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冲击地压煤矿采区技术经济分析

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1工程概况

1.1采区现状

千秋煤矿二一采区为二水平下山采区,采区内工作面开采采用双翼下行、顺序开采,标高为+50~-350m。对应地面标高+502.7~+646.5m,采区采深521.5~923.2m,平均采深722.4m。其中二一采区西翼大部分已经回采,东翼上分层已开采,下分层小部分已经回采。二一采区共有四条下山:二一采区轨道下山巷道,担负二一采区材料、矸石运输和进风;二水平胶带运输大巷、二一采区胶带下山巷道,担负二一采区煤炭运输和进风;二一区缆车下山巷道,担负二一采区人员运输和进风;二一采区专用回风下山巷道,担负二一采区总回风。四条下山均布置在煤层中,其中二一采区缆车下山沿煤层底板布置,其余三条下山沿煤层顶板布置。

1.2煤层赋存条件

本井田含煤地层为义马组,含煤两组,3~5层,上部为一煤组,含1-1煤、1-2煤。其中1-1煤被剥蚀殆尽,1-2煤局部可采。下部为二煤组,含2-1煤、2-2煤和2-3煤。2-1煤和2-3煤在+230~+250m合并为一层,合并后统称2-3煤。二一采区开采煤层为2-1煤和2-3煤,在采区深部2-1煤与2-3煤合并,合并后统称2-3煤,煤层倾角11~14°,煤层开采标高+50~-350m。2-3煤合并后全煤层厚5.59~37.48m,平均厚16.29m。其中:纯煤厚3.89~33.26m,平均厚13.81m。含夹矸一般6~7层,夹矸以砂岩、泥岩及炭质泥岩为主,结构复杂,属较稳定型厚煤层。二一采区剩余可采储量3593.7万t。

1.3地质条件

二一采区位于义马向斜北翼、千秋井田的南部,基本构造形态为一简单的单斜构造。地层产状平缓,走向近东西,倾向南,倾角11~14°,局部发育小褶曲,主要是来自底板的起伏,给回采带来一定的影响,但影响并不大。二一采区西翼有一宽缓、不对称的向斜,向斜枢纽倾伏方向330°,倾伏角9~14°,即该向斜枢纽由浅部向深部S30°E延伸,对煤层厚度以及产状影响较大。煤厚自西向东由厚变薄,煤层基底起伏不平,对回采有一定影响。

1.4冲击倾向性测定

2009年,煤科总院北京开采研究所岩石力学实验室对千秋煤矿二煤层及顶板冲击倾向性进行测定,综合判定二煤层具有弱冲击倾向性,但下部分层处煤层具有强冲击倾向性;二煤层顶板具有弱冲击倾向性。

2采区巷道损坏情况

回风下山断面形式为梯形断面,锚网索喷支护;其余三条下山断面形式均为拱形断面,锚网索喷+36U型钢支架支护。受两侧采空区悬露的大面积巨厚砾岩和采动影响,四条下山均产生了不同程度的变形,巷道顶部网兜现象十分明显,两帮掬出,巷道底鼓,支架折损,巷道断面收缩变形严重。在矿井正常生产过程中,四条下山维护工程量巨大,维护频繁。特别是二一采区缆车下山沿煤层底板布置,巷道位于软弱煤层中,巷道围岩稳定性较差,围岩松动圈范围大。原巷道顶部多为疏松破碎的煤体,易冒落,所以在多次维修施工中均采取不动巷道顶板扩修的形式进行,扩修难度大,支护效果差。在二一采区缆车下山维护过程中,采用超前卸压、棚后让压和锚网索喷+壁后注浆+36U拱形支架相结合的复合支护技术,根据实测的巷道位移时间序列数据可知,巷道变形量有了一定的减少,但效果不明显,依然常有煤炮发生,支架变形,卡缆脱落,底鼓严重,给正常生产带来了极大的隐患。随着采深的不断增加,矿压显现愈加强烈,开采条件急剧恶化,矿井面临发展困境,技术改造势在必行。

3技术方案分析

千秋煤矿为冲击地压灾害严重矿井,二一采区下山煤柱属于高度冲击危险区,现有三条下山均布置在煤柱内,存在随时发生冲击可能,本次对二一采区进行技术改造旨在解决这一问题。根据二一采区地质条件,本次采区技术改造设计在采区下山煤柱两侧采空区下底板岩层内布置下山巷道,利用二水平现有生产系统进行采区下山开拓,采区下山仍然位于采区中部,采用双翼布置工作面,走向长壁采煤法。

