无煤柱开采沿空留巷防止漏风的安全技术措施解析.pdf
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1、1 无煤柱开采沿空留巷防止漏风的安全技术措施 无煤柱开采技术已广泛被应用,它是一项提高回采、 减少掘进工 程量、保证接续、 提高工效、降低成本的即安全又经济的有效开采工 艺。但是通过回采实践过程揭露一些不容忽视的问题,即,在有自燃 倾向性煤层中采用该各开采工艺时,往往由于沿深留巷过程中漏风问 题解决不好,造成采空区,开切眼上。下顺槽,最终停采线漏风而自 然发火,特别是在厚煤层中分层采和放顶煤开采时,采空区自然事故 出现的几率更高、更明显。 为减少漏风稳定系统、 抑制自燃发火方面做如下几方面的安全技 术。 一、水砂充填带隔离采空区 这种防火工艺就是在采煤过程中随即将开切眼附近,采面后部的 上下顺
2、或者左右上山依次充填, 工作面回采完后将停采线附近予以充 填。如图 1 所示,最后用一个充填将采区予以封闭,起着一种隔离煤 柱的作用。充填带的宽度开切眼和停采线处一般为10 宽,上下顺槽 或上山则随该井巷的宽度而定。 开切眼和停采线处充填带的充填工艺 和正常开采时充填法相同, 上下顺槽或上山的充填工艺和一般巷道包 帮灌浆充填相似。 这种水砂充填方法工艺简单, 在有水砂充填的矿井 无需增添设备,无水砂充填系统的矿井,只需添置砂浆泵和管材即 可。 二、 可塑性胶泥堵漏风 如图 2。当两个前进式工作面(综采工作面)回采完成后,留出 2 了两条沿空巷道, 第三个后退式回采工作面就自然地形成。为防止此
3、两条沿空巷风流漏入采空区而引起煤的自然发火,应采用一种半塑 性 不凝固的胶泥, 将胶泥压入采区矸石堆的缝隙中,胶泥与矸石堆 能很好胶结, 形成了一片 4 米宽的矸石墙。 这样在沿空巷道采区的一 侧形成了一个不透气的隔离带, 阻止了风流漏入老空区。 这种半塑性、 不凝固胶泥与矸石胶结合当巷道动压来临时,随着巷道变形而变形, 不会形成新的裂隙而漏风。 三、喷涂塑料泡沫防止漏风 为防止巷道风流漏入采空区引起自然发火普遍采用常温凝固的 塑料泡沫喷涂到密闭上、 巷道壁上、形成厚度为 2030 厘米的闭孔泡 沫塑料层。这种泡沫塑料一般都具有难燃、抗静电、耐压、不透气的 特性。以常温固化尿醛树脂为原料的防漏
4、风泡沫塑料喷涂技术。泡 沫1 型发泡装置喷放泡沫。这种塑料泡沫对煤、岩石、木材、金 属体和其它材料都很好胶结, 在出现矿山压力时, 此时尿醛塑料泡沫 可以缩其初始高度的7080,只有稍微漏气。通过煤矿井下1200 米的密封采空区的试验、堵漏风效果良好。 泡沫 1型塑料泡沫装置,仅需2 人操作,在 6 小时的小班 内可喷涂厚度为 0.20.3 泡沫层 100m2。 尿醛塑料泡沫密闭漏风与负 压关系式为:Q=ah,式中 Q塑料泡沫层漏风量a 和根据试验 数据用对比法求出的系数; h已密闭采空区负压, mmH2O。图 3 为 沿空巷道沿老空区侧喷涂的防漏风尿醛泡沫塑料层。图 4 为不同厚度 3 泡沫
