CN103195426A - 一种大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大倾角煤层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）安装恒阻大变形锚杆，加工一排垂直聚能爆破孔，并实施爆破预裂；（3）架设支撑顶板的柱体并在柱体背后设防护层；（4）进行回采，回采面的顶板沿预裂切缝发生滑落；（5）撤出柱体，并挂网及喷射混凝土，形成支护层；（6）安装可注浆恒阻长锚杆，并进行注浆；（7）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；（8）重复步骤（2）-（7）。本发明使采空区顶板沿预裂切缝垮落，并同时避免下顺槽顶板遭到破坏，防止垮落小矸石进入下顺槽巷道，使得原下顺槽巷道位置自动成巷。

Description

一种大倾角煤层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，尤其与煤层倾角超过30°的坚硬顶板条件下的长壁工作面的煤层开采方法有关。

背景技术

为了提高推进速度和高效生产，大倾角煤层的综采已经在我国取得较多的推广和应用，并取得良好的经济技术效益，但是与大倾角煤层相对应的沿空巷道维护技术严重滞后。目前大倾角煤层工作面主要采用巷旁砌筑矸石墙的方法进行留巷和留煤柱开采的沿空巷道的维护。由于煤层倾角增大，煤层开采后，采场顶板也发生与水平煤层顶板不同的矿压显现规律。在倾斜坚硬顶板条件下，悬顶面积较水平煤层顶板大，会带来采场压力的加大，而采场压力大造成沿空巷道很难维护。目前对于大倾角煤层开采下沿空巷道的维护主要采用留煤柱支撑采场悬露顶板，保护沿空巷道不被压坏。但是这种方法不能很好解决和实现大倾角煤层长壁工作面坚硬顶板条件下的无煤柱开采，这是因为：

若采用留煤柱维护沿空巷道时，留设煤柱过小，则煤柱难以支撑采场顶板压力，起不到保护沿空巷道的作用，此时沿空巷道容易被压坏，变形过大，不能使用；若留设煤柱过大，虽然可以支撑采场顶板压力，但是会浪费大量煤炭资源无法回采，造成资源损失和浪费；并且留设煤柱会引起煤与瓦斯突出，冲击矿压等严重灾害，造成设备损毁和人员的巨大伤亡，安全隐患巨大。

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沿空巷道稳定、变形小、实现无煤柱开采且成本低廉、安全性高的大倾角煤层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：

一种大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法，包括如下步骤：

（1）在煤层上挖掘两个巷道作为首采面的上顺槽巷道与下顺槽巷道，所述上顺槽巷道与下顺槽巷道两端分别通过另外两巷道相互连通；

（2）在所述下顺槽巷道内顶板安装恒阻大变形锚杆，并沿所述下顺槽靠近所述开采面的一侧向顶板上加工一排垂直聚能爆破孔，并实施爆破预裂，形成预裂切缝；

（3）沿所述下顺槽靠近所述开采面的侧壁架设支撑所述下顺槽巷道内顶板的柱体并在所述柱体靠近开采面的侧面上贴设防护层；

（4）在所述开采面进行回采，直至形成采空区，随着煤层回采面的不断扩大，所述回采面的顶板最后沿所述一排垂直聚能爆破孔形成的预裂切缝发生垮落，并被阻挡在所述防护层之外；

（5）当所述回采面的顶板滑落完成后，撤出所述下顺槽巷道内的所述柱体，并在所述下顺槽的上帮挂网及喷射混凝土，形成封闭岩石和矸石表面的支护层；

（7）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；

（8）重复所述步骤（2）-（7），连续开采煤炭，直至该煤层开采完毕。

进一步，所述步骤（2）中，所述柱体为具有异形垫板的单体液压柱。

进一步，所述单体液压柱顶端架设在所述恒阻大变形锚杆的槽钢托梁内。

进一步，所述步骤（3）中，所述防护层为防护木排。

进一步，所述步骤（6）中，所述可注浆恒阻长锚杆的设定注浆压力为2MPa。

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内顶板安装恒阻大变形锚杆，并沿其上帮侧加工一排垂直聚能爆破孔，沿其侧壁架设柱体，并贴设防护层，以使采空区顶板沿预裂切缝垮落，并同时避免下顺槽顶板遭到破坏，防止垮落小矸石进入下顺槽巷道，使得原下顺槽巷道位置自动成巷，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，沿空巷道稳定、变形小，也不会引起煤与瓦斯突出，冲击矿压等严重灾害，成本低廉、安全性高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明一种大倾角煤层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为本发明一种大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法中开采面主视剖视结构示意图；

