厚煤层全煤巷采区巷道布置关键技术研究.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 0 4 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．2 M a r ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 20 1 7 4 0 4 厚煤层全煤巷采区巷道布置关键技术研究 屠世浩，邹喜正，陈宜先 中国矿业大学能源科学与工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要在分析煤矿开采过程中大量矸石排放造成矿区土地资源浪费、水资源破坏和大气污染现 状的基础上，根据采堞技术发展现状，提出了厚煤层采区全煤巷布置系统，并对厚煤层采区煤层 上山 或煤层大巷 的维护、采空区排水和防灭火等关键技术进行了研究，以实现厚煤层矿井的安 全、高效、洁净开采． 关键词厚煤层；采区全煤巷布置；矸石不出井；绿色开采 中圈分类号T D8 2 2 ．2文献标识码A T h eK e yT e c h n i q u eo nL a y o u to fE n t r y E n t i r e l yi nT h i c kC o a lS e a m T Us h i h a o ，Z O UX i z h e n g ，C H E NY i x i a n S c h o o lo fM i n e r a la n dE n e r g yR e s o u r c e s ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t D e t e r i o r a t i o no fl a n da n dw a t e rT e s o u r e e sa n da i rp o l l u t i o ni nm i n i n g8 f l e ac a u s e db ym a s s w a s t ep r o d u c e di nm i n i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e d ．B a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fm i n i n gt e c h n o l o g y ， t h el a y o u to fe n t i r ee n t r yi nt h i c kc o a ls e a mi sp u tf o r w a r d ．T h ek e yt e c h n i q u eo nt h em a i n t e n a n c e o fc o a lr i s e m a i nr o a d w a yi nc o a ls e a m ，t h ed r a i n a g eo fg o a l ，p r e v e n t i o na n de x t i n c t i o no fm i n e f i r e si nt h eg o ba r e ao fw o r k i n gf a c ei nt h i c kc o a l 目E , a ma r ea l s os t u d i e di no r d e rt or e a l i z et h es a f e ， h i g he f f i c i e n c y ，c l e a nm i n i n g ． K e yw o r d s t h i c kc o a ls e a m ；l a y o u to fe n t r ye n t i r e l yi nc o a ls e a m ‘w a s t en o td i s c h a r g e df r o mm i n e ； g r e e nm i n i n g 煤矿开采造成矿区环境严重破坏，无节制地开 采和废弃物的排放使青山绿水变成荒山浊水．矸石 作为煤矿开采排放的固体废弃物，对矿区环境影响 较大，主要表现在1 大量矸石露天堆场，遇到雨 天，污水流入地表水系或渗入地下潜水层，对地表、 地下水源造成污染，使矿区周围的河流、沼泽地或 积水池等变为黑水死水．2 矸石山压占良田，严重 影响地表植被的生长与发育．