1.工作面自然地质条件及工作方法简介
(1)工作面的基本情况介绍
晋永泰煤业公司位于山西省长治县县城南,所有的井田全部位于黄土高原的南部,在综采工作面附近,除了南部、北部和上部外,其余的各个方位均无任何建筑物。它们多数被黄土覆盖,分布在高低不平的丘陵上。
井下相对位置:工作面南部为西辅运巷,北部为井田边界,东部为胶轮车运输巷,西部为15101采空区。该面走向长度523米,倾向长度129米,面积60145平方米。含黄铁矿结核,斑点状分布。煤层平均厚度3.7米左右,倾角大约为3-6度,煤层走向为35-40度,倾向为305-310度。
15201工作面煤层顶板主要由14#煤、泥岩和石灰岩组成。伪顶为黑色泥岩,厚度平均0.6m。基本顶为深灰色,黑灰色厚层状生物碎屑石灰岩,含燧石结核,厚度7.8m。直接顶为14#煤,灰黑色,厚度为1m。直接底为灰色到灰黑色泥岩,厚7m。基本底为灰色到灰白色中粒砂岩,厚度为13.6m。综采工作面情况可见下图1。
根据普氏分类方法,此工作面顶板K2石灰岩属于坚硬顶板,岩石级别为Ⅲa级,坚固程度为坚固,系数为f:8。本井田构造总体为向北倾伏的背、向斜,向斜位于井田西部,区域内未发现断层、陷落柱及岩浆体侵入现象,地质构造复杂程度为简单类型。
本区域水文地质类型为中等类型,掘进范围内存在几处老巷,可能存在一定量的积水,局部顶板有淋水现象,为安全起见,防止掘进过程中发生水害事故,必须做好水害防治工作。
在井田南部,煤层埋藏较浅,导水裂隙带可到达地表,雨季大气降水的下渗将会对煤层开采构成威胁。根据调查矿坑涌水量季节性变化较大。
现井下涌水主要为井筒和采区煤层中渗水。其原因一是由于井田附近分布采空区多,都有不同程度的少量积水,可向巷道渗透;二是井田煤层埋深较浅,顶板以上岩层风化裂隙发育,会导致上部含水层的水沿裂隙下渗。
(2)工作面布置工作方法
此工作面采用的是走向长壁、后退式低位放顶煤采煤法,并且还利用了综合机械化开采的办法,运用全部垮落法管理顶板。工作面的液压支架尾梁用的是插板伸缩和摆动放顶煤的办法,并且它的放煤高度能够达到2.0米,与此同时,它的采放比可以达到1:1左右。放煤时采用的是一采一放煤的工作方式,并且还按照两轮顺序来进行放煤,放煤步距为0.6米左右。在这里还要介绍的是,此项工作采用的是MG160/375—W采煤机进行割煤的,初步预计采高为2.0±0.1米,并且割煤深度为0.6米。工作面的最小控制顶距为3.57米,最大控顶距为4.17米。
在工作面布置方面,一共布置了3条巷道,并且全都采用了全网支护,网杆规格Φ20×2000毫米左旋无纵筋螺纹钢。工艺顺序如下:第一步割煤→第二步移架→第三步推移前部刮板输送机→第四步放煤→第五步拉后部刮板输送机。
15201工作面配置117架低位放顶煤液压支架,对工作面顶板实行全支护法管理。采用了MWG160/375-W双滚筒采煤机来进行割煤操作,采煤机螺旋滚筒配合SGD-630/220刮板输送机铲煤板来完成装煤工作。并且还要在工作面靠近煤壁及老塘处各安设一部SGD-630/220刮板输送机,用来分别运送采煤机截割落煤和老塘侧放落的顶煤,可以大大增强工作效率,运输巷采用1部SZZ-730/130型桥式转载机和1部可伸缩带式输送机。
2.顶板工作面在弱化处理方面的研究设计情况
(1)注水弱化(顶板静压注水、顶板高压注水)
由于坚硬顶板的自身特性,使得工作面正常生产工作带来了阻碍,要想使工作面能够提升工作效率,生产工作的安全进行,我们在实际工作中就要对顶板进行一些处理工作,改变其裂隙和节理的自然缺陷,降低坚硬顶板的弊端,物理学特性的改变是我们的最终目标,开采中还容易产生大面积的悬顶,这也是要我们要解决的一大问题,必须要减小顶板悬露面积降低安全隐患,虽然顶板的整体性和自稳能力相当强,但我们还是要降低大面积顶板所带来的较大压力。
注水弱化按照分类可以被分成两类,包括静压注水和高压注水。静压注水的意思比较简单,它是指我们为了要减少垮落步距、避免顶板来压过于强烈,就要从降低顶板的岩体强度为着手点,而这一过程可以通过控制顶板含水率来轻松的实现,但该方法应用的前提必须是顶板岩石吸水性强,且吸水后其强度明显降低,否则不能应用。而高压注水也很容易理解,是说我们需要加强岩层裂隙的发育,就要依靠水压裂顶板,并且向顶板钻孔和高压注水,这一过程离不开顺槽等专用巷道,高压注水的压力变化,可引起岩体内应力的重新分布,也可使岩体产生塑化作用。
