曲堤煤业与工作面之间下分层煤柱安全开采项目建设可行性研究报告正文.doc

曲堤煤业33011与31011工作面
之间下分层煤柱安全开采可行性报告

沁和能源集团有限公司
中 国 矿 业 大 学
二〇一一年十月

目 录

1 生产地质条件 1
2 充填方案 4
2.1 31011瓦斯尾巷充填方案 4
2.2 31011回风顺槽和33011回风顺槽充填方案 6
3 下分层顶板稳定性分析与顶板管理 8
3.1 下分层顶板稳定性分析 8
3.2 液压支架工作阻力计算 10
3.2.1 液压支架工作状态的确定 10
3.2.2 液压支架工作阻力计算 11
3.3 下部煤层开采辅助技术 12
3.3.1 下部煤层架前顶板冒落问题及对策 12
3.3.2 下分层煤层片帮问题及对策 13
4 瓦斯管理 14
5 充填材料与工艺 16
5.1 高水充填材料简介 16
5.2 充填工艺 18
5.3 充填过程注意事项 19
5.4 人员配备 20
6 准备事项及经济效益核算 21
6.1 需要准备的材料及设备 21
6.2 成本概算 21

1 生产地质条件
曲堤煤业为煤与瓦斯突出矿井，开采的煤层为二叠系山西组下部的3#煤层，煤层埋深平均310m，煤层属特低硫、低灰分、高发热量无烟煤。煤层结构简单，厚度稳定，平均厚5.19m，煤层倾角3～5º，容重1.45t/ m3，煤层中局部夹1～4层泥岩夹矸，厚度稳定，结构简单。采用分层开采，先采上分层。
为降低上分层工作面上隅角和回风巷的瓦斯浓度，在增加上分层工作面配风量的同时，额外配备一条专用瓦斯尾巷，形成“U+L”通风方式，距33011工作面回风顺槽7m、距31011工作面回风顺槽20m布置1条31011瓦斯尾巷，供33011工作面和31011工作面排放瓦斯，这两个工作面于2010年前回采完毕。目前，已经掘进了下分层33012工作面回风顺槽和31012工作面胶带顺槽，为了提高资源回收率，准备将33012工作面回风顺槽和31012工作面胶带顺槽组合成33012工作面，其巷道布置示意图见图11所示。

图11 33012工作面布置示意图
33012工作面煤层顶底板岩性特征见表11所示。
表11 31012工作面煤层顶底板特征
顶底板名称
岩石名称
厚度（m）
特 征
基本顶
中粒砂岩
7.45
深灰色，质地较坚硬，一般不易冒落。
直接顶
泥岩、粉砂岩
5.0
深灰色，开采达一定范围后开始冒落。
伪顶
炭质泥岩
0.2
黑色薄层，随开采过程极易冒落
底板
砂质泥岩
1.5
深灰色，局部较软弱，开采时围压条件改变后可能产生底鼓现象。
为了提高煤炭回收率、提高矿井生产效率，33012工作面（下分层）与上分层工作面呈外错型布置方式，如图11所示。在回采上分层31011和33011工作面时，为加强31011瓦斯尾巷支护，在31011瓦斯尾巷布置了大量木垛，因此，31011瓦斯尾巷存在空洞；31011和33011工作面的顺槽随工作面推进基本垮落，但这2条顺槽顶底板可能存在空隙，这对安全开采31011和33011工作面之间下分层煤柱存在以下影响：1）由于曲堤煤矿3#煤层为高瓦斯煤层，空洞、空隙内会聚积大量瓦斯，在下分层工作面开采过程中，如果积聚的大量瓦斯突然释放，会影响安全开采；2）3条顺槽正下方液压支架不接顶，移架困难。
为了解决以上问题，山西沁和能源集团有限公司、曲堤煤业有限公司与中国矿业大学合作，拟采取高水充填材料充填31011瓦斯尾巷、33011回风顺槽及31011回风顺槽，将空洞、空隙内积聚的瓦斯挤出、同时胶结冒落、松散的煤岩体，提高顶板稳定性，为开采31011和33011工作面之间下分层煤柱提供安全保障。拟采取以下方案：（1）采用高水充填材料充填满31011瓦斯尾巷，在33011回风顺槽及31011回风顺槽采用高水充填材料充填后形成0.5m厚胶结顶板；（2）在进行下分层工作面31012工作面回采时，在瓦斯尾巷处超前循环探测，若发现空隙，再采用高水充填材料将空隙充填满，解决瓦斯尾巷正下方综采支架移架困难和瓦斯突然释放的难题；（3）在下分层回采过程中，加强工作面顶板管理和瓦斯管理。

