無煤柱開采(采礦新技術之二)

1、無煤柱開采技術無煤柱開采技術 -采礦新技術之二采礦新技術之二目錄無煤柱開采的概念無煤柱開采的意義沿空掘巷的位置與時間沿空留巷適應性分析預留變形巷旁充填技術充填開采技術實例1.無煤柱開采的概念無煤柱開采的概念無無煤煤柱柱開開采采區(qū)段平巷無煤柱“充填開采”無煤柱沿空掘巷沿空留巷采空區(qū)完全充填局 部 充 填回風大巷回風大巷采空區(qū)采空區(qū)區(qū)段小煤柱區(qū)段小煤柱軌道順槽軌道順槽沿空掘巷沿空掘巷回風大巷采空區(qū)采空區(qū)巷旁充填體軌道順槽沿空掘巷回風大巷水平大巷采空區(qū)沿空留巷沿空留巷軌道順槽工作面巷旁充填巷旁充填采空區(qū)完全充填采空區(qū)完全充填矸石充填矸石充填似膏體充填似膏體充填高水材料充填高水材料充填建筑垃圾充填建筑

2、垃圾充填采空區(qū)局部充填采空區(qū)局部充填采空區(qū)局部充填采空區(qū)局部充填2.無煤柱開采的意義無煤柱開采的意義無無煤煤柱柱開開采采技技術術區(qū)段平巷無煤柱“充填開采”無煤柱沖擊地壓沖擊地壓瓦斯與煤突出瓦斯與煤突出 煤柱發(fā)火煤柱發(fā)火 資源回收率資源回收率 采空區(qū)瓦斯抽放采空區(qū)瓦斯抽放 采掘關系采掘關系 資源回收率資源回收率 水資源水資源 地表環(huán)境地表環(huán)境承壓開采承壓開采 水體下開采水體下開采 3.沿空掘巷的位置與時間沿空掘巷的位置與時間沿空留巷巷旁充填沿空掘巷小煤柱護巷沿空掘巷大煤柱護巷外應力場掘巷原始應力場掘巷采空區(qū)矸石s0(a)(b)(c)(d)相對穩(wěn)定階段相對顯著運動階段覆巖穩(wěn)定階段老頂(基本頂)巖梁

3、觸矸是在內應力場中送巷受力和維護狀況比沿空留巷優(yōu)越的先決條件。若掘巷時基本頂巖梁尚未觸矸，即掘巷滯后回采工作面的距離過短，則在內應力場中送巷的受力和變形就與留巷差別不大了?？梢?，送巷的位置由內應力場的范送巷的位置由內應力場的范圍決定圍決定，送巷的時間由基本頂運送巷的時間由基本頂運動的發(fā)展過程決定動的發(fā)展過程決定?；仫L大巷采空區(qū)采空區(qū)區(qū)段煤柱區(qū)段煤柱軌道順槽沿空送巷滯后距離滯后距離L0回風大巷采空區(qū)采空區(qū)軌道順槽相向推進回風大巷采空區(qū)采空區(qū)軌道順槽提前掘進4.沿空留巷適應性分析沿空留巷適應性分析 沿空留巷成功的關鍵技術之一是留巷的穩(wěn)定性，即在地應力和采動引起的動態(tài)支承壓力的作用下，所留巷道的圍巖

4、（包括頂板、底板、一側煤體和一側巷旁充填體）基本保持穩(wěn)定，總體變形量有限且在允許的范圍內，巷道形狀和斷面積滿足工作面通風、運輸和行人的基本要求。 沿空留巷圍巖穩(wěn)定是在地應力和采動支承壓力的共同作用下，巷道圍巖結構（強度）與巷道支護體互相作用，最終達到力學平衡的結果。因此，沿空留巷圍巖穩(wěn)定性是由：(1)應力環(huán)境（地應力和采動支承壓力）(2)圍巖結構(3)巷道支護體三者組成的一個力學系統(tǒng)的平衡狀態(tài)決定的。其中，1.地應力是由煤層埋藏深度和構造運動決定的；2.采動支承壓力是由覆巖結構及工作面采動參數采動支承壓力是由覆巖結構及工作面采動參數決定的決定的；3.圍巖結構是由煤層所處的層位及其沉積環(huán)境決定的

5、；4.而巷道支護體的形式和強度是由目前的技術水而巷道支護體的形式和強度是由目前的技術水平決定的平決定的深部礦井開采過程中，很多礦區(qū)進行了沿深部礦井開采過程中，很多礦區(qū)進行了沿空留巷工程試驗，既有成功的經驗，也有失空留巷工程試驗，既有成功的經驗，也有失敗的教訓。大量的案例證明：在深部礦井開敗的教訓。大量的案例證明：在深部礦井開采中，并不是所有的礦井地質與采動條件都采中，并不是所有的礦井地質與采動條件都適合于沿空留巷，也就是說適合于沿空留巷，也就是說: 沿空留巷技術的應用是有條件的沿空留巷技術的應用是有條件的。因此，對沿空留巷的圍巖穩(wěn)定性進行分類；確定適宜進行沿空留巷的地質條件；研究一種（幾種）適

