CN102536239B - 一种长壁工作面无煤柱开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长壁工作面无煤柱开采方法，包括如下步骤：(1)挖掘上顺槽巷道与下顺槽巷道；(2)对下顺槽巷道的顶板进行加固，并在顶板上钻设用来预裂爆破的聚能孔；(3)进行回采，直至形成采空区；(4)对应聚能孔进行爆破，在顶板形成切缝；(5)开采面断裂下沉，成为新巷道；(6)以原下顺槽巷道作为下一开采面的上顺槽巷道，并挖掘相对该上顺槽巷道的下顺槽巷道，形成新的开采面；(7)重复所述步骤(2)-(6)，连续开采煤炭，直至该煤层开采完毕。本发明中每两个开采面之间是连续的，无煤柱支撑，开采率高，且成巷过程无须长时间等待，作业效率提高。

Description

一种长壁工作面无煤柱开采方法

技术领域

本发明涉及一种煤层的开采方法，尤其与长壁工作面的煤层开采方法有关。

背景技术

随着煤炭开采深度的增加，长壁开采通常采用留设煤柱的办法保护上顺槽巷道，巷道较深时由于地应力的急增导致留设煤柱的宽度增大，传统长壁开采工作面沿空留（掘）巷开采工艺，在深部开采过程中存在的巷道工程量大、采掘比高、生产效率低，资源浪费严重以及留设煤柱造成的瓦斯突出、冲击地压频发、采空区漏风等安全隐患，已经成为困扰和影响煤矿安全和高效开采的重大问题。

目前国内外主要采煤国家中对于无煤柱开采的研究主要集中在沿空掘巷和沿空留巷两方面。沿空掘巷是在上一工作面回采完成后，并且采场顶板垮落充分，矸石得到挤压压实，覆岩矿压显现停止，围岩稳定以后，在采空区和煤体边缘形成一个卸压带，在卸压带内重新掘进一条新的巷道。沿空掘巷必须要在上一区段工作面回采完毕，采场顶板垮落完成并压实后才能进行掘巷，因此需要相当长的时间，给我国很多矿井的生产接替造成很大的困难。

沿空留巷是在本工作面回采过程中即采用相关的技术将本工作面中的下顺槽保留下来，作为下一个工作面回采的上顺槽。目前的沿空留巷技术中，巷内支护先后发展了木棚、工字钢棚、可缩支架、锚网索等，巷旁支护发展了木垛、密集支柱、矸石带、混凝土砌块、膏体充填和高水材料充填等技术。虽然取得一定的成绩，但是仍然存在很多不足和问题：忽视巷旁煤体的支护作用，巷内主动支护技术应用少，巷旁支护与围岩变形不协调，支护设计缺乏系统性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种支护可靠、开采效率高且无须设置煤柱的长壁工作面无煤柱开采方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种长壁工作面无煤柱开采方法，包括如下步骤：

