预掘巷过断层及其矸石井下处理技术.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 M 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i 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 2 0 1 7 8 0 5 预掘巷过断层及其矸石井下处理技术 张东升，张吉雄，徐金海 中国矿业大学能源科学与工程学院，扛苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要针对采煤工作面过断层速度慢、效率低且影响煤质等缺点，提出工作面快速无矸石过断层 清洁开采技术．该项技术的关键有二一是在断层中预掘巷；二是矸石在井下处理．基于断层中预 掘巷的矿压特点，确定出其合理的锚梁网支护方案与支护参数，并采用了掘出的矸石与煤的合理 “置换”方式．此项技术在翟镇煤矿得到成功应用． 关键词过断层} 预掘巷；巷道支护；清洁开采 中圈分类号T D3 5 3文献标识码A P r e D r i v e nR o a d w a yi nF a u l t a n dU n d e r g r o u n dD i s p o s a lo fA s s o c i a t e dw a s t e Z H A N GD o n g s h e n ，Z H A N Gj i x i o n g ．X UJ i n h a i 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 A i m e da tt h es h o r t c o m i n g so fe o a l f a e ep a s s i n gt h r o u g hf a u ka sl o ws p e e d ．1 0 we [ f i c l e n c y a n dl o w q u a l i t yc o a la n dS OO n ．an e wt e c h n i q u ew a ss u g g e s t e d ．I ti n c l u d e st w ok e yp o i n t sa s f o l l o w s o n ei st od r i v ear o a d w a yi nt h ef a u l tb c f o r et h ee o a l f a c ea r r i v e s ．t h er o a d w a yi sh a m e dp r e d r i v e nr o a d w a y ；t h eo t h e ri st Od i s p o s et h er o c kw a s t eo fd r i v i n gi ne n t r yo fc o a l f a c e ．B a s e do nt h e r o c kp r e s s u r e ’sc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r e d r i v e nr o a d w a y 。t h er a t i o n a ls u p p o r tp l a na n dp a r a m e t e r s a b o u tr o o fb o l t i n gw i t hb a ra n dw i r em e s ha r ed e t e r m i n e d ，a n dt h em a n n e ro fd r i v e nw a s t ei np l a c e o fc o a lw a sa d o p t e d ．T h et e c h n i q u eh a sb e e l ls u c c e s s f u l l yu s e di nZ h a i z h e nC o a lM i n e ． K e yw o r d s p a s s i n gt h r o u g hf a u l t } p r e d r i v e nr o a d w a y ；r o a d w a ys u p p o r t i n g ；c l e a n l ym i n i n g 清洁开采技术的内涵是在生产高质量煤炭的 同时，采取综合措施，使煤炭开采过程中产生的废 弃物对环境的污染减少到最低限度[ 1 - 2 7 ．在市场经 济条件，煤炭企业根据自身特点不断开发清洁开采 技术，使其生产实现优质高效，代表了未来发展趋 势．