5、塑料的负压 h 与漏风量 Q 关系。 四、风压调节法防止漏风 风压调节法是使用一定的通风设备和设施作为手段,改变井下通 风压力状态, 降低采空区或封闭区进回风侧的风压差,减少漏风的一 种工艺。 采用建立调压峒室法。 在一些易自然发火的煤矿, 为了控制向采 空区漏风,在已采过的联络巷密闭, 或工作面回采完毕的采终线密闭 可以普遍设立调压峒室以调节密闭区(即采空区)内外的压力差,以 阻止向采空区的漏风。 调压峒室的结构如图5 所示。调压室的风墙与 防火墙间距离一般是510 米,当调压室水柱计呈现负压状态时,启 动风机并将窗口调板调至水柱压力为零,此时密闭区内的气压与调 节峒室的大气压力趋于平衡,以
6、此阻力向密闭区(或采空区)漏 风。 五、飞灰充填带封闭采空区 飞灰是火力发电厂在烟道中排出的污染大气的尘埃。飞灰的形状 和化学成份随煤质和粉碎工艺以及燃烧方法的不同而变化。它的一般 物理性状和化学成份列表中。 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO H2O 强 热 减 量 比 重比 表 面 积 cm2/g 粒度 (目) 48.20 25.76 10.75 4.0 1.25 0.65 3.0 1.95 2700 200 以下 飞灰颗粒形状多数为球形,容易吸收水汽而结块。作为煤矿井下 用防火材料具有气密性能好, 脱水性强的特点, 并可用水力输送和风 力输送。 飞灰可以作为防止井下密闭漏风
7、的充填材料,也可以作为 4 采空区周边防止漏风充填隔离带的材料,更可以代替黄泥灌浆作为防 火灌浆材料之用。在煤巷、石门、立眼、斜井中均可用水力、风力流 送飞灰来构筑防漏风抑制自然发火的密闭和采空区充填带。图 6 是某 煤矿利用飞灰充填密闭的工艺图。 利用飞灰作用井下防火充填材料在 实际应用时,飞灰浆浓度是飞灰:水=6:4。飞灰沉淀、脱水后的体 积为灌入体积 1/3。所以在沉淀 24 小时后必须进行第二次充填, 为了 能充满,在密闭处的巷顶应预先挖槽,并使充填管出口伸至最高位 置。 飞灰由于颗粒很细, 一般在 200目以下,为了防止灰浆从缝隙随 水脱出,在木板闭内壁铺设麻布或塑料编织布,以便于沉
8、灰脱水。 飞灰作为防火充填材料有很多优点,飞灰来源广泛,价格低廉。 飞灰脱水性好,脱水后的飞灰气密性好,且强度大,渗透性好,能够 将矸石,巷道壁的裂缝填满充实。 一般用泵将飞灰浆输送到充填或密 闭地点,速度快,所需工时少,井下任何地点均可采用。 以上所述防漏风抑制自然发火的技术措施,都是煤矿行之有效的 防火方法,为了有效地防止、控制、扑来无煤柱开采、沿空巷道综采 工作面因漏风而引起的自然发火, 毫无疑问地采用上述各项防漏风技 术的同时,还应配合其它有效的防灭火技术,如阻化剂防火,井下火 灾的预测预报等实行综合防灭火技术,这样才能更有效地防止自然发 火的发生,保证煤矿安全生产。 5 沿空掘巷 就
9、是把巷道布置于低应力场,便于巷道维护,减少变形量,其关 键是严格控制煤柱宽度, 留小煤柱的目的是将巷道与采空区隔离,防 止采空区的水与有害气体串入巷道,危及安全生产, 但煤柱宽度对巷 道的维护状况起决定作用, 若煤柱过小, 由于靠采空侧的煤柱受支承 力的影响已呈塑形,容易失稳,片帮严重,若煤柱过大,则回采巷道 布置在压力增高区内,将使巷道压力大,支护困难。 沿空留巷 gob-side entryretaining 采煤工作面后沿采空区边缘维 护原回采巷道。 1. 概述 编辑本段 1.1. 问题的提出 为了回收传统采矿方式中留设的保安煤柱。采用一定的技术手 段将上一区段的顺槽重新支护留给下一个区
