某煤業(yè)33011與31011工作面之間下分層煤柱安全開采可行性報告可行性報告

I 1 4 42.231011回風順槽和33011回風順槽充填方案 63下分層頂板穩(wěn)定性分析與頂板管理 83.1下分層頂板穩(wěn)定性分析 83.2液壓支架工作阻力計算 3.2.2液壓支架工作阻力計算 3.3下部煤層開采輔助技術 5充填材料與工藝 5.2充填工藝 5.3充填過程注意事項 5.4人員配備 6準備事項及經濟效益核算 6.1需要準備的材料及設備 6.2成本概算 1煤層傾角3～5°,容重1.45t/m3,煤層中局部夾1～4層泥巖為降低上分層工作面上隅角和回風巷的瓦斯?jié)舛龋谠黾映伞癠+L”通風方式，距33011工作面回風順槽7m、距31011工作面回風順槽20m布置1條31011瓦斯尾巷，供33011工作面和31011工作面排放瓦斯，這兩個工作面于2010年前回采完畢。目前，已經掘進了下分層33012工作面回風順槽和31012工作面膠帶順槽，為了提高資源回收率，準備將33012工作面回風順槽和31012工作面膠帶順槽組合成33012工作面，其巷道布置示意圖見圖1-1所示。33012回風順槽(下分層)31012膠帶順槽(下分層)31011工作面(上分層)膠軌上上山回風上山圖1-133012工作面布置示意圖233012工作面煤層頂?shù)装鍘r性特征見表1-1所示。表1-131012工作面煤層頂?shù)装逄卣黜數(shù)装迕Q巖石名稱厚度基本頂中粒砂巖深灰色，質地較堅硬，一般不易冒落。直接頂泥巖、粉砂巖深灰色，開采達一定范圍后開始冒落。偽頂炭質泥巖黑色薄層，隨開采過程極易冒落底板砂質泥巖深灰色，局部較軟弱，開采時圍壓為了提高煤炭回收率、提高礦井生產效率，33012工作面 (下分層)與上分層工作面呈外錯型布置方式，如圖1-1所示。在回采上分層31011和33011工作面時，為加強31011瓦斯尾巷支護，在31011瓦斯尾巷布置了大量木垛，因此，31011瓦斯尾巷存在空洞；31011和33011工作面的順槽隨工作面推進基本垮落，但這2條順槽頂?shù)装蹇赡艽嬖诳障?，這對安全開采31011和33011工作面之間下分層煤柱存在以下影響：1)由于會影響安全開采；2)3條順槽正下方液壓支架不接頂，移架困為了解決以上問題，山西沁和能源集團有限公司、曲堤煤業(yè)有限公司與中國礦業(yè)大學合作，擬采取高水充填材料充填31011瓦斯尾巷、33011回風順槽及31011回風順槽，將空洞、3頂板穩(wěn)定性，為開采31011和33011工作面之間下分層煤柱提供安全保障。擬采取以下方案：(1)采用高水充填材料充填滿31011瓦斯尾巷，在33011回風順槽及31011回風順槽采用高水充填材料充填后形成0.5m厚膠結頂板；(2)在進行下分層工作面31012工作面回采時，在瓦斯尾巷處超前循環(huán)探測，若正下方綜采支架移架困難和瓦斯突然釋放的難題；(3)在下分42充填方案2.131011瓦斯尾巷充填方案從31012膠帶順槽(下分層)向31011瓦斯尾巷鉆孔進行充填，如圖2-1所示，首先從31012膠帶順槽垂直向31011瓦斯尾巷布置6個孔(等距離，每孔間距86m),孔徑78mm,先孔封孔材料進行封孔，封孔長度為1.5m~2.0m,鋼管外端焊接31011膠帶順槽330111回風順槽31011膠帶順槽5圖2-1瓦斯尾巷充填鉆孔布置示意圖(1)從31012膠帶順槽底板以上0.75m向上傾斜鉆孔(角度6°)對31011瓦斯尾巷進行鉆孔直達該巷頂部，需打6孔(見實藍線所示);(3)向PVC管內塞入3英寸的鋼管；(5)進行充填，依次通過6孔將31011瓦斯尾巷全部充填(6)再在已充填的孔中間補打鉆孔(見圖虛藍線所示位置),采用鉆孔窺視儀觀看第一次充填情況，采用以上步驟再2-2所示。