厚煤层综采工作面沿顶掘进沿底回采顶部充填技术研究与应用_尹胜波.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-03-18修回日期 2020-04-25 第一作者简介 尹胜波 （1977-） ， 男 （汉族） ， 河南延津人， 高级工程师， 现从事煤矿安全生产工作。 厚煤层综采工作面沿顶掘进沿底回采 顶部充填技术研究与应用 尹胜波*， 金明乾 （河南能源永煤公司鑫龙煤业贺驼煤矿， 河南 安阳 455000） 摘要 安鹤井田内煤矿厚煤层综采工作面采用顺槽沿顶板掘进、 留三角煤回采， 部分矿井在综采工 作面超前支护段内采用卧底绞木垛方法减少遗留三角煤量， 但存在木材强度低、 受压易断、 支护失 稳等缺点， 极大影响超前及端头支护安全可靠性能。贺驼煤矿为解决综采工作面沿顶掘进沿底回采 期间绞木垛安全性能差的问题， 与河南理工大学进行项目合作， 在贺驼煤矿1112工作面进行了沿顶 掘进沿底回采顶部充填试验， 取得了极好的效果。 关键词 厚煤层； 综采工作面； 沿顶板掘进； 沿底板回采； 顶部充填 中图分类号 TD823.7 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202011-0195-03 目前， 厚煤层是我国煤炭企业实现高产高效开采 的主力煤层， 在国内现有煤炭资源储量与产量中， 厚煤 层储量和产量占比约45 [1]。河南省安鹤煤田主采煤 层为二1煤， 该煤层为厚煤层， 具有突出危险性， 煤层硬 度系数f0.4， 综采工作面采用综采放顶煤工艺[2]， 煤种 多为无烟煤、 主焦煤、 贫瘦煤， 属于稀有煤种。为提高 掘进效率和安全性， 安鹤井田内煤矿综采工作面采用 顺槽沿顶板掘进、 留三角煤回采， 会遗留大量三角煤浪 费资源[3]。为提高煤炭回收率， 部分矿井在综采工作面 超前支护段内采用卧底绞木垛方法减少遗留三角煤 量[4]， 但存在木材强度低、 受压易断、 支护失稳等缺点， 极大影响超前及端头支护安全可靠性能。贺驼煤矿为 解决综采工作面沿顶掘进沿底回采期间绞木垛安全性 能差的问题， 与河南理工大学进行项目合作， 在贺驼煤 矿1112综采工作面进行了沿顶掘进沿底回采顶部充填 试验， 取得了极好的效果。 1工作面概况 1112 工作面位于 11 采区南翼， 东部为未开采的 1114工作面， 西部为已开采的1110工作面采空区， 南 部为矿井边界防隔水煤柱， 北部为采区回风下山保护 煤柱。工作面开采二1煤， 平均煤厚7.2ｍ， 工作面倾斜 长度122ｍ， 剩余回采长度270m。工作面上顺槽为小 煤柱沿底板掘进， 采用36U钢直墙半圆拱断面， 巷道尺 寸为4500mm3000mm， 主要用于回风、 运料、 行人； 下 顺槽为沿顶板掘进， 采用锚网所支护， 巷道断面为梯 形， 巷道尺寸为4500mm3300mm， 主要用于进风、 运 煤、 行人。工作面采用MG200采煤机、 ZF2600/16-24 放顶煤支架、 SGZ630/2132刮板输送机、 SZZ630/90 转载机， 两巷超前均采用π型梁超前支架单体液压 支柱支护， 工作面采高2.2m， 采放比12.6。初期回采 时沿顶板推进， 工作面下端头遗留大量三角煤， 造成资 源浪费。为提高煤炭回收率， 下顺槽采用超前内多次 卧底绞木垛的方法， 尽量沿底板回采。木材顺纹受压 与横纹受压差别较大， 常用木材顺纹受压强度8.0～ 16MPa， 局部表面接触的横纹受压强度2.1～5.1MPa[5]， 采用木垛绞顶后单体液压支柱初撑力仅2～3MPa， 远 低于规程要求， 且木垛受压折损引起顶梁失稳， 安全工 作受到极大威胁， 如图1所示。 