10、段使用。这种留巷的做法 是沿着采空区边缘在原顺槽位置保留就称为沿空留巷。沿空留巷可以 最大限度回收资源。避免煤体损失。 1.1.1. 国外代表 上世纪 60 年代英国、德国开始采用。 这些发达国家非常重视这 种一次性能源的开采。 分别采用前进式和后退式的工作面沿空留巷方 法以实现无煤柱开采。 现在基本普及无煤柱开采。 国外目前主要以无 机有机混合结构形式结合钢结构骨架实施沿空留巷隔墙。我国上世纪 70 年代引进使用,那时候因为经济基础等因素影响,所采用的方法 都没有广泛适应性。后期出现的“高水材料”成本过高、强度和耐久 6 性不足、特别是没有掌握矿山压力规律,从根本上扭转巷道维护困难 的局面而
11、没有得到推广。 1.1.2. 我国典范 从 20 世纪 90 年代淮南矿业集团为了治理瓦斯,坚持实施科学 创新开采。在袁亮院士带领下,淮南在实现充填材料更新、充填工艺 及装备机械化的基础上, 成功的采用沿空留巷, 实现了煤与瓦斯同采。 在较好的解决了回采工作面推进上隅角瓦斯积聚以及在高应力区掘 巷引发的瓦斯突出和瓦斯爆炸事故的同时,把沿空留巷无煤柱开采推 进到了一个新的发展阶段。 实践证明, 无煤柱开采方案实践可有效地控制瓦斯爆炸、冲击地 压等相关事故的发生。 通过对岩层运动和矿山压力发展变化规律的研 究,正确的进行巷道矿压控制设计以及解决好巷道掘进和维护期间老 塘透风问题,完全能够控制原煤柱
12、护巷方案产生的重大事故。在掌 握了沿空留巷的内在本质的基础上,西安科技大学惠兴田课题组认真 分析近年沿空留巷研究成果。 专注于及时和高强两方面兼顾上上下功 夫。在此基础上研究并发明了封闭模铸砌体结构。这种隔墙技术由于 采用预制混凝土技术作为隔墙高强内核使得隔离墙具有早期高强度, 以注浆技术的密闭和充填性作为支护的及时性可以保证砌体墙体既 有严密的封闭性又能够及时贴顶支护。这种技术一次解决了现有混凝 土隔墙技术无法解决的及时性和高强度问题。而且成本远远低于一般 泵送混凝土的成本。 对沿空留巷具有代表意义的专利技术:发明 3 项:一种刚柔复合 7 结构模板及其沿空留巷隔墙施工方法;可变弹性接顶模板
13、及其施工方 法;用于沿空留巷的综合一体机及其施工方法。实用新型2 项:一种 沿空留巷砌筑隔离墙使用的复合模板;一种变形内胎模板。 1.2. 无煤柱开采意义 减少巷道掘进量缓解接续紧张;节约掘进费用提高综合 经济效益煤炭全部回收延长矿井寿命,提高社会效益上世纪 沿空留巷技术方案缺陷阻碍了该项技术实施近十年混凝土技术的成 熟为沿空留巷打下良好基础 1.2.1. 现实意义 减少巷道掘进量缓解接续紧张;提高综合效益 1.2.2. 战略意义 开发煤炭资源;提高煤炭回收率推行无煤柱开采,不仅对生产 矿井进行技术改造、 缓和采掘关系和延长矿井寿命具有现实意义,而 且也是使煤炭企业改善安全条件和技术经济指标,
14、增产、增盈减亏的 主要途径之一。 根据我国的实践经验和当前的技术水平,目前推行的无煤柱开采 护巷分为沿空留巷、 沿空掘巷、跨采和预采无煤柱护巷以及在采空区 内形成巷道四种形式, 其中沿空留巷这种无煤柱护巷方式如果实施技 术方案合理的话在技术和经济上有更多优越性,具有广泛意义, 因而 对于条件适合的矿井都应当优先采用。 编辑本段 1.3. 无煤柱采矿经历 上世纪 60 年代世界一些主要产煤国家为了达到少掘巷道、增加 8 煤炭资源回收率、 增加生产的连续性和提高矿井的经济效益目的,而 采用往复式“ Z”形开采,前进式和后退式的工作面沿空留巷方法以 实现无煤柱开采。对沿空留巷的矿压显现、适用条件、合
