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长壁布置刚性隔离煤柱房柱式开采技术 第六图书馆 本文在分析榆林市榆阳区鑫源煤矿房柱式采煤技术的基础上,对其提出了针对性的改造方案,并对留设煤柱的各项参数进行了 安全验算和稳定性评价。本文在分析榆林市榆阳区鑫源煤矿房柱式采煤技术的基础上,对其提出了针对性的改造方案,并对留 设煤柱的各项参数进行了安全验算和稳定性评价。长壁布置 临时煤柱 刚性隔离煤柱 采区回采率陕西能源职业技术 学院学报杨景波 杨相海陕西能源职业技术学院能源工程系,陕西咸阳7120002007第六图书馆 第六图书馆 2 0 0 7年第 2期总第 4期 陕西能源职业技术学院学报 J o u rna l o f S h a a n x i E n e r g y I n s t i t u t e No ． 4S um． 2 2 0 07 长壁布置刚性隔离煤柱房柱式开采技术 杨景波 ， 杨相 海 陕西能源职业技术学院能源_T - 程系， 陕西 咸阳 7 1 2 0 0 0 摘要 本文在分析榆林市榆阳区鑫源煤矿房柱式采煤技术的基础 上， 对其提 出了针 对性的改造方案 ， 并对 留设煤柱的各项参数进行 了安全验算和稳定性评价。 关键词 长壁布置 ； 临时煤柱； 刚性隔离煤柱 ； 采区回采率 中图分类号 T D 6 2 文献标识码 A 文章编号 9 4 8 1 2 0 0 7 0 21 1 0 4 M i n i n g Te c h n o l o g y o f Ro o m a n d p i l l a r i n Lo ng wa l l m g m I s o l a t i o n YANG J i n g - b o Y ANG Xi a n g - h a i D e p a r t me n t o f E n e r g y E n g i n e e r i n g ， S h a a n x i E n e r gy I n s t i t u t e ， X i a n y a n g 7 1 2 0 0 0 S h a a n x i Ab s t r a c t Th i s pa p e r ，b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f r o o m a n dp i l l a r t e c h n o l o gy i n Xi n y u an Co a l Mi n e，Yul i n Ci t y， o ff e r s i t s r e f o r m s c h e me an d d o e s s a f e t y c h e c k i n g an d s t a b i l i t y e v a l u a t i o n t o v a rio u s p a r a me t e rs o f c o a l pi nar． Ke y W o r dsl o ng wa l l l a y o u t ；t e mp o r a r y c o a l p i l l a r ；r i g i d i s o l a t i o n pi l l ar ；mi n i n g r e c o v e r y 1 鑫源煤矿概况 鑫源煤矿是榆林市榆 阳区的一处小型煤矿， 井 型为 9万吨／ a 。采煤方法是传统的房柱式开采 ， 安全 性差 ， 回采率低且开采参数的选择也缺乏科学依据。 1 ． 1 煤层赋存特征 井 田内开采煤层 为 3号 煤层 ， 厚度 6 ． 3 8 m～ 7 ． 5 3 m， 平均 6 ． 7 9 m， 埋藏稳定 ， 属近水平煤层。顶 板为长石砂岩 、 粉砂岩， 属半坚硬 一坚硬岩层 ； 底 板 为长石砂岩 、 泥岩和粉砂质泥岩 ， 属半坚硬岩层 ， 局 部为泥岩软弱岩层 ， 但一般不会 造成底鼓 ； 煤层埋 深 7 5 ． 4 0 m～1 7 0 ． 4 0 m。 1 ． 2 巷道布置及煤柱留设 鑫源煤矿沿用这一带普遍应 用的房柱式开采 技术 。 1 采区布置 开采系统基本是沿主要大巷分 区布置， 特点是相邻采 区共用一 条回风巷。一般每 个采区宽度 1 0 0～1 2 0 m， 可 以布置 4个落垛采场 ， 每 5 0 m划分一个准备区段 ， 如图 1 所示 。 