（1）在煤层上挖掘连通的两个巷道作为首采面的上顺槽巷道与下顺槽巷道；

（2）对下顺槽巷道顶板进行加固，并在该下顺槽巷道顶板上依次向上钻设呈直线排列的多个聚能孔；

（3）进行回采，直至形成采空区，巷道消失；

（4）在采空区原下顺槽位置的顶板的对应聚能孔位置进行爆破，在顶板靠近开采面的一侧形成一条预裂面，该预裂面为在顶板靠近开采面的一侧的沿原下顺槽方向双向延伸的切缝；

（5）来自采空区上部深层岩层的压力使开采面顶板断裂下沉，原下顺槽巷道位置重新成为巷道，垮落的采空区在下顺槽巷道预裂侧沿预裂面垮落后形成了下顺槽巷道的侧帮；

（6）以原下顺槽巷道位置自动形成的巷道作为下一开采面的上顺槽巷道，并挖掘相对该上顺槽巷道的下顺槽巷道，形成新的开采面；

（7）重复所述步骤（2）-（6），连续开采煤炭，直至该煤层开采完毕。

进一步，所述步骤（2）中还包括如下步骤：在下顺槽巷道的顶板上安装传感器，并有线传输到地面，对下顺槽巷道状态进行远程实时监测。

进一步，所述步骤（2）中采用恒阻大变形锚杆对作为下顺槽的巷道顶板进行加固。

进一步，所述步骤（4）中采用双向聚能预裂爆破方法进行定向切缝。

进一步，所述步骤（1）与步骤（6）中，还需要对巷道进行防漏防火处理。

进一步，所述步骤（2）中传感器包括顶板离层仪与锚杆受力仪。

本发明的有益效果在于，本发明与现有技术相比，本发明中在下顺槽巷道工作面一侧的顶板上钻设用来预裂爆破的聚能孔，并在对应聚能孔位置进行爆破，在顶板靠近开采面的一侧形成沿原下顺槽巷道方向延伸的切缝，采空区沿该切缝垮落，使得原下顺槽巷道位置自动成巷，且该巷道顶板不会受采空区垮落影响，可保持较好的状态，然后以该巷道为下一开采面的上顺槽巷道继续下一轮开采，每两个开采面之间是连续的，无煤柱支撑，开采率高，且成巷过程无须长时间等待，作业效率提高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明一种长壁工作面无煤柱开采方法中开采面结构俯视示意图；

图2为本发明一种长壁工作面无煤柱开采方法中开采面结构主视示意图；

图3为本发明一种长壁工作面无煤柱开采方法中首采面下顺槽加固及钻孔结构示意图；

图4为本发明一种长壁工作面无煤柱开采方法中首采面形成采空区结构示意图；

图5为本发明一种长壁工作面无煤柱开采方法中采空区垮落结构示意图；

图6为本发明一种长壁工作面无煤柱开采方法中恒阻大变形锚杆结构示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明中采用的无煤柱开采方法，首先需要形成首采面。如图1与图2所示，形成首采面1的方法与现有方法相同，在煤层开采的边缘上确立首次开采位置，在该位置上采用S100A型总决机挖掘出两个平行的巷道2、3，两个平行的巷道2、3在尾部通过巷道4连通。靠近边缘的巷道2为上顺槽巷道，靠近继续开采面的巷道3为下顺槽巷道，连通上顺槽巷道2与下顺槽巷道3的巷道为回采面4。每个开采面都必须形成两条巷道，上顺槽巷道是用于材料运输巷道，下顺槽巷道是用于回风的巷道。在实际开采中，从回采面4进行开采，直至采空上顺槽巷道2与下顺槽巷道3之间区域所有煤炭，再进行下一开采面的开采。

然后如图3所示，对首采面1的下顺槽巷道3进行支护。支护包括被动支护与主动支护，被动支护是在下顺槽巷道3内搭置框架，被动地承受下顺槽巷道3顶板下压的力量，该种支护方式耗材高、成本高且支护效果有限。主动支护是在下顺槽巷道3顶板5上加装锚杆，以加固顶板5，该锚杆6一般长度在5-10米，通过连接上层较为稳固的岩石层来托顶下顺槽巷道3的顶板5。普通的锚杆变形量小，容易折断，本发明中采用恒阻大变形锚杆进行加固，公告号为CN101858225B的专利已对该恒阻大变形锚杆进行了详细公开。恒阻大变形锚杆6均匀分布在首采面1的下顺槽巷道3的顶板5上，间距根据需要设定在2-5米。

如图6所示，恒阻大变形锚杆6是专门针对大变形巷道和高应力巷道设计的一款可以保持恒阻并靠机械滑动装置保持延伸量的锚杆。恒阻大变形锚杆6包括螺母61、球垫62、托盘63、恒阻装置64、连接套65与杆体66，恒阻装置64呈筒状结构，套装于杆体66的尾部，托盘63和螺母61依次套装在恒阻装置64的尾部，其中托盘63的中间部分设有一孔以供恒阻装置64穿过，螺母61螺纹连接于恒阻装置64，螺母61与托盘63之间安装缓冲的球垫62，连接套安装在恒阻装置64另一端。