顶板高压注水的方法在国外应用的较多,国内利用这种办法的工程并不多,对于本次工程而言,工作面顶板中,致密而又坚硬的老顶砂岩为主要弱化处理对象,由于高压注水压裂与注水软化的周期较长,因此在选取工作面顶板处理方法时,不建议选用注水弱化的方法处理顶板。
(2)爆破弱化(步距式深孔爆破、超前深孔预裂爆破)
爆破弱化的含义我们通过字面意思大致可以猜想到,它指的是通过人工手段,在炸药爆炸时所产生的能量来影响岩石层理和岩石裂隙的发育情况,将工作面的顶板岩层轻松断裂,使岩体完整性被破坏的情况下,将顶板垮落。这样一来冒顶的面积将会缩小,目的是减少爆破产生的强大冲击力。顶板垮落后,上顶板冒落时的冲击力被有效缓和。现在爆破方法有很多种,其中比较典型的有两种,分别是步距式深孔爆破和超前深孔预裂爆破。下面我们分别对这两种爆破的主要作用简单的进行一下解释。超前深孔预裂爆破是在上、下顺槽向顶板处打深孔,并且是在工作面的前方替丁的距离处进行爆破工作,是预先破坏顶板完整程度的一种办法。这种办法不光切断了坚硬的顶板,还起到了减小顶板冒落面积的作用。
步距式深孔爆破这种办法也切断了坚硬的顶板,避免顶板大面积冒落。但与超前深孔预裂爆破不同的是,在顶板周期来压前,要对沿工作面向顶板偏向采空区的方向打2～3排的深孔,然后下一步进行装药爆破,目的是形成沟槽,大面积的顶板也将会沿着沟槽破裂成多个部分。爆破后各区示意简图如图2所示。
无论是在国内还是在国外,通过查阅大量资料和对行业的实际了解我们知道,现在改变坚硬顶板的应用最多的办法是通过爆破来实现,不同的爆破方法各有特点,但是原理相似,总的目的也是相同的。本工作面顶板处理方法选用的是深孔预裂爆破方法,对其坚硬的顶板来进行弱化处理。
(3)初采阶段深孔预裂爆破设计
初采阶段深孔预裂爆破设计主要包括以下几个方面,分别是炮孔布置方式和炮孔爆破方式。在此次研究的工作面上,一共有施工炮孔38个,在这38个施工炮孔中,有回风顺槽端头5个,还有运输顺槽端头5个,这两项端头要有10个炮孔与其对应,每种各需要5个;有两个炮孔的运输顺槽轴线要与炮孔轴线方向保持平行,不能有丝毫的交叉,而另外还要在设置的3个炮孔则恰恰相反,它们的轴线方向需要与炮孔轴线方向互相垂直,回风顺槽施工炮孔的布置情况与运输顺槽端口相同,这两项工作的装药总长度为96米,施工炮眼总长度约154米,封泥长度有57米长。有25个切眼,总长度可达到129米,所以我们在此设计出28个炮孔,并且需要注意的是,它们的轴线也是需要与炮孔轴线的方向保持平行的状态。这25个施工炮眼总长度约600米左右。在炮孔爆破的方式方面,一茬炮联线采用“局部并联,总体串联”的方式进行,放炮使用BF-200型起爆器,分组装药、分次爆破。并且还需注意的是,每次起爆最多不能超过3个炮孔。
3.结论
本文以长治三元晋永泰煤业有限公司15号煤层15201工作面为主要研究对象,意在解决坚硬顶板工作面,在初采阶段顶板弱化处理方面所要面临的问题,先是对工作面的基本情况做出介绍,并且还对初采工作面的布置方式作出简要的说明,并且最重要的是,对于顶板工作面在弱化处理方面的研究设计情况进行了详细的论述,弱化处理方法主要包括两个大方面,一是注水弱化,它包括顶板静水弱化和顶板高压弱化两个部分。二是爆破弱化,它包括步距式深孔爆破、超前深孔预裂爆破两种方式,国内外对于步距式深孔爆破尚处在试验阶段,所以在施工工程中基本用的都是超前深孔预裂爆破来对顶板来进行弱化处理。
摘要：坚硬顶板弱化处理研究在煤矿开采业一直都是重要的一部分,顶板的特征比较明显,它的抗压强度和裂隙发育情况很特殊,并且在回采过程中,悬顶情况较为严重,本文根据长治三元晋永泰煤业有限公司15号煤层15201工作面的实际情况,对顶板弱化处理方案进行了研究,希望可以在保障自身能够安全生产的同时,给其他同行业工作人员带来有价值的参考意见。
关键词：坚硬顶板,顶板弱化,弱化设计
参考文献
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