2 充填方案
2.1 31011瓦斯尾巷充填方案
从31012胶带顺槽（下分层）向31011瓦斯尾巷钻孔进行充填，如图21所示，首先从31012胶带顺槽垂直向31011瓦斯尾巷布置6个孔（等距离，每孔间距86m），孔径78mm，先从31012胶带顺槽通过钻孔将直径为70mm左右的PVC塑料管送到瓦斯尾巷附近，然后采用直径为3英寸、长度3m的钢管与直径为70mm左右的PVC塑料管连接、钢管做封孔管，采用瓦斯钻孔封孔材料进行封孔，封孔长度为1.5m~2.0m，钢管外端焊接一个快速接头，与充填高压胶管能够快速联结。

（a）钻孔布置平面图

（b）钻孔布置剖面图（图中单位：m）
图21 瓦斯尾巷充填钻孔布置示意图
施工步骤：
（1）从31012胶带顺槽底板以上0.75m向上倾斜钻孔（角度6°）对31011瓦斯尾巷进行钻孔直达该巷顶部，需打6孔（见实蓝线所示）；
（2）向孔内塞入直径为70mm、长度为32m左右的PVC管；
（3）向PVC管内塞入3英寸的钢管；
（4）钢管与PVC管用封孔材料进行封孔，保证在充填时不跑浆液；
（5）进行充填，依次通过6孔将31011瓦斯尾巷全部充填满，充满的标准是充填压力达到3MPa，充填量达到后面的预计量，具体充填工艺见后面详细说明；
（6）再在已充填的孔中间补打钻孔（见图虚蓝线所示位置），采用钻孔窥视仪观看第一次充填情况，采用以上步骤再进行补充填。
为了进一步保证安全，在工作面回采期间从瓦斯尾巷下方的下分层工作面向前打探测孔，采用钻孔窥视仪观察瓦斯尾巷充填情况，若还存在较大空隙，再从工作面打孔充填，可保证瓦斯尾巷空隙充填满及消除瓦斯尾巷正下方移架困难，见图图22所示。

图22 瓦斯尾巷工作面前方探孔布置示意图
步骤：
（1）工作面检修班期间，与工作面推进方向一致，每隔10m打一个水平长度15m的向上孔探测31011瓦斯尾巷充填情况；
（2）采用钻孔窥视仪观察瓦斯尾巷充填情况；
（3）根据观察情况，决定是否进行充填；
（4）若进行充填，采用水灰比为3：1的高水充填材料再进行充填，能快速凝固，不影响工作面回采；
（5）重复以上步骤（1）~（4），始终保持工作面煤壁前方5m的安全循环探测距离。
2.2 31011回风顺槽和33011回风顺槽充填方案
31011回风顺槽与33011回风顺槽充填孔布置见图23所示。

图23 31011回风顺槽与33011回风顺槽充填孔布置示意图
与瓦斯尾巷施工方案、步骤基本相同，在此不再详述。主要不同点在于：
（1）从31012胶带顺槽打孔进行充填，充填固结厚度达到0.5m即可，保持能形成比较稳定的“假顶”。
（2）高水充填材料水灰比为5：1，能胶结形成强度达到2MPa的固结体。