在将恒阻大变形锚杆6应用于巷道中时，当巷道围岩的变形能超出锚杆所能承受的范围，通过其结合面上设置有螺纹结构的恒阻装置64和锚杆杆体66产生相对位移，也即该锚杆6随着围岩大变形而发生表现为径向拉伸的大变形。围岩发生大变形之后，其能量得到释放，而恒阻大变形锚杆6在拉伸之后仍然能够保持恒定的工作阻力，围岩的变形能小于恒阻大变形锚杆6的恒定工作阻力，恒阻装置64恢复原状并紧紧的套装在杆体66上时，巷道将再次处于稳定状态，实现了巷道的稳定，消除了冒顶冲击等安全隐患。恒阻大变形锚杆6承载力15～20KN，延伸量均可达到300～600mm，具有较大的变形能力以适应沿空巷道的大变形能力。

另外，在首采面下顺槽3靠近首采面1的一侧的顶板5上，使用MQT—120J钻机在顶板5上依次向上钻设呈直线排列的聚能孔7，以方便通过该聚能孔7进行爆破，实现定向切缝。该聚能孔7间距在2-5米，根据实际岩层特点来确定。同时，还需要对各巷道2、3、4喷涂尿醛塑料泡沫，以防漏防火。

本发明中，还在作为首采面下顺槽巷道3的顶板5上安装顶板离层仪与锚杆受力仪，还可在下顺槽巷道3的侧壁及底面相应位置上安装形状位置传感器。顶板离层仪安装在顶板5上，可探知确定的近点相对于确定的远点的相对位移变化，以监测顶板5下落状态；锚杆受力仪通过锚杆6安装在顶板5上，可探知顶板5对恒阻大变形锚杆6的托盘63顶面的压力，以监测顶板5下落压力变化情况；形状位置传感器分别安装在下顺槽巷道3的顶板5、底面及两个侧壁上，对下顺槽巷道3截面形状变化进行监测。顶板离层仪、锚杆受力仪与形状位置传感器所监测得到的信号均通过线路传输到地面上，在地面上进行数据转换，并通过以太网等形式对转换后的数据进行远程传输，工作人员可在远程监测和分析该数据，实现对下顺槽巷道3状态进行远程实时监测。

完成上述工作后，在该开采面逐步进行回采，直至形成采空区。如图4所示，形成采空区后，首采面1的下顺槽巷道3一侧侧壁消失，与采空区连成一片，巷道消失。

首采面1形成采空区后，在原下顺槽巷道3的顶板5上对应聚能孔7的位置安装双向聚能预裂爆破装置，连接爆破引线，对该处顶板5进行爆破预裂，在原下顺槽巷道3的顶板5靠近采空区一侧形成一条预裂面，该预裂面为在顶板5靠近开采面的一侧的沿原下顺槽3方向双向延伸的切缝，也就是在原下顺槽巷道3的顶板5上实现了定向切缝。双向聚能预裂爆破方法的专利号为ZL200610113007X，该爆破方法可以实现对顶板5围岩的预裂作用，同时又可以保护顶板5不受爆破的破坏作用，简单易用，爆破效果好，成本低廉，操作方便。

该爆破技术在预裂线上施工炮孔，采用双向聚能装置装药，并使聚能方向对应于岩体预裂方向。爆轰产物将在两个设定方向上形成聚能流，并产生集中拉张应力，使预裂炮孔沿聚能方向贯穿，形成预裂面。由于钻孔间的岩石是拉断的，爆破炸药单耗将大大下降，同时由于聚能装置对围岩的保护，钻孔周边岩体所受损伤也大大降低，所以该技术可以达到实现预裂的同时又可以保护沿空巷道顶板的目的。其中双向聚能装置是由一定强度（单轴抗压强度为1.6MPa～2.0MPa）的管材（包括PVC管和金属管两种）经过加工而成；聚能装置直径依据炮孔直径而异，其值的大小依据特定岩体的装药不耦合系数确定；双向抗拉聚能装置上的聚能孔形状多样，可以是圆形、椭圆形、方形、矩形等，其参数依据岩性、炸药确定；双向抗拉聚能装置上聚能孔孔径大小、孔间距与岩性、岩体结构以及施工岩体的原岩应力状态等有关，需要建立相应的函数关系式，依据相关计算结果进行设计。