2施工方案 2.1充填材料选择 为提高巷道顶部充填工作安全性能， 需彻底根除 绞木垛后顶板支护极易失稳的问题并找到相应的替代 材料、 现场支护方法和工艺流程。 选择替代木垛的充填材料时， 主要考虑 充填体具 备较好受力特性， 满足支护强度要求； 混合浆具有一定 流动性， 并能够快速凝固， 凝固后强度快速增加； 充填 195 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 速度快， 能够满足工作面推进需要； 充填材料加水后可 长时间远距离运输， 不凝固； 可提高水灰比， 减少材料 使用量。借鉴国内目前无极材料的使用情况， 确定选 择沿空留巷充填高水材料[6]。 该充填材料分A料和B料， A料主料为硫铝酸盐 水泥熟料， B料主料为石膏石灰并加入一定比例的添 加剂。对A料、 B料与水的不同配比进行试验， 具体如 表1所示。 从表1中可以看出， 材料水灰比越小， 充填体强度 越大， 但材料消耗量越大。鉴于固化时间、 强度及成本 等原因， 确定现场水灰比为3.5 ∶ 1， 1m3充填体消耗充填 材料275kg。 2.2充填制浆系统 水灰比 3.0 ∶ 1 3.5 ∶ 1 4.0 ∶ 1 4.5 ∶ 1 5.0 ∶ 1 固化时间 （min） 30 40 50 90 120 单轴抗压强度 （MPa） 7d 2.10 1.93 1.89 1.60 0.82 14d 2.50 2.10 1.95 1.80 0.87 28d 2.90 2.20 2.04 1.91 0.91 材料 消耗 （kg/m3） 305 275 241 216 194 表1不同水灰比条件下材料性能参数 图1超前绞木垛顶板支护现场图 高速制浆充填系统由制浆机、 气控定量水箱和配 套管路组成。见图2。 图2充填制浆系统 该系统特点 快速自动定量加水， 可实现快速供水 和搅拌平行作业； 制浆能力大效率高， 从加水、 制浆到 排浆共需120s， 制浆速度快， 搅拌效果好； 制浆泵送一 体化， 通过气动旋转操控阀实现制浆、 泵送快速转换； 泵送充填能力大， 泵送能力达30～50m3/h， 远远高于一 般制浆泵； 系统简单， 投资少。 高速制浆充填系统距工作地点50m， 自外向里分 别为A料制浆机、 A料定量水箱、 B料制浆机、 B料定量 水箱， 分别从A、 B料制浆机引出一根输浆管， 5～10m 后经三通接入混合管路引至充填袋。 2.3施工工序及注意事项 充填施工工序 超前外卧底、 支护→悬挂担梁圆木 →架π型梁→铺钢筋网→搭设工作平台→吊挂充填袋 →充填袋充气→充填袋注浆。 （1） 超前外卧底要分段分次进行， 单次卧底深度以 不超过1.5m为宜， 卧底长度不少于30m， 卧底刷帮后及 时挂网补打锚杆锚索， 最终下顺槽卧底深度5.0m左 右， 实现沿底板回采。 （2） 在巷道两帮锚杆上用∅15.5mm 钢丝绳固定 ∅18cm的红松木， 在红松木上架设π型梁 （梁长与巷道 宽同） ， 用8铁丝将梁与红松木固定， 红松木与巷道坡 度相同。 （3） π型梁下轻点单体支柱， 用防倒链将单体柱拴 在π型梁上， 梁上铺钢筋网和塑编网形成工作平台， 网 边搭接宽度200mm， 平台边界处用∅15.5mm钢丝绳作 196 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 为防人员跌落的防护网。 （4） 将充填袋四角悬挂在顶板上， 充填进料口及充 气口在最高处， 对顶板及两帮锚索进行包裹。