一種大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法
2023-05-03 00:21:01 1
專利名稱：一種大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法
技術領域：
本發明涉及一種煤層的開採方法，尤其與煤層傾角超過30°的堅硬頂板條件下的長壁工作面的煤層開採方法有關。
背景技術：
為了提高推進速度和高效生產，大傾角煤層的綜採已經在我國取得較多的推廣和應用，並取得良好的經濟技術效益，但是與大傾角煤層相對應的沿空巷道維護技術嚴重滯後。目前大傾角煤層工作面主要採用巷旁砌築矸石牆的方法進行留巷和留煤柱開採的沿空巷道的維護。由於煤層傾角增大，煤層開採後，採場頂板也發生與水平煤層頂板不同的礦壓顯現規律。在傾斜堅硬頂板條件下，懸頂面積較水平煤層頂板大，會帶來採場壓力的加大，而採場壓力大造成沿空巷道很難維護。目前對於大傾角煤層開採下沿空巷道的維護主要採用留煤柱支撐採場懸露頂板，保護沿空巷道不被壓壞。但是這種方法不能很好解決和實現大傾角煤層長壁工作面堅硬頂板條件下的無煤柱開採，這是因為:若採用留煤柱維護沿空巷道時，留設煤柱過小，則煤柱難以支撐採場頂板壓力，起不到保護沿空巷道的作用，此時沿空巷道容易被壓壞，變形過大，不能使用；若留設煤柱過大，雖然可以支撐採場頂板壓力，但是會浪費大量煤炭資源無法回採，造成資源損失和浪費；並且留設煤柱會引起煤與瓦斯突出，衝擊礦壓等嚴重災害，造成設備損毀和人員的巨大傷亡，安全隱患巨大。
發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種沿空巷道穩定、變形小、實現無煤柱開採且成本低廉、安全性高的大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法。為實現上述目的，本發明的技術方案如下:一種大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法，包括如下步驟:(I)在煤層上挖掘兩個巷道作為首採面的上順槽巷道與下順槽巷道，所述上順槽巷道與下順槽巷道兩端分別通過另外兩巷道相互連通；(2)在所述下順槽巷道內頂板安裝恆阻大變形錨杆，並沿所述下順槽靠近所述開採面的一側向頂板上加工一排垂直聚能爆破孔，並實施爆破預裂，形成預裂切縫；(3)沿所述下順槽靠近所述開採面的側壁架設支撐所述下順槽巷道內頂板的柱體並在所述柱體靠近開採面的側面上貼設防護層；(4)在所述開採面進行回採，直至形成採空區，隨著煤層回採面的不斷擴大，所述回採面的頂板最後沿所述一排垂直聚能爆破孔形成的預裂切縫發生垮落，並被阻擋在所述防護層之外；(5)當所述回採面的頂板滑落完成後，撤出所述下順槽巷道內的所述柱體，並在所述下順槽的上幫掛網及噴射混凝土，形成封閉巖石和矸石表面的支護層；(7)以原下順槽巷道位置自動形成的巷道作為下一開採面的上順槽巷道，並挖掘相對該上順槽巷道的下順槽巷道，形成新的開採面；(8)重複所述步驟(2)- (7)，連續開採煤炭，直至該煤層開採完畢。進一步，所述步驟(2)中，所述柱體為具有異形墊板的單體液壓柱。進一步，所述單體液壓柱頂端架設在所述恆阻大變形錨杆的槽鋼託梁內。進一步，所述步驟(3)中，所述防護層為防護木排。進一步，所述步驟(6)中，所述可注漿恆阻長錨杆的設定注漿壓力為2MPa。本發明的有益效果在於，本發明與現有技術相比，本發明中在下順槽巷道內頂板安裝恆阻大變形錨杆，並沿其上幫側加工一排垂直聚能爆破孔，沿其側壁架設柱體，並貼設防護層，以使採空區頂板沿預裂切縫垮落，並同時避免下順槽頂板遭到破壞，防止垮落小矸石進入下順槽巷道，使得原下順槽巷道位置自動成巷，然後以該巷道為下一開採面的上順槽巷道繼續下一輪開採，每兩個開採面之間是連續的，無煤柱支撐，沿空巷道穩定、變形小，也不會引起煤與瓦斯突出，衝擊礦壓等嚴重災害，成本低廉、安全性高。
