厚层坚硬顶板无煤柱自成巷开采关键控制技术.pdf
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1、第32 卷增刊12023年6 月文章编号:10 0 4-40 5 1(2 0 2 3)S1-0295-08厚层坚硬顶板无煤柱自成巷开采关键控制技术中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230231Vol.32,Suppl 1June2023刘晓宇1.2,于世波1-2,王志修1-2,曹聪1.2(1矿冶科技集团有限公司,北京10 2 6 2 8;2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心,北京10 2 6 2 8)摘要:厚层坚硬顶板的无煤柱自成巷开采相比一般条件顶板带来的问题突出。系统总结了关于厚层坚硬顶板无煤柱开采的关键控制
2、技术,包括采用分级综合预裂爆破技术体系、高恒阻大变形锚索支护技术和挡研防冲支护技术体系,研究内容完善了无煤柱自成巷开采的技术框架,进一步推动煤炭开采行业技术革新。关键词:坚硬顶板;无煤柱开采;切顶卸压;爆破预裂;恒阻大变形锚索;挡研防冲中图分类号:TD823.4Key control technology of no coal pillar mining method in thick layer and hard roof2.National Centre for International Research on Green Metal Mining,Beijing 102628,Chin
3、a)Abstract:Compared with the general conditions of the roof,the problems caused by the self-formingroadway mining without coal pillars in the thick layer and hard roof are very prominent.This papersystematically summarizes the key control technologies for coal-pillarless mining on thick-bed hard roo
4、fs,including the adoption of graded comprehensive pre-splitting blasting technology system,high constantresistance and large deformation anchor cable support technology,and gangue and anti-scour supporttechnology system,which improves the no coal pillar mining technology system.The technical framewo
5、rk ofself-forming roadway mining without coal pillars further promotes the technological innovation of the coalmining industry.Keywords:hard roof;no pillar mining;roof cutting and pressure releasing;pre-split blasting;constantresistance large deformation anchorage;anti-impact gangue0 引 言目前煤矿行业正在深入地进
6、行全面数字化转型和升级,未来煤矿一定会朝着智能化、无人化等工作方式发展1。从1G无煤柱自成巷110 工法开采技术,到5 G的无煤柱开采N00矿井生产,110-N00体系规划出一幅煤炭行业智能化、无人化美好未来的文献标识码:ALIU Xiaoyul-,YU Shibol-2,WANG Zhixiul2,CAO Congl-(1.BGRIMM Technology Group,Beijing 102628,China;图景1-3。但目前仍有很多理论研究和技术研究难题需要攻克,研究的过程需要先从简单地质条件下的无煤柱自成巷110 工法开始,逐步推广并研究复杂地质条件和顶板条件下无煤柱自成巷110 工
7、法,不断提升和完善无煤柱自成巷体系的理论基础以及技术储备,为最终5 GNO0矿井实现准备条件4。收稿日期:2 0 2 3-0 4-12基金项目:国家重点研发计划资助项目“深井大规模开采岩体力学理论与动力灾害防治技术”资助(编号:2 0 2 2 YFC2904100);矿冶科技集团有限公司青年科技创新基金项目资助(编号:0 4-2 341)第一作者简介:刘晓宇(19 9 0 一),男,汉族,山西长治人,博士,工程师,主要从事深部采矿岩体力学与灾害防治等方面的研究工作,E-mail:。引用格式:刘晓宇,于世波,王志修,等.厚层坚硬顶板无煤柱自成巷开采关键控制技术J.中国矿业,2 0 2 3,32(