3 下分层顶板稳定性分析与顶板管理
3.1 下分层顶板稳定性分析
根据顶板结构及应力分布可沿倾斜方向将31012工作面顶板分为四种：煤柱下方顶板、上分层巷道下方顶板、采空区下方顶板、瓦斯尾巷下方顶板。下面分析这四种顶板的结构特征及对其稳定的影响。
（1）煤柱下方顶板结构特征及稳定性
煤柱两侧的上分层工作面回采后，在采空区侧向支承压力作用下煤柱两侧煤体的完整性相对差一点，一般顶板岩层结构较好，但支承压力较大，易发生片帮，顶板稳定性较好，现场应采取紧跟前滚筒移架、确保支架有较高的初撑力等方法来保持顶板稳定。
（2）上分层巷道下方顶板结构特征及稳定性
上分层工作面回采以后，两顺槽顶板基本垮落，但由于煤柱的支撑作用，靠近煤柱附近的巷道下方可能存在空隙，因此采用高水充填材料充填空隙、胶结冒落的煤岩体，充填、胶结高度达到0.5m，因此，该范围顶板管理比采空区下方破碎顶板好管理、压力小于煤柱下方顶板，但由于胶结顶板强度还是小于原生顶板，现场应采取紧跟前滚筒移架、确保支架有较高的初撑力等方法来保持顶板稳定。
（3）采空区下方工作面顶板结构特征及稳定性
采空区下方顶板结构可归为碎裂顶板，顶板压力不大、周期来压不明显，但顶板破碎、下沉量较大，该范围顶板管理不在本课题研究范围内，根据以往经验，该范围现场顶板管理应当采取紧跟前滚筒移架、严格控制采高、采用较大的支架初撑力等方法来确保顶板的稳定性。
（4）瓦斯尾巷下方工作面顶板结构特征及稳定性
位于瓦斯尾巷下方的顶板通过高水充填材料充填后，顶板稳定性比上分层巷道下方顶板好、比煤柱下方顶板差，但压力小于煤柱下方，回采时紧跟前滚筒移架、采用较大的支架初撑力等方法来确保顶板的稳定性。
总之，上分层回采后改变了下层煤开采时的覆岩破断和移动特征；上分层采过后由于上覆岩层已遭受了大范围的破断和运动，整体性和稳定性已经发生了变化，故在下分层开采时，覆岩破断和移动特征发生了明显的变化。因此在31012工作面回采过程中其矿山压力显现和单一煤层工作面的开采不同。主要表现为：没有周期来压或者周期来压不明显、工作面超前支承压力较小、应力集中程度降低、支承压力分布平缓，但是端面顶板冒落较多、顶板下沉量较大、煤柱下方工作面顶板压力较大等现象。回采时及时移架（紧跟前滚筒移架）、维修好乳化液管路和液压支架的液压系统，保持乳化液管理不漏液，保证支架初撑力达到额定工作阻力的80%，支架能达到额定工作阻力，确保顶板的稳定性。
3.2 液压支架工作阻力计算
3.2.1 液压支架工作状态的确定
处于支架与围岩相互作用体系中的支架工作状态是支架与围岩关系的综合反映，也是基本顶的位态、直接顶、支架以及底板力学特性的综合体现。分析掌握支架的工作状态，对于及时调整和保持支架良好的工作状况、良好的支架与围岩关系具有重要意义。
支架与围岩的工作状态有三种情况，分别是给定变形、给定载荷和处于这两种情况之间。
当直接顶坚硬时，支架围岩体系的变形量主要由支架承担。因此，可把直接顶视为似刚性体，此时，支架的工作状态为“给定变形”工作状态，即基本顶的“给定变形”经直接顶全部传到支架上，因此，顶板的下沉量由基本顶的回转量决定。
当直接顶软弱、破碎时，支架与围岩体系的变形量主要由直接顶来承担，相比之下，可视直接顶的刚度为零。此时，基本顶的“回转变形压力”被直接顶的变形所吸收，支架所承受的载荷为直接顶的重量。支架处在“给定载荷”工作状态。
当直接顶介于软弱到坚硬时。支架与围岩体系的变形量是由直接顶和支架共同分配的。
支架的工作状态是处于“结定变形”状态还是处于“给定载荷”状态，是由直接顶刚度和支架刚度的相对变化决定的。当支架处在“给定变形”工作状态时，支架应具有足够的支护强度和可缩量；当支架处在“给定载荷”工作状态时，支架应具有足够的稳定性。
33011工作面回风顺槽与31011工作面回风顺槽之间煤柱下方的工作面顶板好于软弱型顶板、但算不了坚硬，采空区下方顶板属于软弱破碎顶板。可以将其看成是似零刚度的直接顶，33012工作面液压支架的工作状态为“给定载荷”状态。
3.2.2 液压支架工作阻力计算
根据矿压理论，工作面支架承受的最大压力为4-8倍采高的顶板岩石重量，周期来压强烈时取较大倍数，周期来压不强烈时取较小倍数，煤柱下方工作面支架取最大倍数即取8倍采高的顶板岩石重量计算。
P4=4×h×r×l控×b×g=4×2.5×2.6×3.8×1.5×9.8=1453KN
P8=4×h×r×l控×b×g=8×2.5×2.6×3.8×1.5×9.8=2904KN
试中：P4、P8—工作面上覆4倍、8倍采高岩石所需支护强度；
h—工作面采高，2.6m；
r—煤层顶板岩石容重，取2.5t/m3；
l控—工作面最大控顶距，3.8m；
b—支架支护宽度，1.5m；
g—重力换算单位，9.8m/s2
ZYP3200/17/28型液压支架额定工作阻力3200 kN >2904kN。
根据以上计算，可满足回采工作面顶板支护要求。
3.3 下部煤层开采辅助技术
31012工作面开采下分层，容易发生架前顶板冒落。特别是工作面上方煤柱附近受上分层工作面侧向支承压力及本工作面超前支承压力作用，容易发生片帮。
3.3.1 下部煤层架前顶板冒落问题及对策
下部煤层工作面架前顶板冒落主要有3种形式即：轻微冒落，滑坡式冒顶和大冒高形态，如图31所示。