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明:圖1為本發明一種大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法中開採面結構俯視示意圖；圖2為本發明一種大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法中開採面主視剖視結構示意圖；圖3為本發明一種大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法中開採面回採後結構示意圖；圖4為本發明一種大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法中開採面頂板垮落後結構示意圖；圖5為本發明一種大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法中可注漿恆阻長錨杆注漿結構示意圖；圖6為本發明一種大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法中錨杆機和恆阻大變形錨杆連接示意圖；圖7為本發明一種大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法中可注漿恆阻長錨杆結構示意圖；圖8為本發明一種大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法中防護木排結構示意圖。
具體實施例方式體現本發明特徵與優點的典型實施例將在以下的說明中詳細敘述。應理解的是本發明能夠在不同的實施例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及附圖在本質上是當作說明之用，而非用以限制本發明。該方法主要是利用聚能預裂爆破在巷道內沿巷道走向在頂板切出一條縫，然後利用具有異形墊板的單體液壓柱、恆阻大變形錨杆等加固控制手段，對巷道頂板進行支撐，隨著工作面的回採，採場頂板在上覆巖層壓力作用下，沿著切縫發生垮落，直至充填採空空間，實現對上覆巖層的支撐，實現穩定，進而減小巷道內的壓力，維護巷道穩定。由於煤層大傾角導致採場底板坡度較大，因此頂板垮落後的矸石落到底板上，會沿著底板的坡度向下滾落衝向巷道內，在臨近上幫側時會被預先架設的密集支柱擋住。頂板垮落後，為減小後期頂板的緩慢變形來壓對巷道上幫的擠壓，對上幫實施自鑽式可注漿恆阻長錨杆加固，維護上幫穩定。本發明的方法的具體過程如下:(I)本發明中採用的大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法，首先需要形成首採面I。如圖1所示，形成首採面I的方法與現有方法相同，在煤層開採的邊緣上確立首次開採位置，在該位置上採用S100A型綜合機械化掘進機挖掘出兩個平行的巷道2、3，兩個平行的巷道2、3通過巷道4、5連通。靠近邊緣的巷道2為上順槽巷道，靠近繼續開採面11的巷道3為下順槽巷道。每個開採面都必須形成兩條巷道，上順槽巷道2是用於材料運輸的巷道，下順槽巷道3是用於迴風的巷道。(2)如圖2所示，先在下順槽巷道3內的頂板安裝恆阻大變形錨杆6，並沿巷道3內的上幫側(靠近首採面I的一側)打一排垂直聚能爆破孔7，並實施爆破預裂，形成預裂切縫。在大傾角煤層開採過程中，由於下順槽巷道3內的頂板未來壓前，未發生垮落前，會出現一定的頂板懸露，懸露頂板的荷載傳遞到巷道3內，會增加巷道內支護體的荷載，一般的錨索由於可延伸變形小，難以適應這種壓力引起的圍巖大變形，極易發生拉斷，本發明中採用恆阻大變形錨杆6進行加固，公告號為CN101858225B的專利已對該恆阻大變形錨杆6進行了詳細公開。如圖6所示，恆阻大變形錨杆6是專門針對深埋煤層巷道設計的一款可以在深埋煤層巷道巨大壓力作用下保持恆阻並靠機械滑動裝置保持延伸量而不斷的錨杆。