2 开采房柱 的基本 尺寸 采场 1 6～1 7 m x 1 7 m， 煤柱宽度 8 m； 采区回采率为 3 0 ％ ， 矿井 回采 作者简介 杨景波 1 9 6 5一 ， 男， 河南偃师人， 助理实验师。 率实际上仅 1 O～ 2 O ％。 3 采煤工艺 如图 2为落垛采场。先从垛 口 开始前进 卧底 开采 ， 高度一般 为 3 m； 再后 退放顶 煤 ， 高度 2 ． 5 m～3 m； 上 方留 1 ． 7 m左 右护顶煤， 据 反映留顶煤是在一旦 冒顶 时， 事先有 响声 ， 而直接 顶板冒落没有明显先兆。厚度损失约 2 5 ％ ， 实际上 采区采出率为 3 0 ％左右。 图 1 鑫源煤矿采煤系统示意图 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 1 2 陕 西 能 源职 业 技 术 学 院 学报 } 毒 I 一一 l _ -e - _ 图 2 落垛采场不意 图 1 ． 3 存在主要问题 鑫源煤矿现有采煤方法存在主要问题如下 1 此法采场既无完整的通风系统也无两个安 全出口。落垛采煤法是我国政府一直明确制止的 采煤方法。 2 工人在无支护状态下生产， 顶板安全没有 保证 1 7 m1 7 m工作空间处于无支护状 态， 顶板 安全没有保证。特别是煤层厚度大， 工人也无法实 施“ 敲帮问顶” 。 3 采区回采率极低从根本上影响矿井生产和 经营效益 实际的回采率 3 0 ％， 从根本上影响矿井 生产和经营效益 ， 也是业主所不希望的。 4 开采参数仅靠“ 经验” 确定 ， 没有科学依据 和安全保证。 2 改造方案 根据鑫源煤矿的地质条件以及现有生产中存 在的诸多问题， 对其采煤方法必须进行改革。主要 包括以下内容 1 从大巷直接送采区进风平巷和回风平巷到 采区边界 ， 两条巷道的问距取 1 2 0 m， 即工作面的长 度为 1 2 0 m。后退开采 ， 每 1 8 m划分为一个开采条 带， 采 1 2 m留6 m煤柱不采， 共划分 6 个开采条带， 即留设 6个 6 m宽的区内煤柱， 再采 1 2 m宽的条带 ， 然后留设 1 5 m宽的刚性隔 离煤 柱， 形成小 区域 隔 离 。依此类推 ， 采用 同样的采 留比开采下一个小区 域 。考虑 到 回风 平巷 旁 与下 一 区段 之 问即便 留 1 0 m区段煤柱 ， 采 区内回采率仍在 6 0 ％左右 ， 显然 比改造前高出 1倍以上。 2 施行条带放顶煤 的开采工艺 将 6 ． 7 9 m的 煤层分为两个分层开采 ， 上分层开采厚度 2 ． 0 m， 下 分层开采厚度 4 ． 7 9 m。先 由进风平巷 即运输顺槽 垂直向两边的回风平巷掘进出宽 3 m、 高 2 ． 0 m的矿 房回采巷 ， 采用 防腐木锚杆锚 固矿房 回采 巷顶板 ， 构成完整的通风回路 ， 并使整个开采期间工作场所 都有两个安全出 口， 三条平巷均沿煤层底 板掘进。 工作面分为两个台阶开采 ， 上台阶采高为 2 ． 0 m， 下 台阶采高为 4 ． 7 9 m， 台阶错距为 5 m， 相邻矿房工作 面回采错距不大于 2 0 m。下分层 开采时 ， 采用放顶 煤开采 。 3 工作面爆破落煤 ， 选用 Z NZ 一1 7型装煤 机装煤 ， S G W 一 4 0 T型可弯曲刮板输送机将煤运 出 工作面。 根据榆神府矿区多个小型煤矿的开采经验 ， 在 开采至第二到第三个小区域后， 已采空的隔离区域 就会发生垮落 ， 垮落 区距工作面至少 问隔 2 4 0 m， 在 3～ 5重隔离煤柱的有效隔离下， 对工作面不构成任 何威胁。 3 煤柱安全性验算 3 ． 1 煤柱载荷 根据初步确定的煤柱间距和煤柱宽度 ， 隔离区 域内的煤柱布置如图 3所示 。区内临时煤柱为 6 m 1 2 0 m的条带形 ， 刚性 隔离煤柱为 1 5 m1 2 0 m的 条带形 ， 工作面长 1 2 0 m， 推进距离 1 2 0 m。 1 进风巷2回风巷3隔离煤柱4区内临时煤柱 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 扬壁波 扬相海 长 壁布 置刚 性隔离 煤柱房柱式开采 技术 1 3 以此为基础 ， 建立如 图 4所示连续 梁力 学模 受的载荷 。 型 ， 求出各个支座 的受力大小 ， 也就是 每个 煤柱承 图 4 连续梁力学模型 每个支点处的弯距分别为 M1 一 5 6．