对于断层较多的地质条件复杂工作面，如何快 速过断层而又不影响煤质是煤矿生产中经常遇到 的问题．工作面过断层常规做法是若断层落差较 大，则采用另开切眼的方法；若断层落差较小，则采 用平推硬过的方法．平推硬过时，不仅煤质下降，工 作面效率大幅降低，而且也存在安全隐患．本文根 据翟镇煤矿3 2 0 6 E 工作面实际开采条件，提出断 层中预掘巷道及矸石与煤置换的清洁开采技术． 1断层预掘巷技术应用条件 1 ．1 关键层“砌体梁”结构的存在 如图1 所示，当工作面采至靠近断层预掘巷 时，关键层 即基本顶 产生破断，破断后的关键块 体B 将产生回转，与相邻的块体A ，块体C 铰接形 成“砌体梁”结构，保证了预掘巷顶板的相对稳定． 这是断层预掘巷技术实施的基础条件． 收稿日期，2 0 0 3 1 0 1 3 基金项目，国家自然科学基金项目 5 0 3 7 4 0 6 5 作青简介，张东升 1 9 6 7 一 ，男，江苏省如皋市人，中国矿业大学副教授．工学博士，从事采动岩体控制及矿业系统工程等方向的研究 万方数据 第2 期 张东升等预掘巷过断层及其矸石井下处理技术 图1 断层预掘巷关键层“砌体粱”结构 F i g ．1 V o u s s i o r B e a ms t r u c t u r eo fk e ys t r a t a o nt h ep r e d r i v e nr o a d w a yi nf a u l t 1 ．2 断层落差范围 根据翟镇矿实际条件和经验。在处理断层时， 一般巷道宽度L 不超过6m ，巷道起坡或下坡时， 起坡角≤2 0 。，则最大断层落差H 一上s i n2 0 。一6 s i n2 0 。一2 ．0 5m ，如图2 a 所示． 设煤层平均厚度为m ，工作面最大采高为m ，， 最小采高为m 。．回采时工作面向断层另一盘抬高 或降低 ，同时工作面采高由m 。，降为m 。，如图2 b 所示．则过断层时允许的最大落差为H L s i n a m m 。．显然，煤层厚度与最小采高的差值越大，断 层适用范围越大． 互自互方 f 曲【” 图2 工作面过断层示意图 F i g ．2 C o a l f a c ep a s s i n gt h r o u g hf a u l t 按翟镇煤矿高档普采面最小采高m 。为1 ．4m 左右 采高为2 ～2 ．4m 时 计，则H 一0 ．6 5 m ；因 此当实际的断层落差大于H 时，必须采用另开切 眼进行工作面搬家的方式通过断层；当实际的断层 落差不大于H 时，可采用断层预掘巷的方式快速 通过断层． 1 ．3 断层预掘巷布置方式 当断层落差小于H 值时，在断层内预掘巷道， 实现工作面无矸石快速通过．其布置方式如图3 所 示．为有效控制断层破碎区，预掘巷道采用锚网索 联合支护[ 3 “ 图3 断层预掘巷布置示意图 F i g ．3L a y o u to fp r ed r i v e nr o a d w a yi nf a u l t 2 断层预掘巷锚网支护 2 ．13 2 0 6 E 工作面概况 新汶翟镇矿3 2 0 6 E 工作面标高为一2 4 3 ．7 ～ 一2 8 2 ．1m ，埋深平均4 0 0m ．煤层厚度为1 ．8 ～2 ． 4m ，平均2 ．1m ，煤层倾角1 ～1 1 。，平均8 。；直接顶 为粉砂岩，平均厚3m ，属2 类顶板；基本顶为中细 砂岩，平均厚2 0m ，属I 级顶板I 直接底为泥岩，平 均厚0 ．5m ，老底为中细砂岩，平均厚1 2m ．工作 面走向长度为7 2 3m ，倾斜长1 4 8 ～1 5 2m ，平均 1 5 0m ‘煤层较稳定．该工作面准备时，揭露1 ．0m 以上的断层共有1 7 条，对工作面的影响比较大． 2 ．2 断层预掘巷的矿压特点 根据3 2 0 6 E 工作面矿压实测数据的分析，工 作面平巷超前支承压力分布如图4 所示． 5 芒4 三3 蚕 01 02 0 3 04 05 0 6 0 7 0 8 09 0 1 0 0 应力计与媒壁之闻的臣高／m 图43 2 0 6 E 工作面平巷超前支承压力分布 F i g ．4A d v a n c i n ga b u t m e n tp r e s s u r eo fe n t r i e s i n3 2 0 6 Ee o a l f a c e 由图4 可知，断层预掘巷矿压特点为 1 工作面前方移动支承压力的影响范围为4 0 m ．当断层预掘巷处于支承压力影响范围之外时， 巷道压力不大，根据观测结果，采用锚网支护即可； 2 当断层预掘巷进人工作面动压影响范围之 内。巷道围岩应力逐渐增加，最终达到峰值，应力集 力系数为1 ．