6圖2-2瓦斯尾巷工作面前方探孔布置示意圖(1)工作面檢修班期間，與工作面推進方向一致，每隔10m打一個水平長度15m的向上孔探測31011瓦斯尾巷充填情(2)采用鉆孔窺視儀觀察瓦斯尾巷充填情況；(4)若進行充填，采用水灰比為3:1的高水充填材料再進行充填，能快速凝固，不影響工作面回采；(5)重復以上步驟(1)~(4),始終保持工作面煤壁前2.231011回風順槽和33011回風順槽充填方案31011回風順槽與33011回風順槽充填孔布置見圖2-3所7圖2-331011回風順槽與33011回風順槽充填孔布置示意圖(1)從31012膠帶順槽打孔進行充填，充填固結厚度達到(2)高水充填材料水灰比為5:1,能膠結形成強度達到2MPa的固結體。83下分層頂板穩(wěn)定性分析與頂板管理3.1下分層頂板穩(wěn)定性分析根據(jù)頂板結構及應力分布可沿傾斜方向將31012工作面頂板分為四種：煤柱下方頂板、上分層巷道下方頂板、采空區(qū)下方頂板、瓦斯尾巷下方頂板。下面分析這四種頂板的結構特征(1)煤柱下方頂板結構特征及穩(wěn)定性煤柱兩側的上分層工作面回采后，在采空區(qū)側向支承壓力作用下煤柱兩側煤體的完整性相對差一點，一般頂板巖層結構較好，但支承壓力較大，易發(fā)生片幫，頂板穩(wěn)定性較好，現(xiàn)場應采取緊跟前滾筒移架、確保支架有較高的初撐力等方法來保(2)上分層巷道下方頂板結構特征及穩(wěn)定性上分層工作面回采以后，兩順槽頂板基本垮落，但由于煤柱的支撐作用，靠近煤柱附近的巷道下方可能存在空隙，因此采用高水充填材料充填空隙、膠結冒落的煤巖體，充填、膠結高度達到0.5m,因此，該范圍頂板管理比采空區(qū)下方破碎頂板好管理、壓力小于煤柱下方頂板，但由于膠結頂板強度還是小于原生頂板，現(xiàn)場應采取緊跟前滾筒移架、確保支架有較高的(3)采空區(qū)下方工作面頂板結構特征及穩(wěn)定性9采空區(qū)下方頂板結構可歸為碎裂頂板，頂板壓力不大、周期來壓不明顯，但頂板破碎、下沉量較大，該范圍頂板管理不在本課題研究范圍內，根據(jù)以往經驗，該范圍現(xiàn)場頂板管理應當采取緊跟前滾筒移架、嚴格控制采高、采用較大的支架初撐(4)瓦斯尾巷下方工作面頂板結構特征及穩(wěn)定性位于瓦斯尾巷下方的頂板通過高水充填材料充填后，頂板穩(wěn)定性比上分層巷道下方頂板好、比煤柱下方頂板差，但壓力小于煤柱下方，回采時緊跟前滾筒移架、采用較大的支架初撐總之，上分層回采后改變了下層煤開采時的覆巖破斷和移動特征；上分層采過后由于上覆巖層已遭受了大范圍的破斷和覆巖破斷和移動特征發(fā)生了明顯的變化。因此在31012工作面回采過程中其礦山壓力顯現(xiàn)和單一煤層工作面的開采不同。主要表現(xiàn)為：沒有周期來壓或者周期來壓不明顯、工作面超前支承壓力較小、應力集中程度降低、支承壓力分布平緩，但是端面頂板冒落較多、頂板下沉量較大、煤柱下方工作面頂板壓力較大等現(xiàn)象?；夭蓵r及時移架(緊跟前滾筒移架)、維修好乳化液管路和液壓支架的液壓系統(tǒng)，保持乳化液管理不漏液，保證支架初撐力達到額定工作阻力的80%,支架能達到額定工作支架的工作狀態(tài)是處于“結定變形”狀態(tài)還是處于“給定33011工作面回風順槽與31011工作面回風順槽之間煤柱下根據(jù)礦壓理論，工作面支架承受的最大壓力為4-8倍采高烈時取較小倍數(shù)，煤柱下方工作面支架取最大倍數(shù)即取8倍采r—煤層頂板巖石容重，取2.5t/m3;ZYP3200/17/28型液壓支架額定工作阻力32003.3下部煤層開采輔助技術31012工作面開采下分層，容易發(fā)生架前頂板冒落。