頂板管理技術(shù)的研究范文
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《能源與環(huán)境雜志》2014年第三期
福建省永春煤礦所屬各生產(chǎn)礦井均不同程度地存在上述地質(zhì)構(gòu)造特點，其中以南湖1號井、南湖2號井較為典型。煤層壓薄帶的存在，不利于采煤工作面的正常推進，但可利用其支撐煤層頂板，有利于頂板管理。在開采緊密褶皺煤層的過程中，我們通過探清礦井地質(zhì)構(gòu)造和煤層賦存特征，并根據(jù)現(xiàn)場實際和緊密褶皺煤層的特點，不斷地進行認(rèn)真分析、研究，改進開采技術(shù)方法和頂板管理技術(shù)，采用留煤層壓薄帶支撐頂板的采煤方法進行開采，用煤層壓薄帶作為保安煤柱來控制和管理頂板，處理采空區(qū)，控制老頂，并認(rèn)真做好偽頂管理和背向斜轉(zhuǎn)折端的頂板支護管理。頂板管理的主要內(nèi)容是維護好回采工作面的工作空間和處理采空區(qū)。垮落法是回采工作面正常推進中最常用的1種頂板管理方法，但對復(fù)雜構(gòu)造煤層尤其是南湖1號井、南湖2號井緊密褶皺煤層的開采則不適用。經(jīng)過對緊密褶皺煤層開采特點的分析、研究，初步掌握了利用緊密褶皺煤層壓薄帶的有利因素，采用留煤層壓薄帶支撐管理頂板、控制老頂?shù)霓k法，來改善頂板管理。同時，有針對性地做好對各類偽頂以及背向斜轉(zhuǎn)折端頂板的支護管理。
1.1留煤層壓薄帶支撐管理頂板、控制老頂方法的實踐（1）頂板管理方法的選擇。在煤礦井下生產(chǎn)回采過程中，隨著回采工作面的不斷推進，頂板懸露面積不斷擴大，支架開始折損，柱帽開始壓劈，這時必須對采空區(qū)頂板進行及時處理，才能保證采面生產(chǎn)的正常進行。通常的頂板管理方法是采用回柱放頂-垮落法來處理采空區(qū)，控制工作面頂板的壓力，以減輕老頂周期來壓所造成的影響。如磨刀坑礦井+525m60#、54#煤層、南湖2號井+1000m、+975m部分地段的37#煤層穩(wěn)定性好些，時有出現(xiàn)這樣的正規(guī)采面，有老頂周期來壓。而南湖1號井、南湖2號井開采煤層構(gòu)造以緊密褶皺為主，很多地段較普遍地存在著煤層壓薄帶，開采過程中均未出現(xiàn)老頂周期來壓現(xiàn)象，甚至一些較完整、堅硬的直接頂巖層，在采場支柱回撤后仍長時間不冒落。如南湖1號井+750m、+725m、+700m60#煤采面、南湖2號井+1000m37#煤南采面已開采10多年，采空區(qū)面積達1000m2，原來支護的木支柱已經(jīng)全部腐爛了，但采空區(qū)的直接頂還是完好無損，頂板至今仍未冒落。根據(jù)這種情況，經(jīng)分析、研究，不能用垮落法來管理頂板，也不能用充填法來管理頂板，還是要用留煤層壓薄帶支撐頂板的辦法來管理頂板。因此，針對該類煤層賦存特征、頂板巖性、煤層厚度、傾角變化規(guī)律，我們通過長期研究、比較、應(yīng)用和實踐后，目前廣泛采用留煤層壓薄帶支撐頂板管理的方法。通過留煤層壓薄帶以支撐頂板，控制老頂，使其不出現(xiàn)初次來壓和周期來壓，減輕采場礦山壓力，既簡化了頂板管理，節(jié)省了大量的頂板管理工作量，又大大地減少坑木消耗量。這樣的頂板管理方法，實踐證明是行之有效的頂板管理方法，在各礦井得到普遍采用。（2）采用該方法的采準(zhǔn)巷道布置方式。在半煤巖運輸巷道選擇煤層厚度較大的褶曲（向斜或背斜）軸部作為切眼掘進的開口位置，切眼沿著褶曲軸部傾伏方向向上掘進，與上回風(fēng)巷貫通。切眼之間，仍沿煤層走向掘順槽相連通。當(dāng)煤層構(gòu)造發(fā)生變化難與上回風(fēng)巷貫通時，則在切眼頂部沿走向掘進順槽與相鄰切眼貫通，作為采煤工作面通風(fēng)和安全出口之用。在切眼下部，仍以順槽貫通，作運輸和行人之用。各切眼的間距與緊密褶皺構(gòu)造的褶曲幅度相當(dāng)，一般不大于30m。