目前我国大中型煤矿 有矸石山15 0 0 多座 不包括近8 万个乡镇及个体 小煤矿堆积的矸石 ，矸石堆放量达3 0 亿t 以上， 占地面积约2 ．6 万h a ．[ 1 ] ．我国每年生产原煤1 2 亿 t 左右，矸石排放量一般为原煤产量的8 ％～2 0 ％，平均约为1 2 ％，年排放矸石1 ．5 亿t 左右，预 计到2 0 1 0 年排矸量将每年增加2 亿t ，年新增占地 将接近6 6 7h a ．口] ．如平顶山矿区在过去4 0 年中， 排放矸石积存量39 0 0 万t ，形成3 1 座矸石山，占 地9 8h a ．，其中7 7 ．5 ％为可耕地面积[ 2 4 ] ．3 污染 大气环境．据统计，全国正在自燃的矸石山约2 0 0 座口] 。自燃过程排放大量有害气体，如S O ，C O ， H 。s 及氮氯化合物、烟尘等，污染空气，形成酸雨， 污染水源和土地，抑制植物生长，危及人类健康． 煤矿矸石排放主要是由于大量开掘岩石巷道 造成的．当今社会经济高速发展，人们生活水平日 益提高，对煤炭的需求量大幅度增加，不可能限制 煤炭资源的开发利用．在煤炭产量大幅度增加的同 时，研究减少矸石排放的开采技术十分必要．采区 收稿日期，2 0 0 3 1 0 一1 3 作者简介，屠世措 1 9 6 3 一 ，男，浙江省绍兴市人，中国矿业大学副教授，工学博士。从事采矿系统工程、采矿方法的研究． 万方数据 第2 期屠世浩等厚煤层全煤巷采区巷道布置关键技术研究 1 7 5 全煤巷布置是实现矿井矸石不出井开采的有效途 径．中厚煤层开采由于巷道围岩条件较好，相对易 于实现全煤巷开采．厚煤层开采由于采区储量大、 工作面推进速度慢、巷道围岩条件差且受采动影响 剧烈等原因，实现全煤巷开采较为困难，研究厚煤 层开采采区全煤巷布置关键技术，实现厚煤层采区 全煤巷布置意义重大． 1厚煤层开采采区全煤巷布置系统 近年来我国煤矿采煤工艺水平有了较大发展， 特别是综采技术发展迅速，综采面单产水平的大幅 度提高，加快了综采面的推进速度，采区内同采工 作面数目由过去的多个减少为单个工作面开采．综 采放顶煤技术、大采高综采技术的发展和E i 趋成 熟，扩大了综采整层开采的应用范围，使采区巷道 布置方式大大简化．目前我国煤矿厚煤层开采过程 中较多采用的采区双翼布置、底板岩石上山、区段 设岩石集中巷的布置方式已失去其原有的优越性， 而岩石工程量大、采区准备时间长，生产系统复杂、 占用设备多，且不利于采区辅助运输的现代化等弊 病越来越明显，越来越与现代化高产高效矿井建设 及综采的发展水平不相适应． 煤巷快速掘进技术，锚、网、喷等综合支护新技 术的发展，使大断面煤层巷道能长期维护使用．新 型辅助运输技术和装备的出现，提高了辅助运输设 备对巷道起伏变化的适应性，加快了工作面准备和 搬迁速度．长距离独头煤巷掘进通风及安全技术的 进展，解决了长距离煤巷掘进通风、降温、煤炭自燃 和辅助运输等安全问题．这些都为采区巷道布置方 式的改革创造了条件． 图1 为厚煤层全煤巷采区巷道布置方式，为单 翼下山采区，主要特点1 沿煤层底板布置一组煤 层大巷，分别为胶带运输大巷、辅助运输大巷和回 风大巷．2 在采区一侧布置一组煤层下山，分别为 辅助运输下山、胶带运输下山和回风下山，辅助运 输下山、胶带运输下山沿煤层底板布置，回风下山 沿煤层顶板布置，胶带运输下山在大巷附近逐渐抬 高，在与胶带运输大巷相交位置设垂直或水平煤 仓．3 根据矿压规律，厚煤层放顶煤开采工作面超 前支承压力最大影响距离在8 0m 左右，为避开超 前支承压力的影响，考虑工作面移动变电站长度， 停采线到辅助运输下山的距离1 0 01 1 1 ．I 下山间需布 置联络巷，为满足设置风门的要求，下山间距取4 0 m ．4 为便于采空区排水、工作面准备和必要时向 采空区注浆防灭火，在采区边界沿煤层底板布置采 区边界巷．5 考虑综采设备的大修周期、单台可伸 缩胶带输送机最大铺设长度、区段平巷的排水距离 等因素，采区的走向长度一般为15 0 0 ～24 0 0m ． 采区下部边界巷 I 肚带运输F 山 巾／辅助遥袖下山 I I，区段回风平巷 r ] r c - I 【来区攥任、区骨运辅平巷／回风大巷 辅助运输大巷胶带运输大巷 图1 单翼下山采区全煤巷布置方式 F i g ．1L a y o u to fe n t i r ee n t r yi nt h i c k c o a ls e a mi no n ew i n g 下山 图2 为带区式全煤巷布置方式，主要特点1 沿煤层走向方向在煤层中布置了一组煤层大巷，分 别为胶带运输大巷、辅助运输大巷和回风大巷．