8、S1):2 9 5-30 2.LIU Xiaoyu,YU Shibo,WANG Zhixiu,et al.Key control technology of no coal pillar mining method in thick layer and hard roofJJ.ChinaMining Magazine,2023,32(S1):295-302.责任编辑:刘硕296无煤柱自成巷110 工法开采技术已在我国广泛推广应用5 ,但是主要的应用范围和研究聚集在复合顶板和破碎顶板条件6-7。厚层坚硬顶板在我国煤矿中分布极其广泛,占我国各大煤矿矿区比例的1/3,但是相关无煤柱自成巷110 工法
9、进行开采应用很少8-9 。主要原因之一是顶板灾害控制问题,这种顶板岩层是基于厚层的整体结构,岩体内部的层理、结构和裂隙都没有完全发育,常见的灾害就是由于不能及时垮落,造成顶板的大面积来压10 11。现有无煤柱自成巷110 工法开采相关的理论研究和技术对于厚层坚硬顶板等灾害性顶板的控制研究不足,为了完善无煤柱开采理论体系和技术手段、提高无煤柱开采的适用性以及更好地推广无煤柱开采,进行此类顶板条件下相关研究极为重要。因此针对厚层坚硬顶板无煤柱开采的顶板预裂方法、巷道支护手段以及挡研防冲技术,这三项共同构成了厚层坚硬顶板无煤柱开采关键控制技术。1分级综合预裂爆破技术无煤柱自成巷开采的理论基础是“切顶
10、短壁梁”理论,形成“短壁岩梁”就需要切断巷道与采空区顶板,关键技术是单裂面双向聚能切缝预裂技术,这是无煤柱开采控制顶板形成自成巷的前期重要工作。对于厚层坚硬顶板进行单一的巷道切顶,无煤柱开采时采空区顶板不会垮落,会造成大面积的悬空,严重威胁留巷安全,因此需要综合采用其他放顶技术,包括针对不同的顶板条件采用不同的采空区预裂爆破方法弱化顶板。1.1单裂面双向聚能切缝预裂技术单裂面双向聚能切缝预裂技术是无煤柱自成巷开采方法中的关键技术,是区别于其他留巷理论最重要的一种技术手段,切顶卸压无煤柱自成巷就是利用单裂面双向聚能切缝技术进行预裂顶板,实现开采过程中对巷道卸压,使采空区顶板在开采过程中沿预裂面切
11、落自动形成巷道。由何满潮院士提出的单裂面双向聚能切缝预裂技术,采用内置特殊形状的聚能管材,改变爆破冲击波和气体的初始空间运动分布。如图1所示,在聚能空穴的方向爆破产物能量集中形成射流,而在非聚能方向管材抑制了爆破产物的传播。增加聚能管大大改善了爆破对孔壁的作用力,使得在非定向方向岩体降低爆破作用,而在爆破作用加强,应力波阶段在定向方向产生随机的裂纹,以及连孔之间的损伤。在气体张拉阶段,更是由于扩展了裂纹,使得连线方向上裂纹扩展和贯通,提高了定向张拉形成单裂缝效果。图2 为一般爆破(未使用聚能爆破)与采用聚中国矿业能管定向断裂爆破两者破岩结果的示意图。由图2可知,对于一般爆破会产生明显的压碎区,
12、爆破对于顶板生成的裂隙是随机的,而使用聚能定向张拉爆破后不会产生压碎区,爆破对于顶板生成定向的裂纹。聚能管聚能穴聚能管聚能射流图1聚能管及其张拉成缝机理Fig.1Energy-concentrated pipe and its formingmechanism of tension and crack formation应力波,压碎区压碎区爆炸形原始孔成空腔顶板压缩波裂纹区压裤区图2未加聚能管与聚能管破岩成缝机理对比Fig.2 Comparison of the mechanism of fractureformation between ordinary blasting and using
13、energy-concentrated pipe blasting1.2!坚硬顶板分级综合预裂爆破技术1.2.1!坚硬顶板无煤柱开采切眼内全巷切顶无煤柱自成巷回采工作面初次来压前进行切眼内全巷切顶,要比仅仅在留巷回采巷道内切顶更容易达到顶板断裂的条件。即采用全巷切顶技术将大大缩短初次来压前采空区顶板的悬顶面积,有效地减少初次来压步距。图3为开切眼内全巷切顶工艺的示意图。由图3可知,采用单裂面双向聚能张拉爆破切缝技术将开切眼顶板沿巷道方向切断。图4为采用开切眼全巷切顶之后,顶板的垮落和应力分布示意图。由图4可知,开切眼全巷切顶降低了煤体的支承压力,同时大大缩短了初压步距,提高了无煤柱开采初采期间
14、的安全性。第32 卷聚能穴岩体双向张拉双向张拉聚能穴应力波顶板LLLLLA压缩波原始礼碎裂区城聚能管双向张拉双向张拉聚能管增刊1刘晓宇,等:厚层坚硬顶板无煤柱自成巷开采关键控制技术进风巷开切眼回采工作面297切缝孔工作面推进方向切眼I回风巷(留巷顺槽)(a)开切眼内切顶平面布置图图3无煤柱开采开切眼全巷切顶工艺示意图Fig.3 Schematic diagram of the whole roadway roof cutting process in the open-cut tunnel in the no coal pillar mining支承压力初压步距a原切眼(a)未进行开切眼切顶初