15、理支护形式 及新型支护材料等都进行了大量研究。在这方面做得较多的是前苏 联、德国、英国、波兰等国家。这些发达国家非常重视这种一次性能 源的开采。现在基本普及无煤柱开采。 国外目前主要以无机有机混合 结构形式结合钢结构骨架实施沿空留巷隔墙。 我国上世纪 70 年代引进使用,那时候因为经济基础等因素影响, 所采用的方法都没有广泛适应性。后期出现的“高水材料”成本过高、 强度和耐久性不足、 特别是没有掌握矿山压力规律,从根本上扭转巷 道维护困难的局面而没有得到推广。 我国从薄煤层到厚煤层, 从缓倾斜煤层到急倾斜煤层, 都已有沿 空留巷的成功经验。 但是,在沿空留巷研究与应用中仍存在着不足之 处,使得
16、一些矿井在应用沿空留巷技术中没有取得预期的效果,并限 制了沿空留巷技术在我国更广泛的推广。 经过几十年的发展, 我国一些矿区在沿空留巷方面取得了可喜成 绩。一些矿井取得了非常客观的经济效益。沿空留巷技术正处在一 个急速起步的黄金时代。 2. 沿空留巷技术现状在几十年的研究应用 中,该领域的成功与失败并存,我们分析这些经验归结如下: 编辑本段 2.1. 密集支架形式基本不可取 沿空留巷在上世纪研究初期基本上都是以支架形式完成。那时候 各种支架形式的应用曾经解决过许多回采工作面的无煤柱采煤问题。 9 但都是应用到一些采面地压相对较小并且煤层赋存条件较好的无自 然发火的低瓦斯矿井。而且应用情况也不能
17、令人满意。 这种方式因为支护材料品种多,工作量大,支护效果差,采空区 隔离效果差等问题现在很少应用。图表 3?1 密集圆木点柱矸石堆垛 编辑本段 2.2. 矸石堆垛方式应该淘汰 矸石堆垛法是一种看似简单经济的做法,但因为该方法不能达到 及时有效支撑顶板,容易造成顶板过量下沉导致巷道不利于回采工 作。这种方式虽然材料单价低,但会消耗大量的人力,而且隔离效果 很差, 因此适应面很小。一些好的方法的出现会加速这一方法的淘汰。 图表 3?2 薄煤层袋装矸石堆垛 编辑本段 2.3. 砌体墙法存在缺陷 采用预制块砌墙可以克服上述2.1和 2.2节所述密集柱和矸石堆 垛的许多缺陷, 能够基本形成一道隔离采空
18、区的密闭墙体。但该方法 还是不能解决墙体与顶板的接顶问题,往往会造成顶板过量离层使得 支护效果不佳。应该在此基础上进行改进。 图表 3? 3 预制混凝土砌块 编辑本段 2.4. 高水高效充填支护法事倍功半 随工作面在采空区所在一侧构筑巷帮充填体形成巷帮支护带。该 支护方法一般使用材料强度低, 用量大且不能有效控制直接顶的离层 和及时切断直接顶,不利于保持巷道的稳定性。同时,由于成本高, 支护效果差,现场实际应用很少见。 该方法的最大优点是充填范围大, 适应性广,施工机械化程度高。 该方法的最大缺点是: 支护强度低很难适应沿空巷道的高压突变 10 性;材料成本很高。图表 3?4 充填灌浆 图表