2 沿煤层底板平行布置分带胶带斜巷和分带辅助运 输斜巷．3 在带区边界依据煤层开采地质条件，可 布置边界辅助巷道，以利于工作面及采空区排水、 通风、工作面的准备和安装．4 带区的倾斜长度一 般为15 0 0 ～24 0 0 m Z 7 大巷 重精 分带辅助运鞠 、 ／斜巷 边界 ， 蜜 开韫 眼 l ．．．L ≤ 图2 带区式全煤巷布置方式 F i g ．2L a y o u to fe n t i r ee n t r yi nt h i c k c o a ls e a mi ns t r i pd i s t r i c t 上述两种布置方式在煤层倾角较小、起伏不 大，煤层硬度中等以上、水文地质条件较简单的条 件下使用，可使采区岩巷掘进率接近于零，巷道掘 进费用大幅度降低． 2 实现厚煤层采区全煤巷布置的技术关键 2 ．1 采区煤层巷道的维护 区段 或分带 运输巷布置在实体煤中，回风巷 布置在采空区一侧，留3 ～5m 的小煤柱沿空掘 巷．近几年来厚煤层巷道锚梁网支护技术的成功应 用，有效地改善了厚煤层工作面两巷的维护状况． 根据济宁三号井1 3 0 1 和4 3 0 1 综放工作面的实测， 采深4 7 0 ～5 9 0m ，煤层厚度6 ．6 ～6 ．8I D ，普氏系 数2 ．2 左右，回采巷道采用锚梁网支护，实体煤中 万方数据 中国矿业犬学学报第3 3 卷 的工作面运输巷掘进期两帮平均移近量为7m m ， 顶底板平均移近量为3 5m m ，掘进7d 后巷道进入 稳定期，稳定期内的巷道变形量非常微小．回采影 响期巷道的变形比较大，两帮平均移近量为1 3 0 m m ，顶底板平均移近量为3 2 5m m ，采动影响距离 为3 0m ．采空区一侧的工作面回风巷掘进期两帮 平均移近量为5 6I i i r i i ，顶底板平均移近量为3 2 m m ，一般掘进1 5d 后巷道进人稳定期，稳定期内 巷道的两帮平均移近量为8m m ，顶底板平均移近 量为5m m ，回采影响期巷道的两帮平均移近量为 7 0 0m m ，顶底板平均移近量为3 5 5m m ，采动影响 距离为4 5m ，回采巷道维护不成问题． 另据兖州兴隆庄煤矿4 3 2 0 、4 3 2 6 等工作面实 测资料，工作面采深5 0 0m 左右，煤层平均厚度 8 ．6m ，普氏系数1 ．5 ～2 ．5 ，综放面实体煤回采巷 道超前支承压力明显影响区3 0 ～5 0m ，支承应力 高峰区l O b 2 0m ；沿空巷道超前压力明显区一般 为5 0 ～8 0m ，高峰区2 0 ～4 0m ．东滩矿开采深度 达7 0 0m 左右，根据矿压观测资料，采煤工作面超 前支承压力最大影响距离8 0m ．3 t 煤层变薄，综 放面实体煤回采巷道超前支承压力明显影响区范 围3 8m ，沿空巷道超前压力明显区一般为6 7r 1 1 ． 煤质、煤层厚度、顶煤放出率、顶板岩性、开采 深度都影响综放工作面前方支承压力分布．煤质愈 软、煤层愈厚、顶煤放出率高、顶板不易冒落、采深 增加，支承压力分布范围扩大、支承压力峰值点距 煤壁愈远．采动影响期间应加强回采巷道的维护． 厚煤层采区全煤巷布置的关键是煤层大巷和 煤层上山的维护问题[ “．大巷或上山护巷煤柱一侧 为综放面回采空间，另一侧为已掘的大巷或上山， 回采空间和已开掘的大巷或上山在护巷煤柱两侧 形成各自的支承压力升高区．根据济宁三号井 1 3 0 1 和4 3 0 1 工作面回采期间的实测，当大巷一侧 煤柱宽度为6 0m 时，大巷受采动影响非常大，巷 道喷层脱落，底板开裂，两帮移近量的平均值为5 6 m m ．底鼓量平均为2 8 4m m ，最大值为7 2 8m m ；在 煤柱宽度8 0m 以上时，大巷受采动影响较小．因 此，煤层大巷或上山一侧煤柱设计宽度应大于8 0 m ，以避开工作面超前支承压力的影响．边界上 下 山护巷煤柱宽度可适当减小到4 0 ～6 0r f l ．煤 层大巷断面大，服务年限长，受两侧采动影响，应适 当增加护巷煤柱宽度． 上述研究表明，只要支护方式选择得当、煤柱 留设合理、加强采动影响期间巷道维护，在条件适 宜的厚煤层中可以采用全煤巷采区巷道布置． 2 ．2 设置水平煤仓提高采区生产系统的可靠性 由于采区巷道和大巷均布置在同一煤层中，受 上山或分带运输斜巷与运输大巷之问搭接高度的 限制，要设置垂直煤仓势必要求抬高上山或分带运 输斜巷，增加搭接高度，必然会增加采区岩巷掘进 工程量．如采区不设煤仓，大巷运输系统的设计能 力就要求满足工作面产量峰值的需要，增加了大巷 运输设备的投资；为满足采区内煤巷掘进出煤的需 要。