（a）轻微冒落 （b）滑坡式冒顶 （c）大冒高形态
图31 冒顶类型
在上分层残留煤柱附近易发生微冒落和滑坡式冒顶。拟采取的措施如下:
（1）采用高水充填材料将上分层未垮落充分的位置附近充填胶结，形成胶结强度较大的“假顶”。
（2）控制合理的端面距，提高端面顶板的稳定性。巷道下方及采空区顶板端面距应小于400mm，煤柱下方端面距应小于400~500mm。
（3）当端面距超过规定要求时，由先割煤后移架，改为先移架后割煤，即“支架超前”，以缩小梁端距。
（4）消除和减小支架顶梁上端的浮矸；确保支架初撑力达到额定工作阻力的80%；支架不得低头。
（5）严格按规定采高回采，严禁割顶板，局部地段可以留设200~300mm顶煤；尤其是在巷道下方处。
（6）出现较大范围、较深的冒顶时，为了防止冒顶继续增加而发展成为第三种大冒高形式，从煤壁向顶板方向斜打木锚杆，采用此方法控制冒顶范围。另外也可采取顶板铺设金属网，用金属钢梁或木梁配合单体支柱支护冒落区。
3.3.2 下分层煤层片帮问题及对策
煤壁片帮的主要形式：一是倒墙式片帮，煤壁上下部片帮深度相等，主要是平行于煤壁的节理及采动影响和支承压力共同作用的结果。二是滑落式片帮，煤壁上部沿斜面滑下在端面处形成较大的空顶面积，主要是因降压移架时煤壁承受压力增大引发，如图32所示。

（a）倒墙式片帮 （b）滑落式片帮
图32煤壁片帮形式
研究表明：下分层工作面煤壁片帮主要是滑落式片帮，主要发生在上分层工作面两侧煤柱的下方。针对可能出现工作面片帮原因宜采取如下措施：
（1）工作面液压支架采用带压移架。
（2）采煤机割煤时尽量割平顶板并及时清理支架顶梁上的浮矸，这样可以使支架顶板的受力条件得到改善。
（3）保持支架良好的工作状态。
（4）若片帮严重，应垂直于煤壁打贴帮柱。
（5）严格安装规定采高回采。
4 瓦斯管理
加强31011瓦斯尾巷、33011回风顺槽和31011回风顺槽空洞、空隙充满程度检查，发现充填不满及时停止工作面回采，充填满空洞后才可以进行回采工作。
除正常瓦斯监测管理外，进一步加强上分层工作面煤柱下方的瓦斯管理，具体措施如下：
（1）利用31011瓦斯尾巷的抽放管路Ф219mm进行采空区抽放。
（2）瓦斯检查工要不定时对33012切眼及工作面与31011瓦斯尾巷交叉处的瓦斯浓度进行检测，发现有瓦斯浓度超限，立即停止作业进行处理。
（3）在31011瓦斯尾巷下方悬挂便携式甲烷报警仪，随时掌控该处瓦斯浓度变化情况。
（4）在回采接近贯眼7m时，从33012工作面平行顺槽方向打钻进行探测，若存在空洞立即用高水充填材料进行充填。
（5）若出现瓦斯异常，一方面可以风幛导风方式稀释瓦斯浓度，另一方面采取临时开放式抽放。
（6）进一步加强人员培训，做好下分层工作面瓦斯监管、监控、记录等工作，发现问题及时处理或上报矿调度室。

