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边角煤的高效短壁开采实践研究 第六图书馆 短壁机械化开采技术生产系统简单、巷道布置灵活方便,适合边角煤开采。在研制国产采掘一体机及配套设备的基础上,根 据边角煤形状不规则、矿山压力大的特点,分析了某边角煤采用短壁开采的可行性;确定了采硐宽度、长度、隔离煤柱宽度 等短壁采场参数,对试验区短壁开采巷道系统进行了布置,并进行了短壁开采机械化试验。实现了边角煤的安全开采。短壁 机械化开采技术生产系统简单、巷道布置灵活方便,适合边角煤开采。在研制国产采掘一体机及配套设备的基础上,根据边 角煤形状不规则、矿山压力大的特点,分析了某边角煤采用短壁开采的可行性;确定了采硐宽度、长度、隔离煤柱宽度等短 壁采场参数,对试验区短壁开采巷道系统进行了布置,并进行了短壁开采机械化试验。实现了边角煤的安全开采。边角煤开 采 短壁开采 围岩控制 工业性试验能源技术与管理沈永祥 徐金海 [1]潞安环能股份有限公司五阳煤矿,山 西长治046205 [2]中国矿业大学能源与安全工程学院,江苏徐州2210082007第六图书馆 第六图书馆 1 4 能 源 技 术 与 管 理 2 0 0 7年第 1 期 边角煤的高效短壁开采实践研究 沈永祥 - 。 徐金海 1潞安环 能股份有 限公 司 五 阳煤矿 ， 山西 长治 0 4 6 2 0 5 2 ． 中国矿 业大学 能源与安全工程学院 ， 江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 [ 摘 要 ] 短 壁机 械 化 开采技 术 生产 系统 简单 、 巷道 布 置灵 活方便 ， 适 合 边 角煤开 采。在研 制 国 产采 掘一 体机 及 配套 设 备 的基础 上 ， 根 据边 角煤形 状 不规 则 、 矿 山压 力 大的特 点 ， 分 析 了某边 角 煤采 用短 壁 开采 的 可行 性 确定 了采硐 宽度 、 长度 、 隔 离煤 柱 宽度 等短 壁 采场参数， 对试验 区短壁开采巷道 系统进行 了布置 ， 并进行 了短壁开采机械化试验。 实现 了边 角煤 的安 全 开采 。 [ 关键 词 ] 边 角煤开 采 ； 短 壁 开采 ； 围岩控 制 ； 工业性 试验 [ 中图分类号] T D8 2 3 ． 2 1 [ 文献标识码 ]B [ 文章编号] 1 6 7 2 - 9 9 4 3 2 0 0 7 0 1 - 0 0 1 4 - 0 3 0 引 言 潞安五 阳煤矿生产能力为 1 5 0万 t ／ a 。 采用立 井 开拓方 式 。随 着开采 年 限 的增加 与开 采 强度 的 加 大 。大量不 适 合布置 长 壁综 合机 械化 开 采 的不 规则块段边角， 煤的存在， 制约了企业可持续发展 。 高效短壁机械化开采技术的开发成功。为不规则 块段边角煤开采提供了可能性 ，从煤矿可持续发 展战略高度出发 ， 也具有重大的意义。 1 工 程 概 况 1 ． 1 煤层 及顶 底板 岩性 五阳煤矿主采煤层为 3 煤层，埋深约为 3 5 0 m。 煤层厚度稳定 ， 平均厚度 6 ． 3 5 m， 倾角平均为 3 。 ， 煤体松散破碎 。该 区地质柱状图如图 1 所示 。 项底板 名称 煤岩名称 柱状 厚度／ m 煤岩性特征 ●● ●● 灰色，石英为主， 含云母片，后层状， 节 老顶 中粒砂岩 ●●● ● ●● ●● 2 8 5 ---6 2 7 理面岔方解石脉，坚硬， 为矿区Ⅶ号 ● ●● ● 砂岩含水层 。 产 7 - 1 5 ．．．．