3.1改造方案

考虑矿井实际情况,本设计提出三个采区下山巷道布置方案。方案一:两岩一煤巷道布置。该方案在采区下山煤柱东侧采空区下底板岩层内布置新轨道下山、新胶带下山两条运输巷,将采区原轨道下山(沿煤层顶板布置在煤层中)改作采区回风下山。三条下山从西向东依次为:回风下山、胶带下山和轨道下山。回风下山与胶带下山平面间距244m,胶带下山与轨道下山平面间距40m。采区新轨道下山布置在2-3煤层底板以下10m岩层中,巷道长度为1330m,倾角13°,通过采区上部车场与二水平轨道运输大巷连接,构成采区轨道运输系统。采区新胶带下山布置在2-3煤层底板以下10m岩层中,巷道长度为1409m,倾角13°,下部与采区下部车场和采区延伸下部车场连通,上部与二水平胶带延伸大巷直接连接,形成采区胶带运输系统,并通过甩车场与二水平轨道运输大巷连通。采区回风下山利用采区原轨道下山巷道,向下延伸与采区技改后下部车场和采区延伸下部车场连接,并对采区原轨道下山上部回风联络巷进行修护,在原轨道上山上部车场构筑风门,构成新的采区回风系统。工作面上下巷通过采区中部车场、联络巷分别与采区3条下山巷道连通,形成独立回风系统,以满足通风要求。方案二:三条岩巷同侧布置。该方案在采区下山煤柱东侧采空区下底板岩层内,布置轨道下山、胶带下山和回风下山三条巷道,从西向东依次为:回风下山、胶带下山和轨道下山。回风下山与胶带下山平面间距40m,胶带下山与轨道下山平面间距40m。采区轨道下山、胶带下山布置同方案一。采区回风下山布置在2-3煤层底板以下16~18m岩层中,设计长度1248m。方案三:三条岩巷两侧布置。该方案在采区下山煤柱东侧采空区下底板岩层内布置轨道下山、胶带下山两条巷道,在采区下山煤柱西侧采空区下底板岩层内布置回风下山巷道,从西向东依次为:回风下山、胶带下山和轨道下山。回风下山与胶带下山平面间距420m,胶带下山与轨道下山平面间距40m,胶带下山与采区下山煤柱平面间距20m。采区轨道下山、胶带下山布置同方案一。采区回风下山布置在2-3煤层底板以下16~18m岩层中,设计长度为1344m。

3.2两条岩石下山距煤柱距离估算

以方案一为例,根据《采矿工程师手册》要求,岩层下山距离煤层底板不小于8m,考虑千秋煤矿目前现场实际,回风下山将暂用原来煤层巷道,胶带下山和轨道下山选距离煤层底板10m层位,必要时可通过石门连接。两条岩石下山均布置在二一采区东翼工作面采空区下方,两条岩石下山多数区域处于低应力状态,但是在岩石下山每次穿越工作面区段煤柱区域段必定存在一定的应力集中,为了尽量减少现场工作量和下山煤柱对岩石下山的影响,特对两条岩石下山距离煤柱合理距离进行初步计算。根据千秋煤矿21141工作开采现场微震实测数据和地表钻孔探测的岩层分布结构分析,得到了下山煤柱区覆岩空间结构如图1所示,且二一采区为从东向西煤层深度逐渐增加,因此,采区东翼位于底板内的岩石下山在一定范围相当于已有上解放层。根据估算结果,二一采区东翼距离下山煤柱177m,开始出现采空区增压,即自煤柱位置至177m处采空区留有的底煤,受到上覆岩层的压力逐渐增加,并形成采空区增压区(工作面采空区在走向和倾向均存在增压原理),设计岩石下山位于底板内,考虑十六采区开拓、炸药库、绞车硐室等多方面因素,决定设计岩石下山巷道距离煤柱60m,且两条岩石下山间距40m,因此,最东侧岩石下山距离煤柱约100m,虽然压力较高,但是可以满足现场开采实际。

3.3方案比较

通过上述方案比较,方案一利用了采区原有一条巷道,技改工程量最小,工期最短,初期投资最小,部分巷道能重复利用。方案二、方案三采区三条下山均布置在岩层内,稳定性好,采区下山煤柱回收难度大,技改工程量大,工期长,初期投资高,二水平大巷和井筒运输压力大。综合比较,本次采区技改采用方案一。

4技术改造效果分析

1)采区胶带下山与采区轨道下山均布置在岩层内,稳定性好,后期巷道维护量小,维护成本低。2)利用采区原有一条巷道回风,能有效减少技改巷道工程量,缩短技改工期。3)采区二分层工作面联络巷可以利用上一区段联络巷道,减少了区段工作面掘进工程量。

5结语

二一采区技术改造,从根本上解决了采区下山冲击地压对矿井发展的制约,为矿井正常生产接替和企业的蓬勃发展创造了良好的条件。

作者:方建厂 单位:河南大有能源股份有限公司

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