采空区在定向切缝影响下及采空区上方的深层岩层压力作用下，采空区发生垮落，如图5所示。由于原首采面下顺槽巷道3的顶板5实施了定向切缝，采空区垮落时不会带下原首采面下顺槽巷道3的顶板5，垮落的采空区在下顺槽巷道3预裂侧沿预裂面垮落后形成了下顺槽巷道3的侧帮（即图5中A区域），原下顺槽巷道3位置重新成为巷道。对新形成的上顺槽巷道3的侧帮采用素混凝土进行喷浆密闭，防止采空区内的瓦斯、CO等有害气体进入新形成的上顺槽巷道3内，这样原首采面的下顺槽巷道3就被保留下来作为第二个工作面的上顺槽巷道进行重复利用。同理，进行第三个工作面的回采时，利用本发明的工艺方法将第二个工作面的下顺槽巷道作为第三个工作面的上顺槽巷道使用。

最后，以原首采面下顺槽巷道位置自动形成的巷道3作为下一开采面的上顺槽巷道，并挖掘相对该上顺槽巷道3的下顺槽巷道，并形成新的开采面。同时，还需要对各巷道喷涂尿醛塑料泡沫，以防漏防火。

重复上述开采步骤，连续开采煤炭，直至该煤层开采完毕。就实现了长壁工作面无煤柱开采。

本发明的有益效果在于，本发明与现有技术相比，本发明中在下顺槽巷道3的工作面一侧的顶板5上钻设用来预裂爆破的聚能孔7，并在对应聚能孔位置进行爆破，在顶板5靠近开采面的一侧形成沿原下顺槽巷道3方向延伸的切缝，采空区沿该切缝垮落，使得原下顺槽巷道3位置自动成巷，且该巷道3的顶板5不会受采空区垮落影响，可保持较好的状态，然后以该巷道3为下一开采面的上顺槽巷道继续下一轮开采，每两个开采面之间是连续的，无煤柱支撑，开采率高，且成巷过程无须长时间等待，作业效率提高。

本发明的技术方案已由优选实施例揭示如上。本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种长壁工作面无煤柱开采方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在煤层上挖掘连通的两个巷道作为首采面的上顺槽巷道与下顺槽巷道；

（2）对下顺槽巷道顶板进行加固，并在该下顺槽巷道顶板上依次向上钻设呈直线排列的多个聚能孔；

（3）进行回采，直至形成采空区，巷道消失；

（4）在采空区原下顺槽位置的顶板的对应聚能孔位置进行爆破，在顶板靠近开采面的一侧形成一条预裂面，该预裂面为在顶板靠近开采面的一侧的沿原下顺槽方向双向延伸的切缝；

（5）来自采空区上部深层岩层的压力使开采面顶板断裂下沉，原下顺槽巷道位置重新成为巷道，垮落的采空区在下顺槽巷道预裂侧沿预裂面垮落后形成了下顺槽巷道的侧帮；

（6）以原下顺槽巷道位置自动形成的巷道作为下一开采面的上顺槽巷道，并挖掘相对该上顺槽巷道的下顺槽巷道，形成新的开采面；

（7）重复所述步骤（2）-（6），连续开采煤炭，直至该煤层开采完毕。

2.如权利要求1所述的长壁工作面无煤柱开采方法，其特征在于，所述步骤（2）中还包括如下步骤：在下顺槽巷道的顶板上安装传感器，并有线传输到地面，对下顺槽巷道状态进行远程实时监测。

3.如权利要求1所述的长壁工作面无煤柱开采方法，其特征在于，所述步骤（2）中采用恒阻大变形锚杆对作为下顺槽的巷道顶板进行加固。

4.如权利要求1所述的长壁工作面无煤柱开采方法，其特征在于，所述步骤（4）中采用双向聚能预裂爆破方法进行定向切缝。

5.如权利要求1所述的长壁工作面无煤柱开采方法，其特征在于，所述步骤（1）与步骤（6）中，还需要对巷道进行防漏防火处理。

6.如权利要求2所述的长壁工作面无煤柱开采方法，其特征在于，所述步骤（2）中传感器包括顶板离层仪与锚杆受力仪。

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