5 充填材料与工艺
5.1 高水充填材料简介
高水充填材料经七五和八五国家科技攻关，材料本身和相关技术已经完善，在多个矿务局应用该材料实施了沿空留巷，留巷效果良好，即将在兖矿集团南屯煤矿、甘肃窑街矿务局海石湾煤矿等矿使用；也可以在工作面充填、空巷充填等条件下充填使用，曾经在潞安矿务局王庄煤矿、兖州矿务局杨庄煤矿进行空巷充填，保证了综采放顶煤工作面安全通过充填后的空巷；还可以应用到巷道壁后充填，围岩注浆加固等。
高水充填材料是一种能在高水灰比条件下快速凝结的特种水泥，是中国矿业大学承担的国家“七五”、“八五”重点科技攻关项目的研究成果。高水充填材料分甲料、乙料两部分，按1:1的比例配合使用。甲料、乙料单独与水混合24h不凝结，为避免管路堵塞和一定条件下不冲洗管路创造了条件，而甲料浆和乙料浆一旦相互混合则快速凝结硬化。
高水充填材料之所以能够在高水灰比条件下快速、全部凝结硬化，是因为其水化反应生成了大量的钙矾石。钙矾石是含结晶水最高的水化物中最为常见的一种，这是高水充填材料不同于一般水泥材料的最显著的特点之一。
与一般的水泥类材料相比，高水充填材料具有以下特点；
(1) 高水灰比条件下结石率100%；
(2) 凝结时间短，早期强度高并可调；
(3) 塑性好，凝结体单轴加压应变达15%时，其残余强度还能维持在峰值强度的50%以上。
(4) 凝结体具有微膨胀性；
(5) 改变水灰比和添加剂成分就能获得不同强度的凝结体，可以满足不同工程的需要。
(6) 单位体积充填材料用量少。
高水充填材料的这种水化硬化反应过程可描述如下：