6、應沿空留巷覆巖運動特點的留巷工藝； 是保證在全國范圍內推廣沿空留巷成功的必要途徑。 沿空留巷圍巖結構的主要特點是： （1）巷道頂板、底板和一側煤體經歷了本工作面采動形成的動態(tài)支承壓力影響，整體強度降低； （2）沿本工作面?zhèn)鹊南飵蜑槿斯こ涮铙w。 因此，應在研究不同地應力場和采動支承壓力場動態(tài)耦合規(guī)律的基礎上，分別對巷道頂板、底板、煤體和巷旁充填體的結構穩(wěn)定性進行分析，以圍巖變形量為控制指標，對沿空留巷的整體穩(wěn)定性進行評價和分類。沿空留巷穩(wěn)定性分類類別穩(wěn)定性程 度頂 板底 板煤層堅固系數f節(jié)理層理直接頂初次垮落平均步距(m)頂 底 板巖石類型(MPa)巖石類型(MPa)移近率(%)移近量(mm)非

7、常穩(wěn)定砂 巖石灰?guī)r泥頁巖68120平均96.5砂 巖粉砂巖砂質泥巖2090中硬以上1.54.02.58不發(fā)育253200不穩(wěn)定粉砂巖砂質泥巖頁 巖2278平均55.2粉砂巖砂質泥巖頁巖12.455中硬0.7-3.0平均1.88發(fā)育122035極不穩(wěn)定泥 巖頁 巖2529平均34,7泥巖頁巖935平均1.0軟弱0.81.25平均1.0發(fā)育1035預留變形巷旁充填技術預留變形量巷旁充填風囊阻風（瓦斯）單體液壓支柱切頂后方臥底擴巷5.預留變形巷旁充填技術預留變形巷旁充填技術 在深部礦井，由于地應力高，圍巖強度呈現“高應力軟巖”特征，區(qū)段平巷在第一個工作面超前支承壓力的作用下往往會產生很大的變形甚至破

8、壞。 在第一個工作面后方側向老頂巖梁回轉下沉過程中，在老頂巖梁及直接頂巖層的共同作用下，沿空留巷承受的壓力急劇增大，留巷變形劇烈，表現為底板鼓起和充填體被壓壞等現象，不能滿足下一個工作面回采時的通風、設備運輸及行人的要求。因此，提出了“預留變形巷旁充填沿空留巷技術”。根據沿空留巷變形量預計結果，設計巷旁充填體的高度為巷道原始高度與預計的巷旁充填體的最大變形量之差；該技術的核心思想是： hhrhch:巷道高度；hr:風囊高度；hc: 充填高度該技術的核心思想是：采用柔性恒阻讓壓風囊安裝在充填體上部，阻斷采空區(qū)的瓦斯。風囊的高度等于充填體預留的高度。在老頂巖梁回轉下沉過程中，風囊在保持一定阻力的情

9、況下可以隨著老頂巖梁一起壓縮變形，以此保證巷旁充填體不被壓壞。 hhrhch:巷道高度；hr:風囊高度；hc: 充填高度該技術的核心思想是：當柔性風囊壓縮到接近不可壓縮的程度時，及時回撤出來；hdhc矸石矸石該技術的核心思想是：采用單體液壓支護配合鉸接頂梁加強支護并對直接頂進行（或人工爆破）切頂，對老頂進行讓壓給定變形；后期根據巷道圍巖變形情況對巷道底板進行起底（臥底）擴修。hdhc矸石矸石泡沫材料4MPa材料5.1 沿空留巷變形分析沿空留巷變形分析掘進工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析掘進工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.在煤

10、體內開掘巷道后，破壞了原始應力狀態(tài)，巷道圍巖出現應力集中，在圍巖塑性破壞發(fā)展過程中，巷道周邊發(fā)生顯著移近。隨著掘進時間延長，圍巖移近速度將逐漸降低。掘進工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.掘巷引起的應力重新分布趨向穩(wěn)定后，由于煤層一般具有流變性質，巷道圍巖仍保持一定變形速度。掘進工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.在上區(qū)段工作面超前支承壓力作用下，圍巖塑性區(qū)進一步擴大，圍巖變形增長較快。掘進工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.在工作面后方巖梁斷裂前彎曲下沉及巖梁斷裂后顯著運動過程中，基本頂巖梁運動迫

11、使巷道頂板快速下沉，將造成很大的下沉量。掘進工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.在基本頂觸矸后，隨著采空區(qū)矸石壓實，巷道圍巖移近速度逐漸趨于穩(wěn)定。掘進工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.回采引起的頂板活動和應力分布趨向穩(wěn)定后，巷道圍巖保持一定的流變速度。掘進工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析.受下區(qū)段工作面回采影響時，由于支承壓力疊加使煤柱塑性區(qū)顯著增大，引起巷道圍巖變形。 掘進工作面u0u1u2u3u4上區(qū)段工作面下區(qū)段工作面沿空留巷變形分析留巷在整個服務期間的圍巖變形量為：，uuuuuuu543