＼ ●●●● 黑色，致密必脆，节理发育 有裂 直接项 砂质泥岩 ●●●● l 3 9 5 0 ●●●● 隙，含植物化石a ， 3 - 7 灰黑色，致密性脆，央煤线或煤 伪 项 炭质泥岩 0 3 0 ． -O 5 0 庙 ，随采随落 3 - 4 煤层赋存稳定，平均厚度为6 3 5 m， 煤 煤层 1 6 28“-6 45 含二层央矸，分三个自然分层，其结 构为6 231 50 013 810 130 9 直接项 砂质泥岩 0 7 2 ～ l 0 0 灰黑色，块状，致密性脆，含植物 一i 。 ． i “、 根部化石。 3 - 7 灰黑色，中厚层状 ，央砂质泥岩条 老项 细砂岩 9 2 0 “--1 0 4 5 带 ，， 7 - 1 5 图 1 采区地质柱状 图 1 ． 2试 验 区域概 况与 短壁 巷道 布置 试 验 区位 于 7 4皮 带 暗 斜 井 南 部 ， 7 5 0 0采 空 区北 部 ， 南翼 材 料道 东 部 ， 7 5 ． 1 皮 带西 部 ， 是一 块 位于村庄搬迁区边角煤。其位置及巷道布置如图 2所示。现场地应力测试结果为 最大水平主应力 为1 3 ． 2 0 MP a ， 方 向为北偏东 1 9 ． 6 。 ， 最小水平主应 力 为 6 ． 5 0 MP a ，方 向 为北偏 西 7 1 。 ，垂 直应 力 为 8． 7 5 MPa。 图 2试 验 区域 及 巷 道 布 置 2 短壁开 采工艺参数与采场布置 2 ． 1 短 壁机 械 化开 采工 作面布 置 根据国产短壁开采设备情况 ，借鉴国外短壁 开采技术[ ． 提 出三个开采布置方案并进行分析 比较 ， 以确定最佳短壁采场布置方式。 方 案一 工作 面布置 如 图 3所示 。 主巷 单巷 布 置 ，在 主巷 两 侧 直接 布 置 与 主巷 成 3 5 。 ～ 4 5 。 角 的 工 作 面 回采 。 这种 布置 的优 点是 系统 简单 ， 巷道 掘 进率低 ， 投产快 ， 便于掌握工作面地质情况 ， 适合 于试验性开采。 缺点是设备搬迁频繁 ， 只能采用局 扇通风 ， 一次采煤宽度仅为 2 0 ～ 3 0 m。 方案 二 工 作 面布置 如 图 4所 示 。 主巷单巷 布 置 ， 在主巷两侧布置与主巷成 6 0 。 角的回采支巷 ， 回采 支巷 两 侧再 布 置 与支 巷成 4 5 。 角 的开 采 工作 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 2 0 0 7年第 1 期 沈永祥等 边角煤的高效短壁开采实践研究 1 5 面。 这种布置方式的优点是设备搬迁少， 便于工作 面组织 生产 ， 一次 采煤 宽度 达 1 4 0 m左 右 。 缺点 是 通 风 系统 复杂 ， 开 采 面地质 情况 不 易提前 搞 清 。 方案三 工作面布置如图 5所示 。 与方案二相 比， 主巷双巷布置 ， 一条为胶运 主巷 ， 一条辅运主 巷。主要优点是便于通风， 辅运系统顺畅。缺点是 巷道掘进率高。 根据以上分析， 结合试验区域具体情况 ， 首次 试验 时选 择 方案一 的采 场 布置 方式 。 2 ． 2开 采参数 的确 定 与设 备配套 在 开采工 艺 上 ， 采 宽 的确定 取决 于采 硐 宽度 、 采硐 长 度及 隔离煤 柱 宽度 。采硐 间隔离 煤柱 仅起 临时支撑采硐顶板、保证开采工艺正常进行 的作 用 ， 而 与保 护地 表建 筑物 无关 。 这里 首先 以开 采工 艺 为依 据 ， 确定 采硐 长度 、 宽度 ， 隔离煤 柱 宽度 ， 进 而确定采宽 。 再根据保护地表建筑物 的要求 ， 确定 保护煤柱的宽度。 1 采硐的宽度。 综合开采工艺 、 机械设备 、 安 全可靠性 ． 确定采硐宽度为 4 ． 5 m。 2 确定采硐长度。 影响采硐长度确定的主要 因素有煤层顶板 直接顶 自稳时间及机械设备配 套长度。根据观测 ， 3 煤层采宽 4 ． 5 m左右时的自 稳 时 间为 4 ～ 5 h ． 遇 构造 时还会 缩 短 。由于一个 采 硐 开采 时 间一 般 2 h左 右 ，因此 顶 板稳 定性 不 会 制约采硐长度的选择 。 