定采空区旁并与工作面运输巷间隔一个端头高位顶巷宽度的煤柱掘进相邻工作面回风巷。
2.根据权利要求1所述的放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法，其特征在于，所述炮孔深度的计算公式为：
Figure FDA0002529077830000011
Figure FDA0002529077830000012
Figure FDA0002529077830000013
式中，L1为聚能爆破炮孔的深度，L2为上部的顶煤松动爆破炮孔的深度，L3为下部的顶煤松动爆破炮孔的深度，hm为煤层厚度，L支为工作面放煤支架的中心距，α1为聚能爆破炮孔与铅垂线的夹角，α2为上部的松动爆破炮孔与水平面的夹角，α3为下部的松动爆破炮孔与水平面的夹角，K为岩层的碎胀系数。
3.根据权利要求2所述的放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法，其特征在于，所述端头高位顶巷聚能爆破炮孔与铅垂线的夹角为5～10°，偏向回采侧；炮孔沿巷道走向的孔间距为500mm，并根据聚能爆破试验确定合理的爆破参数。
4.根据权利要求3所述的放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法，其特征在于，进行松动爆破时，只在工作面支架上方的钻孔段采用空气间隔的方式安装炸药，而巷道上方的钻孔段装填封孔炮泥对炮孔进行封堵，且下方的松动爆破炮孔主要在炮孔中部装药，孔底只装少量的炸药。
5.根据权利要求4所述的放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法，其特征在于，上方的松动爆破炮孔的底部与巷道至工作面第5个支架的端部位于同一个竖直平面内；下方的松动爆破炮孔的底部与巷道至工作面第4个支架的端部位于同一个竖直平面内。
6.根据权利要求1至5任一项所述的放顶煤工作面回收端头顶煤和缩小煤柱尺寸的开采方法，其特征在于，两相邻工作面之间留设的煤柱宽度为端头高位顶巷的宽度。
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