图3为本发明一种大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法中开采面回采后结构示意图；

图4为本发明一种大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法中开采面顶板垮落后结构示意图；

图5为本发明一种大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法中可注浆恒阻长锚杆注浆结构示意图；

图6为本发明一种大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法中锚杆机和恒阻大变形锚杆连接示意图；

图7为本发明一种大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法中可注浆恒阻长锚杆结构示意图；

图8为本发明一种大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法中防护木排结构示意图。

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。

该方法主要是利用聚能预裂爆破在巷道内沿巷道走向在顶板切出一条缝，然后利用具有异形垫板的单体液压柱、恒阻大变形锚杆等加固控制手段，对巷道顶板进行支撑，随着工作面的回采，采场顶板在上覆岩层压力作用下，沿着切缝发生垮落，直至充填采空空间，实现对上覆岩层的支撑，实现稳定，进而减小巷道内的压力，维护巷道稳定。由于煤层大倾角导致采场底板坡度较大，因此顶板垮落后的矸石落到底板上，会沿着底板的坡度向下滚落冲向巷道内，在临近上帮侧时会被预先架设的密集支柱挡住。顶板垮落后，为减小后期顶板的缓慢变形来压对巷道上帮的挤压，对上帮实施自钻式可注浆恒阻长锚杆加固，维护上帮稳定。本发明的方法的具体过程如下：

（1）本发明中采用的大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法，首先需要形成首采面1。如图1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型综合机械化掘进机挖掘出两个平行的巷道2、3，两个平行的巷道2、3通过巷道4、5连通。靠近边缘的巷道2为上顺槽巷道，靠近继续开采面11的巷道3为下顺槽巷道。每个开采面都必须形成两条巷道，上顺槽巷道2是用于材料运输的巷道，下顺槽巷道3是用于回风的巷道。

（2）如图2所示，先在下顺槽巷道3内的顶板安装恒阻大变形锚杆6，并沿巷道3内的上帮侧（靠近首采面1的一侧）打一排垂直聚能爆破孔7，并实施爆破预裂，形成预裂切缝。

在大倾角煤层开采过程中，由于下顺槽巷道3内的顶板未来压前，未发生垮落前，会出现一定的顶板悬露，悬露顶板的荷载传递到巷道3内，会增加巷道内支护体的荷载，一般的锚索由于可延伸变形小，难以适应这种压力引起的围岩大变形，极易发生拉断，本发明中采用恒阻大变形锚杆6进行加固，公告号为CN101858225B的专利已对该恒阻大变形锚杆6进行了详细公开。

如图6所示，恒阻大变形锚杆6是专门针对深埋煤层巷道设计的一款可以在深埋煤层巷道巨大压力作用下保持恒阻并靠机械滑动装置保持延伸量而不断的锚杆。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应用于煤层巷道中时，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。

在将恒阻大变形锚杆6应用于煤层巷道中时，由于恒阻大变形锚杆6本身具有很大的延伸性，所以可以承受很大的预紧力，通过预紧力补偿巷道开挖引起的三维应力损失，快速实现巷道围岩稳定，而普通锚杆由于施加高的预紧力时会拉伸锚杆，消耗锚杆的延伸量，而其本身延伸量又很小，在巷道巨大压力作用下，就会导致延伸量不足而破断。恒阻大变形锚杆6由于有500mm的延伸量，延伸量充足，即使在高预紧力拉伸和巷道压力双重作用下，仍不会断裂，发挥支护作用。

恒阻大变形锚杆6的施工安装如下所述：

①施工前，按设计要求在下顺槽3的巷道顶板放线，点好锚索孔位，做好标记。

②先使用φ28mm双翼钻头湿式在做好标记的位置打眼，为保证孔深准确，可在起始钻杆上用白色或黄色油漆标出终孔位置，换用42mm的钻头将最底下（即顶板上初始孔位，配合恒阻装置64的部分）的1m钻孔直径扩大，要尽量保持笔直以利于恒阻装置64的安装。孔深误差控制在±30mm，要求施工过程钻眼过程保持垂直，恒阻装置64外露长度控制在200±50mm。同时在用来托顶的槽钢上也加工相应的孔，以便于穿过恒阻大变形锚杆6。

③用棉丝将恒阻大变形锚杆6锚固段的水、煤岩屑等擦干净，然后先将超快树脂药卷送入钻眼，再将快速树脂药卷送入钻眼，使得超快树脂药卷在上，恒阻大变形锚杆6套上托盘63后在下端装上专用搅拌驱动器67，2人配合用恒阻大变形锚杆6顶住超快树脂药卷和快速树脂药卷缓缓送入钻眼（注意不能反复抽拉恒阻大变形锚杆6）；