高效掘进机长度 1 1 ． 8 m， 目 前设备的逃逸功能还不完善 ．司机也不允许进入 3 d ． 采巷与主巷夹角 ． 3 5 。 ～ 4 5 。 1 ． 主巷 胶带运输巷 宽4 ．5 m， 高 3 m； 2 ． 采硐 煤房 ， 宽度 I -- 3 ． 3 ～ 4 ．0 m， 长度 L 1 0 ～1 5 m； 3 ． 煤柱 ， 宽度 d 2 ～ 2 ．5 m 图 3短壁开采工作 面布 置方 案之 一 d ． 采巷与主巷夹角 ， 3 5 。 ～ 4 5 。 ； dL回采支巷与主巷夹角， 6 O 。 1 ． 主巷 胶带运输 巷 宽 4 ．5 m， 高3 m； 2 ． 采硐 煤房 ， 宽度 D 3 ． 3 ～ 4 ．0 m， 长度 L 1 0 ～1 5 m； 3 ． 煤柱 ， 宽度 d 2 ～ 2 ． 5 m； 4 ． 回采支巷 ， 长 8 O m， 宽 D ， - 4 ．5 m。 图 4短壁工作面布置方案之二 5 r ．采巷与 主巷夹角 ， 3 5 。 ～ 4 5 。 ； ． 回采支巷 与主巷夹角 ， 6 0 。 ； 1 ． 主巷 胶带运输巷 宽 4 ． 5 m， 高 3 m； 2 ． 采硐 煤 房 ， 宽度 D 3 ． 3 ～ 4 ． 0 r lf l ， 长度 L 1 0 ～ 1 5 m； 3 ． 煤柱， 宽度 2 ～ 2 ．5 m； 4 ． 回采支巷 。 长 8 0 m， 宽 D 4 ． 5 m； 5 ． 辅运 主巷 ， 宽 4 ． 5 m， 高 3 ． 0 m 图 5短壁工作面布置方案之三 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 1 6 能 源 技 术 与 管 理 2 0 o 7年第 1 期 无支 护采 空 区。 由此确 定 采硐长 度 为 1 2 m。 3 隔离煤柱宽度。结合 AN S Y S软件对煤柱 的稳定 性 的数 值模 拟结 果 ⋯． 在采硐 宽 度 4 ． 5 m不 变 的情况 下 ，煤 柱 宽度 1 ． 5 m、 2 ． 0 m、 2 ． 5 m、 3 ． 0 m 时顶板下沉量均在开采工艺允许 的范围内。考虑 到资源采出率 、 开采工艺等因素 ． 确定隔离煤柱宽 度为 1 ． O ～ 2 ． 0 m。 2 ． 3短壁 机械 化 开采 工作 面设 备布 置 连 续 采煤 工 艺 系 统适 用 于 中等 稳定 顶 板 ． 对 顶板 的完整性要求较高 ； 底板要求稳 固、 平 整 、 无 积水 ． 坡度 小 于 1 2 。 ． 对 底 板 比压 0 ． 1 5 7 MP a 巷 道 宽 度要 求 4 ． 5 ～ 6 m。连 续 采煤 工 艺 系统 的工 作 面 设备布置如图 6所示 胶带输送机 迈步抬棚 给料输送机 高效掘进机 图 6连续采煤工艺系统 的工作面设备布置 3短壁机械化 开采大断面主巷支护技 术 随着锚 网支 护技 术 的发 展 ，即使 是 软岩 矿 区 解 决短 壁机 械化 开 采大 断面 主巷 支护 问题 已不很 困难 。 这 里 ， 以潞 安矿 区五 阳煤矿 短 壁机 械化 开 采 试 验采 区为例 ， 介绍 其 主巷 支护方 案 。 1 巷道 支 护 断面 。 由于煤 层强 度及 稳定 性较 顶板好 ．以及短壁开采设备对底板比压的要求和 最大限度提高采出率等因素 ．确定回采主巷沿煤 层底板在煤层中掘进 。考虑到掘进和回采过程中 设备尺寸 、 通风要求和巷道围岩变形预留量 ， 设计 巷道断面为矩形 ， 具体尺寸为宽 4 ． 5 m， 高 3 ． 0 m． 掘进 断面 面积 为 1 3 ． 5 m 2 主巷顶板支护方案 。根据数值计算的结 果 ． 确 定巷 道支 护方 案 为 采用 等强 或高 强快 速 安 装 锚 杆 、 W 型钢 带 、 冷拔 钢 筋 网 ， 锚 索补 强 。锚 杆 形式和规格 成套等强或高强快速安装锚杆 ． 杆体 直径 为 2 0 m m． 