充填袋 自由面用5根2.5吋钢管进行防护， 钢管垂直巷道中线 自上而下水平间隔布置， 间距0.8m， 钢管两端需深入煤 帮0.5m并固定牢固， 钢管与充填袋之间背设50mm厚 的木板， 确保注浆时充填袋不外鼓破裂。 （5） 注浆前， 用压风对充填袋充气， 使充填袋完全 展开， 注浆期间保持压风。 （6） 每个充填袋首次注浆充填时， 充填高度不易超 过充填袋高度的1/3， 确保充填袋底层不出现坠兜现 象， 上部充填速度可适当加快。 3结论 3.1安全效果 在充填区域超前支护段均匀安装6台单体支柱测 压仪， 编号为 1～6。单体柱工作阻力观测数据为 7.3～23.5MPa， 远超绞木垛时的单体柱工作阻力。端 头支护单体柱初撑力满足不小于11.5MPa的要求， 未 出现顶梁失稳现象， 工作面下隅角安全状况得以大幅 提升。见图3。 图3充填后支护效果图 随着工作面推进， 充填体进入采空区后呈块状体 偏转下落， 即充填体工作面侧在移架后先下落。 3.2经济效果 1112综采工作面按照下顺槽沿顶板回采， 每米多 留三角煤量120t， 以剩余回采长度270m计算， 工作面 丢煤32400t。采用沿底回采顶部充填工艺， 扣除充填 期间所用材料费210万元， 还可增收2095万元。 3.3建议 （1） 采用人工卧底刷帮， 工作效率低， 影响综采工 作面快速高效推进， 可推广使用巷道挖底机。 （2） 现有制浆设备功率低、 输浆距离短、 人工运料 距离远等不足， 应考虑制浆设备功率提升， 实现远距离 制浆输浆。 （3） 架棚及搭设工作平台效率低， 可考虑加工平台 成品， 提高工作效率， 并能够循环利用降低成本。 参考文献 [1]王家臣.我国厚煤层开采技术新进展[C]//第七次煤炭科学技 术大会文集， 北京 煤炭工业出版社， 2011 248-254. [2]孟宪锐， 温星星， 高洋.厚煤层开采方法的选择原则与现状 [C]//煤炭开采新理论与新技术， 新疆 中国煤炭学会开采专 业委员会文集， 2012 37-45. [3]李运华.厚煤层综采工作面回收底三角煤工艺[J].河北煤炭， 2007 （2） 35-36. [4]李有春,综放工作面巷旁充填沿空留巷支护技术研究[J].山 西煤炭,2018,38221-24. [5]邢福康， 蔡坫， 刘玉堂， 等.煤矿支护手册[M].煤炭工业出版 社， 2012. [6]王学， 潘泽勇.高水材料巷旁充填技术在安益煤业的应用[J]. 能源与环保， 2019， 41 （6） 140-146. （上接第194页） 参考文献 [1]冯锡文.矿井井下照明设计与工效研究[J].煤炭工程师,1998 42-4， 52. [2]吴桂义,高以谋,况礼澄.矿井开采工作面产量与工效预测的 神经网络模型[J].贵州工业大学学报,1998385-90. [3]毛勇.矿井产量、 工效指标合理确定的分析[J].徐煤科技, 1997313-14. [4]王志亮,张跃兵.煤矿生产能力核定指标体系的研究[J].煤炭 工程,200811113-115. [5]王志亮,徐景德,张莉聪.煤矿生产能力核定计算方法的优化 研究[J].矿业安全与环保,2009,36168-71. [6]胡沛,唐明亮.地质复杂矿井实现达产的探讨[J].江西煤炭科 技,2003413-14. [7]左秀峰,张先尘,王玉浚,屠世浩,张东生.生产矿井持续生产 能力的研究[J].中国矿业大学学报,2002264-67. [8]陈于恒,孙建明,章毛平. “三下” 采煤优化决策系统的探讨[J]. 煤炭经济研究,19911256-57. 197 ChaoXing