7 0 5 9q， M2 一 1 9．1 8 2 6q， M3 一 2 8． 5 63 5q， M4 一2 8．5 6 3 5q， M5 一 1 9．1 82 6 q， M6 一 56． 7 0 5 9q。 可知位于 1 ～ 8号位置的煤柱承受的载荷求得 的煤柱载荷 P MN 表达式依次是 P1 1 7 ． 4 8 “ ,／ HW ， P2 2 3． 6 0T HW ， P3 1 5． 4 0 , ,／ HW ， P4 1 8 ． 5 2T HW ， P5 1 8 ． 5 2 THW ， P6 1 5 ． 4 0“,／ HW ， P7 2 3． 6 , ,／ HW ， P81 7． 4 8 “ ,／ HW。 式中 为隔离区宽度 。 将 0 ． 0 2 5 5 MN ／ m 、 H1 6 0 m、 W 1 2 0 m代 人计算得 P 1 8 5 5 8 ． 2 1 MN ， P 2 1 1 5 5 4 ． 5 6 MN ， P 3 7 5 3 9 ． 8 4 MN ， P 4 9 0 6 7 ． 3 9 MN ， P 5 9 0 6 7 ． 3 9 MN， P 6 7 5 3 9 ． 8 4 MN ， P 7 1 1 5 5 4 ． 5 6 MN ， P 8 8 5 5 8 ． 2 1 MN 。 3 ． 2 煤柱 极 限强度 及 其宽度 井下煤柱主要有护巷煤柱和边界 隔离煤 柱两 类 ， 前者是为支护巷道而留设 的 ， 后者是 为了隔离 采空区而留设的， 煤柱的损失及稳定对岩层控制有 着极大影响。煤柱设计的任务主要是根据 预计 的 载荷 ， 针对各种用途确定合理 的煤 柱形式和尺寸。 煤柱设计 的理 论主要 有两种 一种是 极限强 度理 论 ， 另一种是逐步破 坏理论。在此 ， 我们仅介绍隔 离煤柱设计。 1 煤柱极限强度 煤柱的极限抗压强度值可由两种方法求得 1 采用下式进行计算 一 2 c c o s 4,8 1 1-s i n 4, 一 1 一 1 式中， 为上赋岩层的平均容重 ， MN ／m ； 日为 开采深度 ， m； c 为煤体的黏聚力 ， M P a ； 为煤体 的 内摩擦角， 。 。 取 0 ． 0 2 5 5 MN m ， H1 6 0 m， C 2 ． 0 M p a ， 咖 2 8 。 ， 代人得 o ． ∞ D l 1 虿 x ∞ o u 即 8 1 3 ． 5 MP a 。 2 采用下式进行计算 8 z l 2 ． 7 2 9 们 2 煤岩试块的抗压强度 8 5 3 ． 4 MP a 详见 7 ． 5 ． 6煤柱强度的确定 ， 煤岩的流变系数 叼0 ． 4 ， 代人 得 8 ， 2 ． 7 2 9 O ． 45 3 ． 4 。 2 5 ． 4 MP a 煤柱极限强度 8 2 5 ． 4 MP a 。 以上两种方法求得的煤柱极限有 2种解 ， 一般 取最大值 8 2 5 ． 4 M p a代人计算。 2 煤柱宽度确定 根据理论公式 l n C 8 , t t a n 4 t a n ㈩ 可求得屈服 区的宽度 。 其它参数 采高 M 6 ． 7 9 m； 开采扰动 因子， d1 ． 3 ； 卢 0 ． 2 5 2 ； C3 ． O MP a ； 咖2 8 。 ； 隔离 区内 的煤柱不需要加固， 也没有冒落矸石充填， 侧 向约 束力 为零 ， 代人计算 垒 [ 1n 3 0 2 5 ． 4 ta n 2 8 ．1n ta n 2 2 8 。 1 5 ． 9 1 rp m 2 2 8 - - 。 ⋯ ’ J 可知煤柱屈服 区宽度 r p5 ． 9 1 m， 则煤柱 的极 限宽度约为 1 2 ． O m， 按照上述理论加上 2 5 ％核区宽 度， 隔离煤柱的宽度为 1 5 m。 4 煤柱稳定性 根据煤柱承受 的平均应力 与通 过现场取煤样 计算得 出的煤柱抗压强度就可以求得煤 柱稳 定性 系数 4 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 1 4 陕 西 能 源 职 业 技 术 学 院 学 报 将经过连续梁力学分析得出的煤柱受力与通 过现场取煤样计算得出的煤柱抗压强度代入式 4 进行稳定性系数的计算， 依次为 k l3 ． 3 5， k 2O． 9 6， k 31 ． 5 2， k 41 ． 2 6， k 51 ． 2 6， k 61 ． 5 2， k 7O ． 