④将专用搅拌驱动器67尾部六方头插人锚杆机68上。

⑤一人扶住锚杆机68的机头，一人操作锚杆机68，边推进边搅拌，前半程用慢速旋转恒阻大变形锚杆6，后半程用快速旋转恒阻大变形锚杆6，搅拌时间控制在30～40s。搅拌树脂药卷过程中不能停顿，要一气呵成，绝对不能反复搅拌，否则已开始聚合反应的树脂分子链会遭到破坏，导致锚固失效。

⑥停止搅拌，但继续保持锚杆机68的推力约3min，然后可缩下锚杆机68并移开打下一个锚索孔。

⑦10min后，先卸下专用搅拌驱动器67，并使用扳手人工拧紧恒阻装置64的螺母61将托盘63紧贴到顶板表面，拧到拧不动为止。

（3）如图3所示，然后在靠近首采面1一侧架设具有异形垫板的单体液压柱8，且单体液压柱8顶端架设在锚索槽钢托梁内。并对架设的单体液压柱8施加不小于90KN的支撑力，以支撑下顺槽巷道3内的顶板。

如图8所示，由于煤层的顶板大倾角，因此单体液压柱8架设时为了增大支撑力作用在顶板的面积，设计了刚性的异形垫板81和异形垫脚82，异形垫板81异形垫脚82均呈楔形，以补偿顶板和底板的倾角，其为金属材料，能承受压力而不被压坏，同时异形垫板81上表斜面有磨擦纹路，防止顶板活动后发生滑落。异形垫脚82底面有钢齿，以便于稳定地固定液压柱8。

在单体液压柱8的外侧（靠近首采面1的一侧）架设排柴91，形成防护木排9作为防护层，结构如图8所示，防止垮落下来的顶板岩石（采矿上又叫矸石）沿着倾斜底板滑入下顺槽巷道3内，造成巷道3断面缩小。

（4）如图4所示，对首采面1的煤层进行回采，直至形成采空区，此时首采面1的顶板悬露，随着煤层回采不断向前推进，首采面1上的顶板悬顶面积加大，当压力继续加大到一定值时，顶板即沿预裂切缝（即一排垂直聚能爆破孔7形成的面）发生垮落，并被阻挡在贴设在单体液压柱8外侧的防护木排9外边，由于防护木排9的阻挡，即逐渐累积并充填满采空区，形成对更上边岩层的支撑作用。最终充满后，停止压力显现。

（5）当首采面1上的顶板垮落完成后，撤出异形垫板单体液压柱8，保留异形垫板81，然后在上帮挂铁丝网并喷射混凝土，形成封闭岩石和矸石表面的支护层，将该下顺槽巷道3与采空区隔离，以作为新的巷道使用。

（6）然后在巷道上帮安装可注浆恒阻长锚杆10，安装完成后，对可注浆恒阻长锚杆10进行注浆，直至注浆压力达到2MPa后，即停止注浆，如图5所示。可注浆恒阻长锚杆10是不同于恒阻锚杆的一种新型锚杆，结构如图7所示，对于与恒阻锚杆相同的部分不再介绍，只对可注浆恒阻长锚杆10的不同之处作出说明：止浆塞107用于注浆完成后防止高压注浆浆液流失，止浆塞107用膨胀性的材料，遇水后发生膨胀充满注浆口，起到止浆作用；橡胶垫108用于防止浆液沿着托盘103与岩石壁之间的缝隙发生泄漏，设置在托盘103下部，是一个耐挤压的可压缩含气孔的橡胶垫；钻孔104的直径为5mm，钻孔104主要是为了注浆材料沿着孔进入锚杆10与锚杆孔之间的孔隙，并在压力的作用下，压进围岩中的微小裂隙中，起到加固围岩的作用。树脂锚固剂109用于锚杆端部的凝固固定。杆体106为左旋高强无纵筋螺纹锚杆杆体，注浆后，杆体106上螺纹即与注浆体咬合，形成牢固的锚固体。

可注浆恒阻长锚杆10主要通过注浆作用，加固上帮垮落松散的矸石，通过浆液将其胶结，形成一个整体，这样在后期顶板缓慢挤压变形作用下，不会因压力作用而压碎并散落到巷道内，起到稳定巷道帮的作用。