如果切眼兩側(cè)的煤層在0.4m以下，就留1.5～2m的安全煤柱。當(dāng)局部地段褶皺較寬緩，相鄰向、背斜軸部之間的距離大于30m時，可在其中部適當(dāng)位置增加掘進一條切眼，切眼兩側(cè)的煤層比較穩(wěn)定時，其厚度在0.4m以上，就選擇較薄煤層壓薄帶作為安全煤柱，從而來管理頂板，控制老頂。回采作業(yè)時采用正臺階方式，堅持自上而下、由里及外的回采順序。（3）頂板管理綜合措施。頂板管理則主要通過留煤層壓薄帶來進行頂板控制，即在相鄰兩條切眼中間，選擇煤層厚度較薄（一般在0.5m以下）處，保留煤柱用以支撐頂板。煤柱留設(shè)范圍視夾薄帶的煤層厚度而定。當(dāng)厚度在0.5m以下，一般以不可采的薄煤帶作為煤柱范圍；當(dāng)厚度在0.5m以上，一般在相鄰2個厚煤帶或煤包的中間留設(shè)安全煤柱。每個煤柱平面形狀為方形，寬度控制在2m左右；相鄰煤柱之間與軸部傾伏走向平行方向上的距離視頂板巖性和煤層厚度而定，一般控制在3～5m；各煤柱排列成1條與褶曲向、背斜軸部傾伏方向平行的煤柱帶。對相鄰煤柱帶之間的采空區(qū)偽頂，則采用木支柱進行輔助支護；必要時也可采取特種支架等特殊支護形式。通過采取上述頂板管理綜合措施，使老頂不出現(xiàn)周期來壓，實現(xiàn)了對頂板的有效控制。
1.2多切眼式頂板管理法的實踐緊密褶皺構(gòu)造煤層的厚度及產(chǎn)狀變化頻繁，若采用長壁式采煤法回采，遇到嚴(yán)重壓薄帶、小斷層等，采面因難以推進而被迫暫停，需重新開切眼搬家，回采工作較被動。因此，采用多切眼方法較為適合，如南湖2號井早期開采的+1000m37#煤采面。其采準(zhǔn)巷道布置方式是在回采的同時，按一定間距（20m左右）超前掘進切眼至上回風(fēng)巷貫通，即除工作面所在切眼外，還保持1條超前的、與上回風(fēng)巷貫通的備用切眼；相鄰切眼間，仍以順槽相連。在備用切眼與順槽交岔口上側(cè)，設(shè)1道臨時風(fēng)門。當(dāng)回采中遇到嚴(yán)重壓薄帶不能繼續(xù)推進時，工作面可以立即搬到下1條切眼并繼續(xù)回采工作。該方法的優(yōu)點是回采工作連續(xù)、主動，又利用煤層壓薄帶支撐頂板，頂板管理方法簡便可行；但缺點是切眼掘進量大，萬噸掘進率高，且切眼過煤層壓薄帶時，需破底挑頂，成本較高。
1.3緊密褶皺煤層開采采面?zhèn)雾數(shù)墓芾砭o密褶皺煤層在原先狀態(tài)時是水平的，在一定范圍內(nèi)是連續(xù)完整的，偽頂也一樣是連續(xù)完整的。但是在褶皺形成過程中，煤層偽頂經(jīng)過構(gòu)造應(yīng)力的強烈擠壓，發(fā)生層間揉皺、滑動，節(jié)理發(fā)育，破壞了煤層及其頂板的完整性，造成偽頂多且不連續(xù)，其傾角、厚度也發(fā)生很大的變化，給煤炭安全生產(chǎn)帶來了不利的影響。在改進頂板管理技術(shù)，采用留煤層壓薄帶支撐管理頂板，控制老頂?shù)霓k法，不出現(xiàn)老頂?shù)某醮蝸韷汉椭芷趤韷海诶享數(shù)玫娇刂浦螅鸵J(rèn)真研究偽頂，許多的微小偽頂在回采過程中，隨落煤而垮落，還有一些小偽頂借助工具，通過人工也處理下來了。剩下的就是經(jīng)過采動一段時間會脫落的以下3種偽頂，要區(qū)別對待，認(rèn)真支護管理。（1）偽頂面積小于1m2暫時未脫落的小偽頂，要特別認(rèn)真檢查并支護好。因為經(jīng)采動一段時間后會脫落，這樣的小偽頂，借助工具人工要把它處理也處理不下來，也不知道它經(jīng)采動后，何時能脫落，危險性大，不能疏忽，那只能采取措施，用頂柱予以支護，打緊打牢，確保采面工作空間的安全，回柱時，嚴(yán)禁撤除有危險的頂柱，面積小于等于1m2的小偽頂，一般僅頂1根柱子，這根柱子是危險的頂柱，不能撤除，留作信號柱。（2）偽頂面積大于1～2m2的中偽頂，一般頂住4根點柱，這4根點柱，最多也只能回其中的1根，其它3根是屬于危險的頂柱，堅決不能回。（3）偽頂面積大于2m2以上的大偽頂，其偽頂越大，采動后冒落越慢，但都得認(rèn)真加以支護。回柱時也只能撤回其中的一小部分頂柱，而其它大部分柱子不能回。