高水充填材料充填体呈现明显的塑性材料特征，在压力作用下可以允许较大的塑性变形，强度衰减比较缓慢，可以维持较高的残余强度。
通过我们与有关设备厂家共同努力，研究开发了简单的充填泵，该泵能够保证同时进浆、同时出浆，甲乙料等量，从根本上保证了巷旁充填体的质量。
高水充填材料主要分为两类：一类是在水灰比为5：1的条件下，1m3充填体只需高水充填材料200kg，凝固后强度达到2MPa以上，主要应用于采空区、空巷充填等；第二类材料水灰比在2.5：1以下，通常在1.5~1.8:1的条件下，1m3充填体只需高水充填材料500kg，凝固后强度达10MPa以上，主要应用于沿空留巷、围岩注浆加固等。
5.2 充填工艺
高水充填材料分甲料和乙料两部分，甲料、乙料按1:1的比例配合使用。由于甲料、乙料单独加水搅拌不凝结，而一旦混合则凝结硬化，凝结速度可以控制在20~60分钟。为防止浆液在搅拌、运输过程中凝结、堵塞管路和充填泵等设备，需分别搅拌和泵送甲料浆、乙料浆。因而，应采用双液充填工艺
1）充填泵站布置
采用1台流量为120～150L/min的双液充填泵充填。甲料、乙料各配2台搅拌桶，每台搅拌桶容积1.0m3，搅拌桶附近布置料场，充填泵站布置在31012胶带顺槽（下分层），具体位置与矿方共同确定。
料场要适当垫高，防止堆放的高水充填材料受潮，并且实行挂牌管理，严禁混放。充填泵及搅拌桶放平，甲料、乙料4个搅拌桶上方分别各接一趟2寸水管供水；搅拌桶较高，为了便于工人上料，需要搭台阶。
2）试验系统
用清水试验搅拌桶、充填泵、充填管路及充填点与泵站之间的联络是否正常，一切正常后就可以进行充填浆液。
3）上料、搅拌
根据设计的水灰比加入适量的水，若采用水灰比为5：1时，每桶一次上水550kg，然后每桶加高水充填材料100kg，加甲料及加乙料添加剂各10 kg。
注意（加）甲料、（加）乙料不能混加，搅拌时间不少于5分钟，搅拌均匀、达到搅拌时间要求的浆液才能泵送。
4）泵送与清洗设备
将充填泵的吸浆笼头放到搅拌均匀的搅拌桶中，开动充填泵进行泵送。在泵送过程中，要注意甲料、乙料两种浆液是否等量，如果不等量要及时清洗、查找原因。
浆液泵完后及时泵送清水，清洗充填泵和管路，直到清洗干净，同时清洗干净搅拌桶。每次充填工作结束后，专人撤洗充填泵的泵头，及时做好保养工作。
因故暂停15分钟充填就需要清洗充填泵和管路，防止堵塞。
5.3 充填过程注意事项
在严格按照要求进行施工，在充填过程中还应注意以下事项：
(1) 若出现电气或设备故障时，充填点人员应立即将混合管从混合器上取下，用高压清水进行冲洗，防止混合管堵塞；
(2) 泵站人员应观察甲、乙料的吸入情况，出浆流量是否一致，出现异常应立即进行处置；
(3) 充填点人员应密切观察充填袋周围顶板特别是充填袋本身变化情况，出现问题应立即进行处理；
(4) 加强泵站与充填点的联系十分重要，及时通报相互间存在的问题以及解决的方法途径，确保充填工序连续进行。
(5) 对每一袋高水充填材料，必须彻底将袋里的高水充填材料完全倒净，袋子里不能留下一点高水充填材料，对于高水充填材料的使用，只要使用就必须整袋使用，且要到净。
5.4 人员配备
设置充填的班组成员共5人，其中班长1人，机电工1名负责泵、搅拌桶的操作及维护、保养，另外3人负责泵站及充填点的工作。
机电工：负责搅拌桶、注浆泵的开启及设备维护、操作。
运料工：负责将高水充填材料从堆放点搬运倒入搅拌桶，同时负责往搅拌桶加入定量的水等工作。
充填工：充填期间负责从混液器到充填袋管路控制及与注浆泵操作员的通讯联系、充填袋堵漏等工作。
清洗工：负责充填前、充填后搅拌桶、注浆泵的清洗工作。
说明：在充填前和充填过程中1名机电工检修充填设备、充填管路外。其余人员到泵站进行上料、充填等。
6 准备事项及经济效益核算
6.1 需要准备的材料及设备
(1) 购买或维护充填设备：2台充填泵，1台使用，1备用；5台搅拌桶，4台使用、1台备用，及相关配件，特别是易损件的购置，共同确定泵站的摆放位置；
(2) 购买高水充填材料800t。
6.2 成本概算
1）设备费用
充填设备清单及费用见表61所示。
表61充填设备清单及费用
序号
材料名称
规格、型号
数量
参考价格
费用
1
双液注浆泵
2ZBSB8-1.1/6-22防爆
2
56000
112000
2
搅拌桶
JB-1000防爆
5
17500
87500
3
混合器

2
4340
8680
总计
208180
2）材料费用
31011瓦斯尾巷原断面宽´高为3m´2.3m，经历两次采动影响巷道断面收缩及巷内木垛，其断面明显缩小，设计时按断面3m2计算，31011瓦斯尾巷按600m计算，充填体积为1800m3，充填材料水灰比设计为5：1，则需要充填材料360t，再考虑10%浆液渗漏、跑浆等，则所需材料为400t左右，每吨材料按2000元计算（含运到矿上费用），则材料费用约为80万元。
31011回风顺槽和33011回风顺槽巷道底宽按3m计算，充填高度按0.5m计算，充填长度按600m计算，需要充填体积也为1800m3，充填材料水灰比设计为5：1，则需要充填材料360t，再考虑10%浆液渗漏、跑浆等，则所需材料为400t左右，每吨材料按2000元计算（含运到矿上费用），则材料费用约为80万元。
综上，所需充填材料费用为160万元左右。