（7）通过以上作用将下顺槽3保留下来，作为下一个工作面11的上顺槽使用，而避免留设煤柱和节省了重新掘一条巷道作为下一个工作面11的上顺槽。再以原下顺槽巷道3位置自动形成的巷道作为下一开采面11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。

（8）重复上述步骤（2）-（7），连续开采煤炭，直至该煤层开采完毕。

实施该方法后，由于对煤层的顶板进行了爆破切缝，因此顶板处于预断裂状态，当采场顶板压力作用后，顶板就沿预断裂缝处发生切断垮落，从而避免了未预断裂的顶板形成的顶板悬露面积大，造成对巷道内支护体作用力大的危害。由于压力减小后，巷内支护体的受力减小，巷内岩石得以完整保留，巷道使用断面维护良好，保证了后期使用的安全。

由于实施了不留煤柱的开采方法，巷道旁不在有煤柱，因此避免了留设煤柱带来的煤与瓦斯突出危害，大大提高了煤矿工人井下操作的环境的安全性。同时避免了留煤柱带来的资源浪费，节约了资源,实现了经济，安全，高效的开采。

下面以在芙蓉矿务局下属的杉木树矿3313工作面的应用为例进一步说明本发明的实施方式：

该工作面煤层倾角32-35度，工作面倾向长216米，走向长650米，埋深600米，属石炭二叠系宣威组煤炭，采厚2.1米，直接顶为1.5-1.8米坚硬砂泥岩，直接顶上部为2～5米厚细砂岩组成，采用长壁后退式综合机械化开采，顶板采用冒落法管理。其中机巷长650米，异型断面，巷高2.5米，巷宽3.6米。在试验期间，工作面回采600米，经历多次矿压显现之后，累计成巷550米，机巷采空区侧顶板大部分沿聚能爆破预裂缝以大块体切落成巷，巷宽均在3.5米，而且经现场观测，巷帮切落矸石充满巷帮并且在采后60米范围内实现接顶，巷道逐渐趋于稳定，在成巷的600米巷道中除帮侧出现40cm的片帮外，顶板和底板收敛变形平均值21cm，巷内和巷旁支护受力均匀，锚索最大受力值11.3t，达到预期的试验目的。

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内顶板安装恒阻大变形锚杆6，并沿其上帮侧加工一排垂直聚能爆破孔7，并实施爆破预裂，形成预裂切缝，沿其侧壁架设柱体8，并贴设防护层9，以使采空区顶板沿预裂切缝垮落，并同时避免下顺槽3的顶板遭到破坏，防止垮落小矸石进入下顺槽巷道3，使得原下顺槽巷道3位置自动成巷，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，沿空巷道稳定、变形小，也不会引起煤与瓦斯突出，冲击矿压等严重灾害，成本低廉、安全性高。

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 (5)

1.一种大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在煤层上挖掘两个巷道作为首采面的上顺槽巷道与下顺槽巷道，所述上顺槽巷道与下顺槽巷道两端分别通过另外两巷道相互连通；

（2）在所述下顺槽巷道内顶板安装恒阻大变形锚杆，并沿所述下顺槽靠近所述开采面的一侧向顶板上加工一排垂直聚能爆破孔，并实施爆破预裂，形成预裂切缝；

（3）沿所述下顺槽靠近所述开采面的侧壁架设支撑所述下顺槽巷道内顶板的柱体并在所述柱体靠近开采面的侧面上贴设防护层；

（4）在所述开采面进行回采，直至形成采空区，随着煤层回采面的不断扩大，所述回采面的顶板最后沿所述一排垂直聚能爆破孔形成的预裂切缝发生垮落，并被阻挡在所述防护层之外；

（5）当所述回采面的顶板垮落完成后，撤出所述下顺槽巷道内的所述柱体，并在所述下顺槽的上帮挂网及喷射混凝土，形成封闭岩石和矸石表面的支护层；

（6）在所述下顺槽巷道的靠近所述开采面的侧壁上安装可注浆恒阻长锚杆，并对所述可注浆恒阻长锚杆进行注浆；

（7）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；

（8）重复所述步骤（2）-（7），连续开采煤炭，直至该煤层开采完毕。

2.如权利要求1所述的大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述柱体为具有异形垫板的单体液压柱。

3.如权利要求2所述的大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法，其特征在于，所述单体液压柱顶端架设在所述恒阻大变形锚杆的槽钢托梁内。

4.如权利要求1所述的大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述防护层为防护木排。

5.如权利要求1所述的大倾角煤层长壁工作面无煤柱开采方法，其特征在于，所述步骤（6）中，所述可注浆恒阻长锚杆的设定注浆压力为2MPa。

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