1.4緊密褶皺煤層背向斜轉(zhuǎn)折端頂板的支護管理煤層在形成褶皺過程中，因塑性流變作用，而使褶皺煤層的厚度也相應(yīng)發(fā)生變化，表現(xiàn)為背向斜冀部煤層變薄，冀部形成了煤層壓薄帶，背向斜轉(zhuǎn)折端煤層變厚。永春煤礦所屬各生產(chǎn)礦井都有不同程度地存在著壓薄帶，尤其是南湖1號井、南湖2號井較普遍地存在著煤層壓薄帶，背向斜轉(zhuǎn)折端煤厚一般2～3m，有的更厚。如磨刀坑礦井+492m60#煤層，有的地段厚達5～6m，在背向斜轉(zhuǎn)折端這樣煤層厚度，給頂板管理增加了難度。經(jīng)分析、研究，在認(rèn)真搞好敲幫問頂，處理好偽頂，支護好偽頂以及搞好一般支護的基礎(chǔ)上，要特別認(rèn)真重視對背向斜轉(zhuǎn)折端頂板的支護管理。如在向斜頂板狀況不好的重要部位用叢柱予以加強支護，在背斜頂板狀況不好的重要部位用木垛予以加強支護，從而更有效地控制頂板壓力。通過加強背向斜冀部頂板支護，進而控制所在煤層頂板，實現(xiàn)緊密褶皺構(gòu)造煤層開采頂板的有效管理。
2應(yīng)用效益與前景
據(jù)測算，在以緊密褶皺構(gòu)造為主的天湖山煤礦區(qū)中，各種藕節(jié)狀、雞窩狀煤以及褶曲軸部厚煤帶或煤包的采出量約占總產(chǎn)量的70%。而對于上述不規(guī)則煤層的開采，采用留煤層壓薄帶來管理頂板，既節(jié)約了大量的坑木消耗量，又節(jié)省了頂板管理的工作量，具有良好的經(jīng)濟效益與應(yīng)用前景。
2.1經(jīng)濟效益分析（1）節(jié)約坑木消耗量。從福建省永春煤礦的材料消耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，開始逐步應(yīng)用留煤層壓薄帶來管理頂板后，萬噸原煤坑木消耗量為182.8m3，與以前歷年平均原煤坑木消耗量216.6m3/萬t相比，下降了33.8m3/萬t。按坑木市場平均單價800元/m3計算，每生產(chǎn)萬噸原煤可節(jié)約坑木費用2.7萬元。（2）節(jié)省頂板管理人工費。采用留煤層壓薄帶來管理頂板，可節(jié)省大量的頂板支護和頂板管理工作量，回采工效可提高20%以上，平均每回采1t煤可節(jié)省頂板支護和頂板管理的工作量0.16工日，按歷年日平均工資100元計算，每生產(chǎn)萬噸原煤可節(jié)省人工費用16萬元。
2.2生態(tài)效益由于采用留煤層壓薄帶來管理頂板節(jié)約了坑木消耗量，從而大量地減少林木砍伐量，有利于生態(tài)環(huán)境的保護，具有良好的社會效益。
2.3應(yīng)用前景2012年，天湖山煤礦區(qū)的年實際總產(chǎn)量已超過200萬t，如果采用留煤層壓薄帶來管理頂板在各類煤礦中得到全面推廣和應(yīng)用，則全礦區(qū)每年可產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益為2618萬元。該方法對于其他地區(qū)同類地質(zhì)構(gòu)造煤層的開采也具有一定的借鑒意義。
3結(jié)束語
通過理論聯(lián)系實際、煤層開采實踐，我們認(rèn)識、掌握緊密褶皺煤層存在著連續(xù)不斷的背向斜構(gòu)造形態(tài)，煤層壓薄帶以及偽頂多等特點、規(guī)律。通過分析、研究這些地質(zhì)規(guī)律，改進了頂板管理方法，實踐應(yīng)用緊密褶皺煤層開采頂板管理技術(shù)，就能有效地控制了礦山壓力，取得較好的經(jīng)濟效益和安全效益，促進了煤礦安全生產(chǎn)。
作者：吳聯(lián)文單位：永春縣煤炭管理局