恆阻大變形錨杆6包括螺母61、球墊62、託盤63、恆阻裝置64、連接套65與杆體66，恆阻裝置64呈筒狀結構，套裝於杆體66的尾部，託盤63和螺母61依次套裝在恆阻裝置64的尾部，其中託盤63的中間部分設有一孔以供恆阻裝置64穿過，螺母61螺紋連接於恆阻裝置64，螺母61與託盤63之間安裝緩衝的球墊62，連接套安裝在恆阻裝置64另一端。在將恆阻大變形錨杆6應用於煤層巷道中時，當巷道圍巖的變形能超出錨杆所能承受的範圍，通過其結合面上設置有螺紋結構的恆阻裝置64和錨杆杆體66產生相對位移，也即該錨杆6隨著圍巖大變形而發生表現為徑向拉伸的大變形。圍巖發生大變形之後，其能量得到釋放，而恆阻大變形錨杆6在拉伸之後仍然能夠保持恆定的工作阻力，圍巖的變形能小於恆阻大變形錨杆6的恆定工作阻力，恆阻裝置64恢復原狀並緊緊的套裝在杆體66上時，巷道將再次處於穩定狀態，實現了巷道的穩定，消除了冒頂衝擊等安全隱患。恆阻大變形錨杆6承載力15 20KN，延伸量均可達到300 600mm，具有較大的變形能力以適應沿空巷道的大變形能力。在將恆阻大變形錨杆6應用於煤層巷道中時，由於恆阻大變形錨杆6本身具有很大的延伸性，所以可以承受很大的預緊力，通過預緊力補償巷道開挖引起的三維應力損失，快速實現巷道圍巖穩定，而普通錨杆由於施加高的預緊力時會拉伸錨杆，消耗錨杆的延伸量，而其本身延伸量又很小，在巷道巨大壓力作用下，就會導致延伸量不足而破斷。恆阻大變形錨杆6由於有500mm的延伸量，延伸量充足，即使在高預緊力拉伸和巷道壓力雙重作用下，仍不會斷裂，發揮支護作用。
恆阻大變形錨杆6的施工安裝如下所述:①施工前，按設計要求在下順槽3的巷道頂板放線，點好錨索孔位，做好標記。②先使用Φ 28mm雙翼鑽頭溼式在做好標記的位置打眼，為保證孔深準確，可在起始鑽杆上用白色或黃色油漆標出終孔位置，換用42mm的鑽頭將最底下(即頂板上初始孔位，配合恆阻裝置64的部分)的Im鑽孔直徑擴大，要儘量保持筆直以利於恆阻裝置64的安裝。孔深誤差控制在±30mm，要求施工過程鑽眼過程保持垂直，恆阻裝置64外露長度控制在200±50mm。同時在用來託頂的槽鋼上也加工相應的孔，以便於穿過恆阻大變形錨杆6。③用棉絲將恆阻大變形錨杆6錨固段的水、煤巖屑等擦乾淨，然後先將超快樹脂藥卷送入鑽眼，再將快速樹脂藥卷送入鑽眼，使得超快樹脂藥卷在上，恆阻大變形錨杆6套上託盤63後在下端裝上專用攪拌驅動器67，2人配合用恆阻大變形錨杆6頂住超快樹脂藥卷和快速樹脂藥卷緩緩送入鑽眼(注意不能反覆抽拉恆阻大變形錨杆6)；④將專用攪拌驅動器67尾部六方頭插人錨杆機68上。⑤一人扶住錨杆機68的機頭，一人操作錨杆機68，邊推進邊攪拌，前半程用慢速旋轉恆阻大變形錨杆6，後半程用快速旋轉恆阻大變形錨杆6，攪拌時間控制在30 40s。攪拌樹脂藥卷過程中不能停頓，要一氣呵成，絕對不能反覆攪拌，否則已開始聚合反應的樹脂分子鏈會遭到破壞，導致錨固失效。⑥停止攪拌，但繼續保持錨杆機68的推力約3min，然後可縮下錨杆機68並移開打下一個錨索孔。⑦IOmin後，先卸下專用攪拌驅動器67，並使用扳手人工擰緊恆阻裝置64的螺母61將託盤63緊貼到頂板表面，擰到擰不動為止。(3)如圖3所示，然後在靠近首採面I 一側架設具有異形墊板的單體液壓柱8，且單體液壓柱8頂端架設在錨索槽鋼託梁內。並對架設的單體液壓柱8施加不小於90KN的支撐力，以支撐下順槽巷道3內的頂板。如圖8所示，由於煤層的頂板大傾角，因此單體液壓柱8架設時為了增大支撐力作用在頂板的面積，設計了剛性的異形墊板81和異形墊腳82，異形墊板81異形墊腳82均呈楔形，以補償頂板和底板的傾角，其為金屬材料，能承受壓力而不被壓壞，同時異形墊板81上表斜面有磨擦紋路，防止頂板活動後發生滑落。異形墊腳82底面有鋼齒，以便於穩定地固定液壓柱8。在單體液壓柱8的外側(靠近首採面I的一側)架設排柴91，形成防護木排9作為防護層，結構如圖8所示，防止垮落下來的頂板巖石(採礦上又叫矸石)沿著傾斜底板滑入下順槽巷道3內，造成巷道3斷面縮小。