杆 尾螺纹 为 M2 2 ． 长 度2 ． 4 m。 锚 固 方式 树 脂 加 长锚 固 ， 采 用 两 支锚 固剂 ， 一 支 规 格 为 K 2 3 3 5 ． 另一支规格为 Z 2 3 6 0 。 钻孑 L 直径为 2 8 m m， 锚 固长 度为 1 3 0 0 mm。锚 杆布 置 锚杆 排距O ． 8 m， 每排 6根锚杆 ． 间距 O ． 8 m。 锚索形式和规格 锚索 长度 7 ． 5 ～ 9 m， 树 脂 加 长锚 固 ． 采 用 一支 K 2 3 3 5和 两 支 Z 2 3 6 0树 脂 药 卷锚 固 ，锚 固长 度 1 5 0 0 mm。 锚索布置 每三排锚杆 2 ． 4 m 打一排锚索 ， 锚索 间距 1 ． 5 m． 距两帮各 1 ． 5 m。 锚索托板为 1 0 0 9 0 1 0 m m 钢板 ． 每排两根锚索用 2 ． 0 m的 1 2 0槽 钢 连 接 。 3 主 巷巷 帮支 护方 案 。 由于开采 时 采煤机 每 隔 2 ． 8 m沿 4 5 。 角 切入巷 帮 ， 切入 宽度 为 4 ． 2 m， 因 此巷帮支护不能采用金属锚杆。考虑到玻璃钢锚 杆 性能 较好 ．确 定 巷帮 支护 采用玻 璃 钢锚 杆或 可 回收 金属 锚杆 、 塑料 网护帮 。锚杆 形式 玻 璃钢 杆 体 ， 长度 2 ． 0 m， 抗拉强度相 当于 ‘ p 2 O mm的螺纹 钢筋 。锚 固方式 采用一支Z 2 3 6 0树脂药卷锚固， 钻孑 L 直 径 为 ‘ p 2 8 m m， 锚 固长 度 9 5 0 m m。锚 杆 布 置 锚杆 排距 O ． 8 m． 每 排 4根锚 杆 ， 间距 为 O ． 8 m。 以上支护参数应根据地质条件和断面尺寸变 化进 行调 整 。支护 断 面如 图 7所 示 。 图 7锚杆 支护巷道断面 4短壁开采 的回采工艺 1 落煤 采用 E B H ／ J 一 1 3 2 Y型高效掘进机完 成落煤工序 。割煤方式与掘进时相 同。 2 装煤 、 转载 装煤 采用高效掘进机装煤方 式 ， 高效掘进 机割煤时 ． 煤落到掘进机铲板上 ， 在 铲板上的耙煤耙爪连续运转作用下，将煤装入掘 进机上的中部刮板输送机 ．中部刮板输送机将煤 卸 装到 后面 配 套给料 运 输机 ，给料运 输 机卸 载到 转 载胶 带上 ． 实 行装 煤 、 转载 过程 。 3 运 煤 采 出的煤 炭通过 掘进 机后 部 的转 载 胶 带 把 煤 卸 到支 巷 的 S S J 一 8 0 0 ／ 2 4 0型 胶 带 输 送 机 上 ， 运 输 到 主巷 4 0 D 型 刮板 运 输 机 ， 由采 区胶 带 运 出 。 4 支护 落煤 、 装煤工序均在采硐 内进行 ， 并 由激光 指示 仪指 向 ．采 硐外 段 回采 时人 员 随机操 作 ； 当掘进机操作室接近或进入采硐时． 人员离机 遥控操作。 采巷不支护． 操作人员严禁进入采硐内 作 业 。当采 巷 割 到 1 2 m长 时 ， 下 转 第 2 1页 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 2 0 0 7年第 1期 石长生 卸压钻孔在防治冲击地压 区的实践 2 1 过掘进呈现的钻孔被压实的实际状态，钻孔被周 围煤体压碎充实 ， 形成致密的颗粒结构新生煤体 ， 从表面上看 ． 只能看 到纵横交错裂隙， 裂隙扩展到 1 ． 5 I T I 左右 ， 由此推断 ， 钻孔卸压半径 为 1 ． 5 m， 为 此确定钻孔间距为 3 IT I 。 3 卸压 钻孔 的参 数 布置 。 卸 压钻 孔 布置如 图 1 所示 。 根 据 9 3 2 1切 眼冲击倾 向性分 析来 布置 卸 图 1 9 3 2 1工作面切 眼卸压钻孔布置图 压 钻 孔 ． 孔 深 1 2 m， 孔 间 距 3 m， 钻 孔 垂 直 于 煤 壁。 