12、210 mm 5.2 巷旁充填體變形量預計巷旁充填體變形量預計LChmzKmzh 沿空留巷的圍巖變形主要是由巖梁彎曲沉降和顯著運動引起的，正確預計這部分變形量即可對留巷的全部變形量作出大概預計。 圍巖變形量預計LChmzKmzh 由于沿空留巷巷道要經歷覆巖運動發(fā)展到穩(wěn)定的全過程，巷旁充填體不可能對基本頂巖梁的運動加以限制，只能限制直接頂運動，因而巷道頂板下沉量由基本頂運動的位態(tài)決定 。 圍巖變形量預計LChmzKmzh 通過實測確定基本頂巖梁運動特征參數，特別是端部裂斷位置和采空區(qū)觸矸位置，即可對留巷的主要變形量作出預計。 圍巖變形量預計LChmzKmzhLKmmhChzz1zKmhLCh圍巖

13、變形量預計LChmzKmzh 如果K=KA（KA為巖石碎脹系數），則上式為巖梁彎曲下沉和顯著運動過程中的巷道變形量u2，即： ) 1(z2AKmhLCu 圍巖變形量預計LChmzKmzh同理，壓實矸石過程中的巷道變形u3為： )(3cAzKKmLCuC:充填帶中線與巖梁端部裂斷線間的水平距離，m L:巖梁懸跨度（端部裂斷線到觸矸點間的水平距離），m KA:巖石碎脹系數，1.301.35 mz:直接頂厚度，m Kc :矸石壓實后的殘余碎脹系數，1.001.05 圍巖變形量預計LChmzKmzh 受頂板活動影響造成的總變形量u23： 圍巖變形量預計LChKmhLCuucz) 1(32U23h5.3

14、 巷旁充填材料巷旁充填材料高水材料石膏采空區(qū)矸石高性能混凝土高壓磚預制砼塊泵 送 早 強高 強廉 價6.充填開采無煤柱充填開采無煤柱 條帶充填的優(yōu)點解決充填材料不足的問題；提高充填速度，解決目前很多工作面“以充定產”的問題； 條帶充填的技術要求充填條帶的間距必須小于直接頂初次垮落步距充填體的支撐強度大于裂斷拱內巖石的重量。充填體材料強度高充填體材料早強充填體材料長期強度穩(wěn)定充填體充填率接近100%，體積縮小有限。充填材料廉價，量足。L直接頂厚度zmc100m2lczz直接頂抗拉強度 ，MPa，m直接頂初次裂斷步距：直接頂容重，t/m31002L2L4.13.50wtzzw充填條帶總寬度，m上覆

15、巖石平均容重，t/m3t充填條帶材料的抗壓強度，MPa7. 實 例山東新汶孫村礦 煤層傾角：16 埋深：390m 高檔普采 目的：開采工廣煤柱，控制地表下沉 效果：地表無下沉似膏體采空區(qū)充填 材料配比: 水泥：粉煤灰：煤矸石=1：4：15 日進3茬，每茬進度0.8m，中班2茬，夜班1茬，早班充填，凝固時間8小時。 水泥水泥罐車壓氣卸料水泥倉星型給料機煤矸石皮帶運輸機煤矸石堆場電溜子緩沖漏斗圓盤給料機帶式輸送機核子秤螺旋輸送機沖板流量計攪拌桶水池井巷充填管路充填采場粉煤灰罐車壓氣卸料粉煤灰倉星型給料機螺旋輸送機沖板流量計攪拌桶減水劑槽魯西南某礦村莊下開采魯西南某礦村莊下開采采深120m。煤層厚度

16、1.3m，f=1.5頂板為均厚4.33m的石灰?guī)r。目前采用條帶開采 條帶寬度10m 開采寬度10m 條帶長度80m 地表無沉陷。u 目的：回收村莊壓煤，控制地表下沉方案I（已采區(qū)域）首先充填已采條帶回采未采條帶。工作面長度10m充填回采減少輔助運輸量減少輔助運輸量方案II（未采區(qū)域）布置長壁工作面輕型綜合機械化回采前面回采，后面條帶充填。充填參數計算石灰?guī)r初次裂斷步距：石灰?guī)r的抗拉強度取4.9MPa， Lz=sqr(2*4.33*4.9*100/2.5)=41.19m按照統(tǒng)計經驗： Lz=0.8M+25.7 =0.8*4.33+25.7=29.16m綜合考慮：Lz取30m充填參數計算充填體總寬度： （1）按拱內巖重計算：Wz=0.5*3.14*40*40*2.5/ 1500=4.18m（2）按所有上覆巖層重量計算：Wz=120*80*2.5/ 1500=16m8101088808