15、采期间采空区顶板跨落和压力分布切顶线支承工压力初压步距a原切眼(b)开切眼全巷切顶后初采期间采空区顶板垮落和压力分布图4无煤柱开采开切眼全巷切顶控制顶板垮落和压力示意图Fig.4Schematic diagram of the control of roof collapseand pressure by cutting the roof of the whole roadway-Iin the no coal pillar mining(b)开切眼内切顶剖面图1.2.2坚硬顶板无煤柱开采分级预裂爆破对于有一定厚度坚硬顶板无煤柱开采,采用切眼内全巷切顶技术后顶板还存在悬顶跨度大的问题,可以采用
16、二级预裂技术,这类顶板的分类指标是坚硬顶板厚度在13倍采高以内,顶板岩性坚硬,单轴抗压强度在6 0 MPa以上,顶板完好整体性强,正常工作面回采初期来压步距为30 5 0 m,周期来压步距小于15 30 m。二级预裂技术首先要对切眼巷道进行全巷切顶操作,然后在回采的过程中需要对两个区域进行预裂,如图5 所示,二级预裂技术首先对于区域巷道顶板切断,该技术也是所有一般无煤柱开采中关键技术。增加设计区域顶板碎裂爆破。该步骤目的是将顶板制造裂缝和弱化顶板强度,减小顶板的跨度和垮落时的压力,同时爆破碎裂巷道附近的顶板,可以使留巷侧的顶板块度减小,切缝孔切缝孔?架前孔(a)二级预裂平面图角悬顶架前孔(b)
17、二级预裂剖面图切缝孔架前孔架前孔切缝孔(c)二级预裂三维图后视Fig.5Two-stage pre-split blasting technology design(d)二级预裂三维图前视图5 二级预裂技术设计298并且加速顶板垮落从而快速实现留巷。区域爆破在巷道内完成,可以在回采之前完成爆破切顶。区域在工作面前进行打孔和爆破,可以在每天的工作面检修时间进行操作。综合爆破操作工艺上便捷,不影响煤矿生产工作。对于巨厚坚硬顶板无煤柱开采,设计了三级预裂技术。巨厚坚硬顶板的分类指标是坚硬顶板厚度在三倍采高以上,顶板岩性坚硬,单轴抗压强度60MPa以上,顶板完好整体性强,正常工作面回采初期来压步距为5
18、 0 m以上,周期来压步距大于30m。三级预裂技术首先要对切眼巷道进行全巷切顶操作,然后通过在超前工作面对无煤柱开采的顶板进行三级预裂(三个区域进行预裂爆破)可以减少采空区顶板的跨距,顺利实现留巷。如图6所示,首先对于区域巷道顶板切断,该技术也是所有无煤柱开采中切顶留巷关键技术。对于三级中国矿业预裂技术,增加设计了区域、区域深孔爆破。根据顶板的周期垮落情况,每隔一定距离(一般为15m),进行一次深孔爆破。其中区域深孔爆破目的是将顶板按照一定的步距预裂,制造裂缝和弱化顶板强度,减小顶板的跨度和垮落时的压力。区域的爆破目的是碎裂留巷附近的顶板,可以使留巷侧的顶板块度减小,并且加速顶板垮落从而快速实
19、现留巷。该项技术提前进行操作能够充分利用采动动压碎裂预裂顶板,达到比较好的效果,一般超前工作面10 0 m区域内全部完成顶板预裂操作。综合上述坚硬顶板无煤柱开采分级预裂爆破技术的设计参数列于表1。表1对厚层坚硬顶板预裂技术进行了分级,分级思想是一种有效的工程思维,被广泛应用于工程实践中。通过提出和总结分级预裂技术,为坚硬顶板的治理提供参考。第32 卷215m(a)三级预裂平面图15m(b)三级预裂面图(c)三级预裂三维图前视Fig.6Three-stage pre-split blasting technology design表1坚硬顶板无煤柱开采分级预裂爆破技术Table 1IHierar
20、chical pre-splitting blasting technology for no coal pillar mining under hard roof conditions预裂等级技术手段岩层厚度H一采高岩性坚硬顶板一级预裂0.5H1H二级预裂1H3H三级预裂3H注:为了更好利用超前支承压力预裂顶板,巷道超前深孔爆破在工作面前10 0 m完成。(d)三级预裂三维图后视图6 三级预裂技术设计分类指标初次来压步距60 MPa60MPa整体强坚硬顶板60MPa整体强周期来压步距50 m30m切眼全巷切顶切眼全巷切顶+端头架前爆破切眼全巷切顶十巷道超前深孔爆破预裂顶板增刊12高恒阻大变形
21、锚索支护技术恒阻大变形锚索由钢绞线、锁具、托盘和恒阻器套筒组合构成,如图7 所示。由图7 可知,最核心的部件是恒阻器装置,主要包括恒阻体滑块和外套筒,恒阻体与套筒内径存在过盈装配的特性,滑块向套筒内部移动需要克服内部摩擦力和套筒内壁产生的塑性挤压力,通过张拉恒阻体在套筒内相对滑动而实现恒阻大变形锚索的恒阻让压特性。刘晓宇,等:厚层坚硬顶板无煤柱自成巷开采关键控制技术299阻锚索支护力的作用下重新达到力学平衡,围岩自稳后停止变形,锚索的张拉力逐渐稳定。恒阻大变形锚索整个承压变形过程实现了对岩体的吸能让压,保护锚索能够大变形而不至于破断,持续支护岩体的功能。锁具托盘套筒内壁顶板离层大变形恒阻器恒阻
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