6 左右，因此设计支护参数时可考虑采 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 用锚索加强支护； 3 当工作面接近并即将割透断层时，工作面 基本顶断裂回转直接作用于断层预掘巷，伴随断层 预掘巷一侧煤帮被采而形成断面形状的剧变，此时 还需采用临时加强支护来阻止围岩进一步变形并 防止围岩垮落． 2 ．3 断层预掘巷支护方案与支护参数确定 根据关键层岩层控制理论o ] ，2 0I T I 厚的中细 砂岩老顶为关键层，可形成能白稳的“砌体梁”结 构，故工作面可采用断层预掘巷技术通过落差不大 于2 ．7 5m 的断层．为确定出预掘巷合理的支护方 案与支护参数，采用U D E C 3 ．0 专用商业软件进行 数值计算． 1 数值计算模型 计算模型几何尺寸水平／垂直一9 1 ．5m ／4 1 ． 6m ，其中断层面宽为1 ．5m ，断层落差为1 ．5m ． 模型边界条件模型的左右及下部边界为位移 边界，左右边界限制z 方向的位移；下部边界限制 Y 方向的位移．模型的上部边界为应力边界，所加 垂直应力q T h 2 ．5 4 0 0 ／1 0 0 1 0 ．0 M P a ．巷道 围岩本构关系采用摩尔一库仑模型． 根据工作面煤岩综合柱状图，在计算范围内自 上而下的主要岩、煤的力学计算参数如表1 所示． 表1 岩层力学参数 T a b l e1M e c h a n i cp a r a m e t e r so fs t r a t a 2 数值计算方案 提出3 种支护方案进行数值计算． 方案1 顶锚杆采用直径2 2m m 长2m 的高 强螺纹钢锚杆，屈服强度6 5 0M P a ，极限强度9 0 0 M P a ，屈服载荷2 4 7k N ，极限载荷3 4 2k N ，延伸率 1 7 ％，全长锚固；帮锚杆采用直径1 8 m i t t 长2 m 的 玻璃钢锚杆，加长锚固；锚索采用小孔径预应力锚 k 』业一 曲预掘巷村面圈 索，直径为1 5 ．2 4m m 。长度为6 ．5m ，锚索孔直径 2 8m m ，最大锚固力2 6 0k N ，预紧力不小于1 5 0 k N ．顶锚杆间距7 0 0m m ，最外面的两根锚杆距角 点1 5 0m m ，排距7 5 0m m ；帮锚杆间距8 0 0m m ，靠 近顶板的两根锚杆距顶板2 5 0m m ，排距7 5 0m m ； 两根锚索距离2 ．5m ，排距15 0 0m m ．锚杆 索 布 置如图5 所示． ．．．．．．．．．．．．．．．r ／ ，／ ；，f ● ●- - - - - - - 一 ●。_ _ _ _ 。_ - _ _ _ _ _ _ - ‘_ 图5 支护方案1 F i g ．5S u p p o r t i n gp l a nN 0 1 方案2 和方案3 与方案1 相比，只是顶板锚杆 间距不同，其它支护参数与锚杆 索 的布置都相 同．顶锚杆、帮锚杆、锚索同方案1 ．方案2 的顶锚 杆间距8 0 01 2 1 1 1 1 ，最外面的两根锚杆距角点2 5 0 m m ，如图6 a 所示．方案3 的顶锚杆间距6 0 0m m ， 最外面的两根锚杆距角点1 5 0m m ，如图6 b 所示． 3 计算结果分析 吣预掘巷平面图 由3 个方案的数值计算结果分析可知，工作面 距预掘巷距离与巷道顶板最大下沉量的关系，如图 7 所示；工作面距预掘巷距离与靠工作面侧巷帮最 大水平位移的关系，如图8 所示．由图7 可知，随着 工作面推进至2 2m 左右，回采巷道塑性流变阶段 结束，进人工作面超前支撑压力影响阶段．当顶锚 杆间距为8 0 0m i l l 时，顶板最大下沉量为6 0 5m m ； 万方数据 第2 期张东升等预掘巷过断层及其矸石井下处理技术 当间距为7 0 0m m 时，顶板最大下沉量为4 1 6m m ， 减少了近3 2 ％；当间距为6 0 0 m m 时，巷道顶板最 大下沉量为3 4 8m i t t ，较间距为7 0 0m i “ 1 1 时仅减少 I 商 蛙 k 抽 方案2 ；器k 一问距，o o m m 蓊 二 了1 6 ％．综合考虑技术与经济两方面因素，取顶锚 杆问距为7 0 0 m m ． r h } 方案3 图6 支护方案 F i g ．6S u p p o r t i n gp l a n 图7 距预掘巷距离与顶板最大下沉量关系 F i g ．7 R e l a t i o nb e t w e e nt h ed i s t a n tt op r e d r i v e nr o a d w a y 的巷帮变形较明显 如图9 所示 ，其变形量约占整 个巷道变形量的三分之二，锚杆支护状况良好，变 形以整体移动为主．