卸压钻孔从 2 0 0 6年元月 1 6日开始施工 ， 间距 为 3 i n ． 沿 煤层 中心线 距煤 层 顶板 1 i n布置 ， 共 实 施 卸 压 钻 孔 4 6个 ， 总进 尺 5 5 2 I T I ， 由于 实 施 了卸 压 钻孔 ． 到切 眼 透窝 未发 生破 坏性 的 冲击地 压 ， 分 析 其 原 因主 要 是 ， 卸 压 钻 孔 的孔 深 1 2 IT I ， 其 巷 道 周 围煤体 的减压区也增至到 1 6 I T I ， 这样无疑给阻 止 冲击 地 压创 造 了一个 坚厚 的盾 牌 。 5 结 语 冲击地压区实施卸压钻孔 ，对防止冲击地压 和有效保护巷道稳定 ， 起着重要的作用 。 防止 冲击 地压的发生 ， 不是哪一种措施就能见到实效 ， 应采 取 综 合 防治措 施 。 [ 作者简介 ] 石长生 ， 男 ， 采矿工 程师 ， 大专 文化 ， 现任徐州 矿务集 团张集煤矿采煤 首席 工程 师。 『 收稿 日期 2 0 0 6 --1 1 - 0 9 ] 上 接第 1 6页 掘进 机退 出 ， 回采 下一 个采 硐 。当 采硐顶煤落煤量大时 ，机组可重新返 回采硐进行 装煤 ， 装煤完毕后再退出采硐 。 5 通 风 采用 局扇 压入 式通 风 ， 后 退 回采时 ， 在主巷内． 每隔一定距离要打密闭。 巷道与采硐的交叉 口以里“ 三角区” 利用单体 液 压支 柱 配合 3 IT I 长 、 q 1 8 0 mm， 厚 1 6 0 m m 的 两 面平木梁组成三对迈步抬棚方式支护。迈步抬棚 随着巷道两边采硐的回采 ， 要及时向外移动 ， 每个 采 硐 回采完 后要将 一 组抬 棚 向外移 出 ，移 动步 距 至 少4 ． 2 m。 巷 道 与采硐 三角 区迈 步抬 棚布 置如 图 8所 示 图 8巷道与采硐 三角 区迈步抬棚平面布置图 5 结 语 2 0 0 2年 月 1 0月 ．五 阳煤矿 的某不 规 划 块段 煤层 ． 进行了高效短壁机械化开采设计 。 根据前面 的分析及短壁开采设备性能和工艺要求 ，确定采 硐长度 1 2 1 5 IT I ， 每个条采的宽度应为 2 1 ．5 ～ 2 5 ． 7 i n 。 五阳矿按此参数在 2 0 0 2年月 1 1 月进行 了村庄下 短壁开采试验。 开采区域南部支巷长度 1 5 0 IT I ， 布 置 采硐 3 5个 北 部支 巷平 均长 度 为 1 9 6 ． 8 i n ， 布置 采硐 4 6个 掘进与开采共计 5 5 d ， 生产煤炭 3 6 3 4 7 t 。 目前 ． 采硐平均 日进尺 2 4 IT I ， 最高 日进 尺 3 6 I T I ， 平 均 日产 7 5 0 t ， 月产 量 在 2 ． 2 5万 t 。工业 性 试 验 获得了成功． 取得了巨大的社会经济效益。 [ 参 考 文 献 ] [ 1 ]侩金海． 短壁 开采 覆岩关键层的黏弹性分析及应用 研 究 [ D] ． 徐州 中国矿业大学理学院 ， 2 0 0 4 ． 『 2 ]滕永海， 刘 克功． 五 阳煤矿高强度 开采条件下地 表移动 规律研究[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 2 ， 3 0 4 9 1 5 ． 『 3 ]谢 和平， 段 法兵， 周宏伟， 等． 条带煤柱 稳定 性理论 与分 析方法研究进展 [ J ] ． 中国矿业， 1 9 9 8 ， 7 5 3 7 - 4 0 ． [ 作者简介 ] 沈永祥 1 9 6 5 一 ， 男 ， 高级工程 师， 1 9 8 7毕业 于山西矿 业学院采矿专业， 一直从事煤矿技术管理与研 发工作 。 『 收 稿 日期 2 0 0 6 -0 9 - 0 6] 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