(4)如圖4所示，對首採面I的煤層進行回採，直至形成採空區，此時首採面I的頂板懸露，隨著煤層回採不斷向前推進，首採面I上的頂板懸頂面積加大，當壓力繼續加大到一定值時，頂板即沿預裂切縫(即一排垂直聚能爆破孔7形成的面)發生垮落，並被阻擋在貼設在單體液壓柱8外側的防護木排9外邊，由於防護木排9的阻擋，即逐漸累積並充填滿採空區，形成對更上邊巖層的支撐作用。最終充滿後，停止壓力顯現。(5)當首採面I上的頂板垮落完成後，撤出異形墊板單體液壓柱8，保留異形墊板81，然後在上幫掛鐵絲網並噴射混凝土，形成封閉巖石和矸石表面的支護層，將該下順槽巷道3與採空區隔離，以作為新的巷道使用。
(6)然後在巷道上幫安裝可注漿恆阻長錨杆10，安裝完成後，對可注漿恆阻長錨杆10進行注漿，直至注漿壓力達到2MPa後，即停止注漿，如圖5所示。可注漿恆阻長錨杆10是不同於恆阻錨杆的一種新型錨杆，結構如圖7所示，對於與恆阻錨杆相同的部分不再介紹，只對可注漿恆阻長錨杆10的不同之處作出說明:止漿塞107用於注漿完成後防止高壓注漿漿液流失，止漿塞107用膨脹性的材料，遇水後發生膨脹充滿注漿口，起到止漿作用；橡膠墊108用於防止漿液沿著託盤103與巖石壁之間的縫隙發生洩漏，設置在託盤103下部，是一個耐擠壓的可壓縮含氣孔的橡膠墊；鑽孔104的直徑為5mm，鑽孔104主要是為了注漿材料沿著孔進入錨杆10與錨杆孔之間的孔隙，並在壓力的作用下，壓進圍巖中的微小裂隙中，起到加固圍巖的作用。樹脂錨固劑109用於錨杆端部的凝固固定。杆體106為左旋高強無縱筋螺紋錨杆杆體，注漿後，杆體106上螺紋即與注漿體咬合，形成牢固的錨固體。可注漿恆阻長錨杆10主要通過注漿作用，加固上幫垮落鬆散的矸石，通過漿液將其膠結，形成一個整體，這樣在後期頂板緩慢擠壓變形作用下，不會因壓力作用而壓碎並散落到巷道內，起到穩定巷道幫的作用。(7)通過以上作用將下順槽3保留下來，作為下一個工作面11的上順槽使用，而避免留設煤柱和節省了重新掘一條巷道作為下一個工作面11的上順槽。再以原下順槽巷道3位置自動形成的巷道作為下一開採面11的上順槽巷道，並挖掘相對該上順槽巷道的下順槽巷道，形成新的開採面。(8)重複上述步驟(2)- (7)，連續開採煤炭，直至該煤層開採完畢。實施該方法後，由於對煤層的頂板進行了爆破切縫，因此頂板處於預斷裂狀態，當採場頂板壓力作用後，頂板就沿預斷裂縫處發生切斷垮落，從而避免了未預斷裂的頂板形成的頂板懸露面積大，造成對巷道內支護體作用力大的危害。由於壓力減小後，巷內支護體的受力減小，巷內巖石得以完整保留，巷道使用斷面維護良好，保證了後期使用的安全。由於實施了不留煤柱的開採方法，巷道旁不在有煤柱，因此避免了留設煤柱帶來的煤與瓦斯突出危害，大大提高了煤礦工人井下操作的環境的安全性。同時避免了留煤柱帶來的資源浪費，節約了資源，實現了經濟，安全，高效的開採。下面以在芙蓉礦務局下屬的杉木樹礦3313工作面的應用為例進一步說明本發明的實施方式:該工作面煤層傾角32-35度，工作面傾向長216米，走向長650米，埋深600米，屬石炭二疊系宣威組煤炭，採厚2.1米，直接頂為1.5-1.8米堅硬砂泥巖，直接頂上部為2 5米厚細砂巖組成，採用長壁後退式綜合機械化開採，頂板採用冒落法管理。其中機巷長650米，異型斷面，巷高2.5米，巷寬3.6米。在試驗期間，工作面回採600米，經歷多次礦壓顯現之後，累計成巷550米，機巷採空區側頂板大部分沿聚能爆破預裂縫以大塊體切落成巷，巷寬均在3.5米，而且經現場觀測，巷幫切落矸石充滿巷幫並且在採後60米範圍內實現接頂，巷道逐漸趨於穩定，在成巷的600米巷道中除幫側出現40cm的片幫外，頂板和底板收斂變形平均值21cm，巷內和巷旁支護受力均勻，錨索最大受力值11.3t，達到預期的試驗目的。