特別是工作面上方煤柱附近受上分層工作面?zhèn)认蛑С袎毫氨竟ぷ飨虏棵簩庸ぷ髅婕芮绊敯迕奥渲饕?種形式即：輕微冒落，滑坡式冒頂和大冒高形態(tài)，如圖3-1所示。(a)輕微冒落(b)滑坡式冒頂(c)大冒高形態(tài)圖3-1冒頂類型在上分層殘留煤柱附近易發(fā)生微冒落和滑坡式冒頂。擬采(1)采用高水充填材料將上分層未垮落充分的位置附近充(2)控制合理的端面距，提高端面頂板的穩(wěn)定性。巷道下方及采空區(qū)頂板端面距應小于400mm,煤柱下方端面距應小于(3)當端面距超過規(guī)定要求時，由先割煤后移架，改為先移架后割煤，即“支架超前”,以縮小梁端距。(4)消除和減小支架頂梁上端的浮矸；確保支架初撐力達到額定工作阻力的80%;支架不得低頭。(5)嚴格按規(guī)定采高回采，嚴禁割頂板，局部地段可以留(6)出現(xiàn)較大范圍、較深的冒頂時，為了防止冒頂繼續(xù)增加而發(fā)展成為第三種大冒高形式，從煤壁向頂板方向斜打木錨用金屬鋼梁或木梁配合單體支柱支護冒落區(qū)。煤壁片幫的主要形式：一是倒墻式片幫，煤壁上下部片幫深度相等，主要是平行于煤壁的節(jié)理及采動影響和支承壓力共同作用的結果。二是滑落式片幫，煤壁上部沿斜面滑下在端面處形成較大的空頂面積，主要是因降壓移架時煤壁承受壓力增大引發(fā)，如圖3-2所示。圖3-2煤壁片幫形式(1)工作面液壓支架采用帶壓移架。(3)保持支架良好的工作狀態(tài)。(4)若片幫嚴重，應垂直于煤壁打貼幫柱。(5)嚴格安裝規(guī)定采高回采。4瓦斯管理加強31011瓦斯尾巷、33011回風順槽和31011回風順槽(1)利用31011瓦斯尾巷的抽放管路中219mm進行采空區(qū)(2)瓦斯檢查工要不定時對33012切眼及工作面與31011(3)在31011瓦斯尾巷下方懸掛便攜式甲烷報警儀，隨時(4)在回采接近貫眼7m時，從33012工作面平行順槽方(5)若出現(xiàn)瓦斯異常，一方面可以風幛導風方式稀釋瓦斯(6)進一步加強人員培訓，做好下分層工作面瓦斯監(jiān)管、5充填材料與工藝5.1高水充填材料簡介高水充填材料經七五和八五國家科技攻關，材料本身和相留巷效果良好，即將在兗礦集團南屯煤礦、甘肅窯街礦務局海石灣煤礦等礦使用；也可以在工作面充填、空巷充填等條件下充填使用，曾經在潞安礦務局王莊煤礦、兗州礦務局楊莊煤礦進行空巷充填，保證了綜采放頂煤工作面安全通過充填后的空高水充填材料是一種能在高水灰比條件下快速凝結的特種水泥，是中國礦業(yè)大學承擔的國家“七五”、“八五”重點科按1:1的比例配合使用。甲料、乙料單獨與水混合24h不凝結，為避免管路堵塞和一定條件下不沖洗管路創(chuàng)造了條件，而甲料高水充填材料之所以能夠在高水灰比條件下快速、全部凝結硬化，是因為其水化反應生成了大量的鈣礬石。鈣礬石是含結晶水最高的水化物中最為常見的一種，這是高水充填材料不同于一般水泥材料的最顯著的特點之一。(1)高水灰比條件下結石率100%;(2)凝結時間短，早期強度高并可調；(3)塑性好，凝結體單軸加壓應變達15%時，其殘余強度還能維持在峰值強度的50%以上。(4)凝結體具有微膨脹性；(5)改變水灰比和添加劑成分就能獲得不同強度的凝結(6)單位體積充填材料用量少。→膠凝固化→強度硬化體高水充填材料充填體呈現(xiàn)明顯的塑性材料特征，在壓力作用下可以允許較大的塑性變形，強度衰減比較緩慢，可以維持通過我們與有關設備廠家共同努力，研究開發(fā)了簡單的充填泵，該泵能夠保證同時進漿、同時出漿，甲乙料等量，從根高水充填材料主要分為兩類：一類是在水灰比為5:1的條以上，主要應用于采空區(qū)、空巷充填等；第二類材料水灰比在2.5:1以下，通常在1.5~1.8:1的條件下，1m3充填體只需高水充填材料500kg,凝固后強度達10MPa以上，主要應用于沿空5.2充填工藝高水充填材料分甲料和乙料兩部分，甲料、乙料按1:1的比例配合使用。