9 6， k 83 ． 3 5。 由上述可知 ， 1 、 8号位置 的隔离煤柱处于绝对 安全稳定状态 ， 从 占整个煤柱 面积比例上来讲 ， 它 占的比例是 4 0 ％， 其作用是把采后的顶板垮落来压 限制在隔离 区间内， 而煤柱 的稳定性不受影响 ， 该 煤柱称为刚性隔离煤柱； 位于2 、 7号位置的区内煤 柱处于亚 稳 定状 态 ， 占整个 煤 柱 面 积 的 比例 是 2 0 ％； 位于 3 、 4 、 5 、 6号位 置的区内煤柱处于安全稳 定状态， 占整个煤柱面积 的比例是 4 0 ％ ， 这些煤柱 作用是在隔离区间支撑顶板 ， 而在隔离 区间开采后 让压或破坏 ， 使采空 区顶板垮 落， 这些煤柱称 为让 压煤柱 。这种设计对实现小区域适 时无灾 害垮落 有着至关重要的作用， 也可以防止大面积垮落灾 变。 在整个隔离区域 内， 稳定性最强的煤柱和稳定 性最差 的煤柱留设在一起 ， 有利于稳定性差的煤柱 保持较长时间的稳定 ， 因此鑫源煤矿煤柱群设计从 理论上分析是安全可行的。 5结束 语 1 长壁布置刚性隔离煤柱房柱式开采技术从 根本上解决了传统的房柱式开采的弊端 ， 确保 了采 煤工作面有二个安全出V I 的规定 ， 实现 了通风系统 的完整性 ， 解决了人员空顶作业 的问题 。 2 区内临时煤柱和刚性隔离煤柱的留设 ， 由 于建立了力学模 型， 所以有关的煤柱尺寸 的取值既 合理又科学。 3 由于采区回采率提高了 1 倍， 而且安全性 大大增强 ， 所以在相似条件下有很大的推广价值。 4 需要指出， 纵然采区的回采率提高了 1 倍， 达到了 6 0 ％， 仍无 法满足 煤炭工业 矿井 设计规 范 第2 ． 1 ． 4条之规定 厚煤层开采采区回采率不 应小 于 7 5 ％ ， 在实践 中， 有待进一步 的丰 富和完 善。 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高， 石平五等． 矿山压力与岩层控制． 徐州 中国矿业大学出版社 ， 2 0 0 3 ， 1 1 1 ． [ 2 】 陈炎光， 钱鸣高． 中国煤炭采场围岩控制． 徐州 中国矿业大学出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 3 ] 石平五， 刘洋， 绍小平． 榆林市鑫源煤矿采煤方法论证 ， 2 0 0 5 ． 上转 2 7页 4 结束语 目前， 单片机应用系统的外围扩展已从并行方 式为主过渡到以串行方式为主的时代。许多新型 外围器件都带有 U A R T的移位寄存器方式， 如 M O T 0 R O L A公司的 S P I ， N S公司的 M i c r o w i r e ， D a l l a s 公 司的 1 一w i r e和 P h i l i p s 公司的 I C总线等。它们都 提供 了较完善 的总线协议 ， 连接方式简单 ， 在扩展 外围器件设计 中得到广泛 的应用。在一个十分完 善的多主系统总线 中， 总线上可以挂接多个 MC U， 有 4种工作方式 ， 即主发送 、 主接受 、 从发送 、 从 接 受。但实际的单片机应用系统绝大多数都是单个 MC U系统 ， 只用串行总线 的主方式 ， 即主发送与主 接受。带有总线接口的M C U只有少数几家厂商的 个别性好 ， 致使总线难 以推广。本文通过在设计 中 使用 M C S 一 5 1 的I ／ 0口来模拟总线接口， 实现了单 片机 与串行总线接 口器件的数据传输 ， 该方案已通 过调试 ， 整个单片机系统运行 良好。试验表明 M C S 一 5 1的 I ／ O口来模拟总线接 口的方法在设计 中可 行有效。 参考文献 [ 1 】何立民． 1 2 C总线应用系统设计． 北京 航天航空大学出版社[ M] ． 1 9 9 5 ． [ 2 】马忠梅， 籍顺心， 张凯， 马岩． 单片机的c语言应用程序设计[ M] ． 北京 航空航天大学出版社， 1 9 9 6 [ 3 】天峰， 张俊谟．单片机应用技术讲座， 电子世界[ J 】 ． 2 0 0 2 ． [ 4 】何立民． 单片机应用技术选编[ M] ． 北京 航空航天大学出版社． [ 5 】谭浩强． c语言程序设计教程[ M] ． 北京 高等教育出版社． 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