本發明的有益效果在於，本發明與現有技術相比，本發明中在下順槽巷道3內頂板安裝恆阻大變形錨杆6，並沿其上幫側加工一排垂直聚能爆破孔7，並實施爆破預裂，形成預裂切縫，沿其側壁架設柱體8，並貼設防護層9，以使採空區頂板沿預裂切縫垮落，並同時避免下順槽3的頂板遭到破壞，防止垮落小矸石進入下順槽巷道3，使得原下順槽巷道3位置自動成巷，然後以該巷道為下一開採面的上順槽巷道繼續下一輪開採，每兩個開採面之間是連續的，無煤柱支撐，沿空巷道穩定、變形小，也不會引起煤與瓦斯突出，衝擊礦壓等嚴重災害，成本低廉、安全性高。本發明的技術方案已由優選實施例揭示如上。本領域技術人員應當意識到在不脫離本發明所附的權利要求所揭示的本發明的範圍和精神的情況下所作的更動與潤飾，均屬本發明的權利要求的保護範圍之內。
權利要求
1.一種大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法，其特徵在於，包括如下步驟: (1)在煤層上挖掘兩個巷道作為首採面的上順槽巷道與下順槽巷道，所述上順槽巷道與下順槽巷道兩端分別通過另外兩巷道相互連通； (2)在所述下順槽巷道內頂板安裝恆阻大變形錨杆，並沿所述下順槽靠近所述開採面的一側向頂板上加工一排垂直聚能爆破孔，並實施爆破預裂，形成預裂切縫； (3)沿所述下順槽靠近所述開採面的側壁架設支撐所述下順槽巷道內頂板的柱體並在所述柱體靠近開採面的側面上貼設防護層； (4)在所述開採面進行回採，直至形成採空區，隨著煤層回採面的不斷擴大，所述回採面的頂板最後沿所述一排垂直聚能爆破孔形成的預裂切縫發生垮落，並被阻擋在所述防護層之外； (5)當所述回採面的頂板垮落完成後，撤出所述下順槽巷道內的所述柱體，並在所述下順槽的上幫掛網及噴射混凝土，形成封閉巖石和矸石表面的支護層； (6)在所述下順槽巷道的靠近所述開採面的側壁上安裝可注漿恆阻長錨杆，並對所述可注漿恆阻長錨杆進行注漿； (7)以原下順槽巷道位置自動形成的巷道作為下一開採面的上順槽巷道，並挖掘相對該上順槽巷道的下順槽巷道，形成新的開採面； (8 )重複所述步驟(2 ) - (7 )，連續開採煤炭，直至該煤層開採完畢。
2.如權利要求1所述的大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法，其特徵在於，所述步驟(2)中，所述柱體為具有異形墊板的單體液壓柱。
3.如權利要求2所述的大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法，其特徵在於，所述單體液壓柱頂端架設在所述恆阻大變形錨杆的槽鋼託梁內。
4.如權利要求1所述的大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法，其特徵在於，所述步驟(3)中，所述防護層為防護木排。
5.如權利要求1所述的大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法，其特徵在於，所述步驟(6)中，所述可注漿恆阻長錨杆的設定注漿壓力為2MPa。
全文摘要
本發明公開了一種大傾角煤層長壁工作面無煤柱開採方法，包括如下步驟(1)挖掘上順槽巷道與下順槽巷道；(2)安裝恆阻大變形錨杆，加工一排垂直聚能爆破孔，並實施爆破預裂；(3)架設支撐頂板的柱體並在柱體背後設防護層；(4)進行回採，回採面的頂板沿預裂切縫發生滑落；(5)撤出柱體，並掛網及噴射混凝土，形成支護層；(6)安裝可注漿恆阻長錨杆，並進行注漿；(7)以原下順槽巷道位置自動形成的巷道作為下一開採面的上順槽巷道；(8)重複步驟(2)-(7)。本發明使採空區頂板沿預裂切縫垮落，並同時避免下順槽頂板遭到破壞，防止垮落小矸石進入下順槽巷道，使得原下順槽巷道位置自動成巷。
文檔編號E21F15/02GK103195426SQ20131014199
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月22日 優先權日2013年4月22日
發明者何滿潮, 孫曉明, 楊曉傑, 張國鋒, 趙術江, 李東發 申請人:中國礦業大學(北京)