19、3? 5 巷旁充填 编辑本段 2.5. 现浇混凝土隔墙法实践证明较好 经过近几年实践证明,混凝土墙体虽然有价材料用量大。但该 方法适应性广,承载力高,能够形成足够的切顶强度,安全可靠。现 在已经被广泛接受。混凝土墙的缺点在于其比较高的工程费用和施 工的复杂性以及强度上升的速度不能适应高产高效矿井工作面。还有 一些施工方法不能保证墙体及时紧密贴顶。这种技术方案的施工方法 主要有: 2.5.1. 大型自移式沿空留巷充填支架 该支架大大提高了沿空留巷的安全性,其结构复杂,支架独立 性、灵活性强、适应性以及安全性强,使用效果好。 缺陷:混凝土结构施工完成后不能紧贴顶板,导致顶板离层,增 加了留巷维护费
20、用。 2.5.2. 桶柱方式巷帮支护法 桶柱间距为 1.4 一 1.8 米,桶柱施工数量少,降低了工作量,施 工速度快,减少了对工作面生产的影响,保障了工作面的正常推进, 桶柱内混凝土的标号到300#,其试件抗压极限强度为30Mpa“,直 径为 600一 660mm的混凝土桶柱的最大支撑力可以达到976OkN。 但封闭采空区不方便。效果比整体混凝土墙体差。 2.5.3. 膏体混凝土 膏体混凝土 ,其主要成分是硅酸盐水泥、砂、粉煤灰及膏体混凝 土外加添加剂。凝固速度快、早强的特制充填体,其最大强度能达到 11 2 MPa。充填体宽 2.5 m,高 3.4 m。 这种方法的优点是膏体状便于施工。缺
21、点是强度和采矿关系的不 协调性,导致材料用量大很多。 2.5.4. 柔性模板技术 柔性模袋技术出现在上世纪早期。将此工艺用到沿空留巷是一 个创新。这一技术2006年由中国矿业大学和邯郸矿务局首先应用到 沿空留巷的隔离墙施工上并取得一些成果,但由于使用的是高水材料 存在许多问题没有得到推广。而后2009年由西安科技大学和邯郸矿 务局合作将此技术改良并以混凝土作为充填取得良好效果。这一技术 的应用使得现浇混凝土技术在沿空留巷的施工工艺得到简化。但这一 技术的显著缺点是混凝土的预制过程非常复杂。需要将石子砂子烘干 与水泥和外加剂按照比例干混搅拌后二次装袋运到井下后再次加水 搅拌后送入混凝土泵输送。
22、技术工艺还是相当复杂的。 下图是现场应 用效果。图 3?6 袋注混凝土技术的应用 编辑本段 2.6. 现浇混凝土隔墙技术评价 在过去的沿空留巷实施中, 失败比成功多。 因此对沿空留巷技术 产生了副作用, 大多数人失去信心。 通过近几年的研究终于使人们认 识到过去沿空留巷的失误多是因为隔离墙的强度和支护接顶问题造 成的。近几年现浇混凝土技术隔墙的应用给沿空留巷技术带来了新的 生机。混凝土的先天的优势能够满足工程需要。虽然混凝土是目前理 想的隔墙方法,但还是有一些不足。 目前混凝土施工中的主要缺陷是: 12 l 使用钢模板的各种支架或模板都存在模板漏浆,影响施工质 量; l 钢模板很难解决墙体接顶
23、问题,容易造成顶板与墙体之间形成 不均匀空缝,容易造成顶板过量下沉导致支护效果大打折扣; l 现浇混凝土强度需要28 天的最终强度,任何添加剂也只能保证 先期强度的上升。并不能保证任何情况下完全满足回采动压的需要, 因此,只能靠加大混凝土墙体尺寸解决,造成混凝土的浪费; l 柔性模板能够解决接顶和漏浆问题,但不规则的外表会造成混 凝土有效承载利用率下降。 一次柔性模板不适合于采高超过2 米。一 次性柔性模袋成本较高。 2.7. 封闭注浆砌筑技术(惠兴田教授的专利02985583491 ) 矸石 充填虽然支护效果差,但具方便简单廉价特征;换句话说,只要能够 克服矸石充填法的支护贴顶初撑力问题,就
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