断层预掘巷不受采动影响时支 护效果如图1 0 a 所示，断层预掘巷受采动影响时的 支护效果如图l O b 所示．此外，顶底板变形以底鼓 为主，最大底鼓量为4 1 1F i l m ，底鼓情况与巷道内 软岩厚度有很大关系，软岩厚的区域底鼓量大． 距预掘巷距离／m 图8 距预掘巷距离与巷帮最大水平位移的关系 F i g ．8 R e l a t i o nb e t w e e nt h ed i s t a n tt op r e d r i v e nr o a d w a y a n dt h em a x i m u ml e v e ld i s p l a c e m e n to fs i d e 由图8 可知，当巷道顶板锚杆间距变化时，即 使三方案的巷帮支护参数完全相同，其最大水平位 移也不同；当顶锚杆间距为8 0 0m m 时，巷道因采 动影响而产生的巷帮最大水平位移为5 5 6m m ；当 顶锚杆间距为7 0 0m m 时，巷帮最大水平位移为 4 3 2m m } 当顶锚杆间距为6 0 0m m 时，巷帮最大水 平位移为3 9 4m m ．同样，综合技术与经济两方面 的比较，顶锚杆间距取7 0 0r n m 较为合理． 另外，由模拟结果看出，底板出现了较大的底 鼓，底板底鼓最大为4 0 1m m ；巷道另一帮变形不 大，最大水平位移值为2 4 5m m ． 综合以上分析后采用方案1 ． 2 ．d 现场应用效果 为监测预掘巷的顶底板变形和巷帮变形，在断 层预掘巷中布置了1 0 个测站．实测数据分析表明， 两帮测点最大变形量为9 0 2m m ，巷道靠工作面侧 o 】o2 03 04 05 0 至采场眶离／m 图9 断层预掘巷围岩表面位移 F i g ．9 S u r f a c ed i s p l a c e m e n t so fp r ed r i v e nr o a d w a y 图1 0 断层预掘巷 F i g ．1 0P r e D r i v e nr o a d w a y 3 矸石与煤的置换方式 3 ．1断层预掘巷矸石处理 预掘巷的有利之处是将断层中的矸石提前掘 出，降低了工作面过断层时煤的含矸率，加快了工 作面过断层时的推进速度．但掘出的矸石若自工作 面平巷运出，一方面，造成了人力与物力的浪费；另 一方面，将矸石运出地面，增加矸石的地面排放量， 既占用大量的耕地，又污染环境．为此，将掘出的矸 K喵鞯胥赠蛳 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 石，用编织袋封装后，运至工作面运输平巷下帮专 门掘出的贮矸硐室中进行处理． 3 ．2 矸石与煤的置换方式 1 预掘贮矸硐室 如图1 1 ，在工作运输平巷下帮煤壁里，每隔5 m 沿底掘宽为3 ～51 3 7 ．，高为2m 的硐室．其中考虑 到下区段沿空掘巷所留窄煤柱的宽度为3 ～5m 左右，故所掘贮矸硐室的深度一般以2 ．0t 2 2 左右 为宜．掘贮矸硐室所出煤，用平巷胶带输送机运出． 图1 1 矸石与煤置换方式示意图 F i g ．1 1 M a n n e ro fw a s t ei np l a c eo fc o a l 2 贮矸硐室的充填 所掘贮矸硐室刷宽至合理宽度与深度后，将浮 煤清理干净．将用编织袋封装的矸石由内向外垒砌 在贮矸空间．袋与袋之间要有不少于4 0m m 的压 茬，接顶要实． 4 主要结论 1 基于老顶关键层“砌体梁”结构，在落差一 定范围内的断层中，可采用预掘巷技术实现工作面 无矸石快速通过． 2 理论与实践表明，采用锚网带索联合支护 的方式，可有效维护预掘巷破碎顶板的稳定，确保 工作面安全过断层． 3 在工作面运输平巷煤壁中，预掘贮矸硐室， 实现煤与矸石置换，既提高了煤炭回收率，又减少 了矸石的地面排放量． 参考文献 [ 1 ] 黄侃．矿区环境保护与煤炭清洁开采口] ．矿业安 全与环保，2 0 0 0 ，2 7 5 2 6 3 0 ． [ 2 ]李金柱．井工煤矿清洁开采技术口] ．中国煤炭， 1 9 9 7 ，2 3 6 2 5 2 9 ． [ 3 ] 徐金海，石炳华，王云海．锚固体强度与组合拱承载 能力的研究与应用[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 9 ，2 8 5 4 8 24 8 5 ． [ 4 ] 侯朝炯，郭励生，勾攀峰，等．煤巷锚杆支护【M ] ．徐 州中国矿业大学出版社，1 9 9 9 ． [ 5 ] 钱鸣高，缪协兴，许家林，等．岩层控制的关键层理论 [ M ] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 0 ． 责任编辑王玉浚 万方数据