由于甲料、乙料單獨加水攪拌不凝結，而一旦混合則凝結硬化，凝結速度可以控制在20~60分鐘。為防止?jié){液在攪拌、運輸過程中凝結、堵塞管路和充填泵等設備，需分別攪拌和泵送甲料漿、乙料漿。因而，應采用雙液充填工藝1)充填泵站布置采用1臺流量為120～150L/min的雙液充填泵充填。甲料、乙料各配2臺攪拌桶，每臺攪拌桶容積1.0m3,攪拌桶附近布置料場，充填泵站布置在31012膠帶順槽(下分層),具體位置與礦方共同確定。料場要適當墊高，防止堆放的高水充填材料受潮，并且實行掛牌管理，嚴禁混放。充填泵及攪拌桶放平，甲料、乙料4個攪拌桶上方分別各接一趟2寸水管供水；攪拌桶較高，為了便于工人上料，需要搭臺階。2)試驗系統(tǒng)用清水試驗攪拌桶、充填泵、充填管路及充填點與泵站之間的聯(lián)絡是否正常，一切正常后就可以進行充填漿液。3)上料、攪拌根據(jù)設計的水灰比加入適量的水，若采用水灰比為5:1時，每桶一次上水550kg,然后每桶加高水充填材料100kg,加甲料及加乙料添加劑各10kg。注意(加)甲料、(加)乙料不能混加，攪拌時間不少于4)泵送與清洗設備因故暫停15分鐘充填就需要清洗充填泵和管路，防止堵5.3充填過程注意事項(1)若出現(xiàn)電氣或設備故障時，充填點人員應(2)泵站人員應觀察甲、乙料的吸入情況，出漿流量是否(3)充填點人員應密切觀察充填袋周圍頂板特(4)加強泵站與充填點的聯(lián)系十分重要，及時通報相互間(5)對每一袋高水充填材料，必須徹底將袋里的高水充填材料完全倒凈，袋子里不能留下一點高水充填材料，對于高水5.4人員配備設置充填的班組成員共5人，其中班長1人，機電工1名負責泵、攪拌桶的操作及維護、保養(yǎng)，另外3人負責泵站及充填點的充填工：充填期間負責從混液器到充填袋管路控制及與注說明：在充填前和充填過程中1名機電工檢修充填設備、6準備事項及經濟效益核算6.1需要準備的材料及設備(1)購買或維護充填設備：2臺充填泵，1臺使用，1備用；5臺攪拌桶，4臺使用、1臺備用，及相關配件，特別是易損件(2)購買高水充填材料800t。6.2成本概算1)設備費用充填設備清單及費用見表6-1所示。表6-1充填設備清單及費用序號材料名稱規(guī)格、型號數(shù)量參考價格費用1雙液注漿泵2ZBSB8-1.1/6-22防爆22攪拌桶JB-1000防爆53混合器2總計2)材料費用31011瓦斯尾巷原斷面寬×高為3m×2.3m,經歷兩次采動影響巷道斷面收縮及巷內木垛，其斷面明顯縮小，設計時按斷面3m2計算，31011瓦斯尾巷按600m計算，充填體積為1800m3,充填材料水灰比設計為5:1,則需要充填材料360t,再考慮10%元計算(含運到礦上費用),則材料費用約為80萬元。31011回風順槽和33011回風順槽巷道底寬按3m計算，充填高度按0.5m計算，充填長度按600m計算，需要充填體積也為1800m3,充填材料水灰比設計為5:1,則需要充填材料360t,再考慮10%漿液滲漏、跑漿等，則所需材料為400t左右，每噸材料按2000元計算(含運到礦上費用),則材料費用約為80綜上，所需充填材料費用為160萬元左右。Editor'snote:JudsonJonesisameteorologist,journaphotographer.HehasfreelancedwithCNNforfouryears,coveringsevere(CNN)-Iwillalwaysw