大巷带式输送机不得不频繁起动运输掘进出 煤，使大巷运输系统的事故率太幅度增加，降低了 运煤系统的可靠性． 设置水平煤仓，首先可以缓冲工作面峰值产量 给采区外部运输系统带来的压力，避免运输系统频 繁起动，提高系统运行的可靠性；其次，可将巷道掘 进中产生的矸石和煤分离，提高煤炭采出率；第三， 水平煤仓无需将原煤向较低水平转运，可以减少原 煤破碎程度，增加原煤块煤率，经济效益显著；第 四，不增加采区岩巷掘工程量．因此，在全煤巷布置 采区，可根据情况设置采区水平煤仓． 2 ．3 安全保障系统 采用全煤巷采区巷道布置，采区取捎底板岩石 巷道后，给工作面通风、排水、防灭火带来困难，对 矿井抗灾害能力有一定影响，在巷道布置上应采取 措施加以改进． 由于采空区和工作面两巷下方无岩石集中巷， 工作面和回采巷道涌水量大时，排水较困难．同时， 由于采空区积水，会给相邻工作面的准备和回采带 来危险．因此，在涌水量较大的采区采用全煤巷布 置时，要在采区边界布置边界巷道，在边界巷道标 高较低处设水仓，以利于集中向外排水． 厚煤层放顶煤开采采空区遗煤相对较多，在有 白燃危险的煤层容易引起采空区自然发火．区段或 分带取消岩石集中巷后，无巷道可通向采空区，给 采空区注浆防灭火带来困难．另外，工作面两巷采 用单巷布置，长距离单巷独头掘进采用局扇通风， 通风较困难．利用边界上山或边界巷，通过联络巷 向采空区注浆或其它惰性气体，有利于采空区防灭 火，安全状况大为改善．设置边界巷后，可缩短工作 面准备时间和工作面准备时的局扇通风距离，改善 了采区通风系统． 3 应用效果 以兖州矿业集团公司厚煤层矿井开采为例，采 用煤、岩巷相结合的边界上山取代中间岩石上山 取消区段岩石集中巷，区段采用全煤巷布置或分带 万方数据 第2 期屠世浩等厚煤层全煤巷采区巷道布置关键技术研究 全煤巷布置，加大了工作面连续推进长度，减少了 联络巷道工程量，降低了巷道掘进率，特别是岩巷 掘进率，矿井万吨巷道掘进率由8 6 ．1 lm ／万t ，下 降到3 6 ．9 4m ／万t ．其中岩巷掘进率由3 3 ．0 1m ／ 万t ，下降到8 ．2 8m ／万t ，每年可少掘岩巷8 65 5 5 m ，少排放矸石3 6 0 万t 以上． 济宁三号煤矿，以煤层大巷开拓为主，采用厚 煤层带区全煤巷布置，实行单一煤层开拓、准备和 回采，煤巷采用锚网支护方式，留设合理的护巷煤 柱后，巷道维护状况良好．矿井生产过程中岩巷掘 进工程量小，大幅度减少了矿井的矸石排放量， 2 0 0 3 年上半年月平均生产原煤8 0 ～8 5 万t ，月平 均矸石排放量不足2 万t ，大大低于同类矿井的排 放水平，降低了矿井矸石运输、提升和地面处理工 作量嘲．地面排放的少量矸石全部用于充填塌陷 区、修路、建材和发电，地面无新矸石山堆放，矿井 环境清洁优美，经济、社会效益显著． 参考文献 [ 1 ]张宝明，陈炎光，徐永圻．中国煤矿高产高效技术 [ M ] ．徐州中国矿业大学出版，2 0 0 1 ．6 4 46 4 7 ． [ 2 ] 屠世浩，陈宜先．探讨绿色开采技术保护矿区生态环 境[ J ] ．能源环境保护，2 0 0 3 4 ．1 0 1 3 ． [ 3 ] 王文，桂祥友．矿业可持续发展与无废开采[ J ] ．能 源环境保护，2 0 0 3 4 1 4 16 ． [ 4 ] 陈炎光．陆士良．中国煤矿巷道围岩控制[ M ] ．徐州 中国矿业大学出版，1 9 9 4 ．7 7 8 2 ． [ 5 ] 兖矿集团有限公司．济宁三号矿井建设项目后评价与 展望[ M ] ．北京煤炭工业出版社，2 0 0 2 ．1 8 9 ． 责任编辑王玉浚 上接第15 8 页 参考文献 E l i 钱鸣高，许家林，缪协兴．煤矿绿色开采技术[ J ] ．中国 矿业大学学报，2 0 0 3 ．3 2 4 3 4 3 3 4 8 ． [ 2 ] 刘同有，周成浦．金铭良，等．充填采矿技术与应用 [ M ] ．北京，冶金工业出版社．2 0 0 1 1 7 2 1 7 3 ，2 7 2 ， [ 3 ] 阜新矿务局．阜新的水砂充填工作[ M ] ．北京煤炭 工业出版社，1 9 5 9 ．1 0 9 ． [ 4 ]王泳嘉．煤炭科学技术论文选一水砂充填[ M ] ．北 京煤炭工业出版社，1 9 5 9 ．1 1 9 1 2 7 ． [ 5 ] 杨国清．刘康怀．固体废物处理工程[ M ] ．北京科学 出版社，2 0 0 0 ．4 - 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