内容简介
《长壁开采110工法》系统构建了长壁开采110工法理论与技术体系,*创“切顶短臂梁”理论和平衡开采理论,提出了以NPR锚索支护、顶板定向预裂切裂、碎石帮控制与封堵、矿压远程实时监测等为核心的关键技术,研发了配套的智能化工艺装备,形成了“采-留”协同作业模式,实现了无煤柱开采的技术突破。长壁开采110工法在减少煤炭资源浪费、降低巷道掘进量、改善采场动压环境等方面有显著成效,为煤炭资源的绿色安全高效开采提供了中国方案,对推动采矿技术革新具有里程碑意义。
精彩书摘
第1章长壁采煤工法发展概述
1.1采矿工法的发展演化
煤炭是我国的支柱能源,在一次能源生产和消费结构中长期占50%以上。长期以来,采煤工艺经历了手工采煤、爆破采煤、普通机械化采煤和综合机械化采煤等几大发展阶段,采煤工艺和采掘设备的不断升级改进,推动了整个煤炭工业向前发展。现阶段,煤炭井工开采主要分为柱式和壁式两大开采体系,我国形成了以井工长壁开采为主的开采体系[1]。长壁采煤法是以工作面的开采长度为主要标志,一般来说,长度在50m以上的采煤工作面称为长壁工作面。长壁采煤技术*早出现于19世纪中叶的欧洲。初期的长壁工作面是使用坑木支护并且人工将煤装入小型矿车上,而后采用了人工掏底槽与爆破相结合的方法,同时工作面运输也使用了有轨矿车。据文献记载,20世纪50年代以前,中国煤矿主要采用残柱式和高落式采煤方法,巷道掘进量大,产煤量少,通风条件恶劣,生产安全问题突出,资源损失严重。到20世纪50年代以后,中国大部分煤矿开始采用长壁采煤法,同时制定了各项安全生产措施,极大地促进了中国采煤技术的进步和发展[2]。
根据回采工作面与区段煤柱、巷道掘进量的数量关系,将长壁开采体系分为121工法、111工法、110工法和N00工法,如图1-1所示。长壁开采121工法,即每回采“1”个工作面,需提前掘进“2”条工作面回采巷道,并留设“1”个区段煤柱。121工法的典型特征是采用煤柱隔离采空区,煤柱的留设一方面造成资源浪费,另一方面致使覆岩不均衡沉降,造成沿空巷道围岩应力集中。为了解决资源浪费问题,1937年苏联提出采用充填材料沿采空区边缘维护原回采巷道,即回采“1”个工作面,只需掘进“1”条工作面回采巷道,留设“1”个充填体岩柱,因此可称为111工法。111工法即充填沿空留巷开采方法,有效解决了资源浪费问题,减少了巷道掘进率,但未彻底改变顶板间的传力结构,属于“无煤有柱”的开采方式,充填体易成为应力集中区,充填作业与工作面开采间的协调是制约高效开采的重要因素。
图1-1长壁开采工法示意图
基于无煤柱自成巷关键技术,2009年笔者研究团队提出了110工法,即回采“1”个工作面只需掘进“1”条工作面回采巷道(另一个巷道自动形成),留设“0”个煤柱。在110工法的基础上,2016年又提出了N00工法,即开采全新盘区的“N”个工作面,需掘进“0”条巷道,留设“0”个区段煤柱,实现了无须掘进巷道和无须留设煤柱的重大升级和突破。110工法把采煤与掘进两套工序初步统一起来,使每个采煤工作面少掘进一条回采巷道,实现了无煤柱开采。N00工法在110工法的基础上,把采煤与掘进两套工序彻底统一起来,由掘进一条回采巷道变为不需要掘进回采巷道。
1.2长壁开采121工法
20世纪60~70年代,钱鸣高院士提出“砌体梁”理论,*次完整论述了采场上覆岩层压力传递和平衡方法,通过留设区段大煤柱平衡顶板压力,形成了长壁开采121大煤柱开采体系(简称121大煤柱工法),即回采一个工作面,需掘进两条顺槽巷道,留设一个区段煤柱的常规长壁开采技术体系。此工法为目前我国长壁开采应用*广泛的开采体系,为我国矿业科学技术发展做出了重要贡献[3],如图1-2(a)所示。
20世纪70~80年代,宋振骐院士提出“传递岩梁”理论,进一步解释了采场上覆岩层压力传递路径,分析了高应力区矿压的分布规律,发现了区内存在内外应力场,提出了在内应力场内掘巷,留设小煤柱[如图1-2(b)所示]的思路,形成了长壁开采小煤柱开采体系(简称121小煤柱工法),进一步推进了长壁开采技术的发展,为提高煤炭回收率做出了重要贡献。
图1-2长壁开采121工法示意图
1.2.1长壁开采121(大煤柱)工法
1962年,钱鸣高院士提出了“采场上覆岩层围岩运动力学关系”的思路,并于1979年在大屯矿区孔庄矿现场测试中得到了验证,1981年提出“砌体梁”平衡理论,并于同年8月21日在我国“**届煤矿采场矿压理论与实践讨论会”上做报告,受到普遍认同[4]。1982年在英国纽卡斯尔大学的“国际岩层力学讨论会”上宣读了“岩壁开采上覆岩层活动规律及其在岩层控制中的应用”论文,把“砌体梁”理论推向国际。
“砌体梁”理论认为,随着回采工作面推进,顶板岩梁将会周期性折断,断裂后的岩块由于排列整齐,在发生回转时相互挤压,由于岩块间的水平力及相互间的摩擦力作用,形成梁式砌体结构,其结构模型和力学模型如图1-3和图1-4所示。
在此基础上,提出了支护强度和顶板下沉量的计算方法,并推导了相应的计算公式,分别如式(1-1)、式(1-2)所示:
(1-1)
式中:为支护强度,MPa;为直接顶总厚度,m;为岩层容重,kN/m3;为控顶距,m;为常数系数;为支护结构的横向影响长度,为直接顶的厚度,m;为上覆岩层均布载荷,N/m;为岩块间的内摩擦角,为岩块回转倾斜角,分别为处于悬露状态岩块的破断长度(m)、厚度(m)、下沉量(m)、质量(kg)。
目录
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前言
第1章 长壁采煤工法发展概述 1
1.1 采矿工法的发展演化 1
1.2 长壁开采121工法 2
1.2.1 长壁开采121(大煤柱)工法 2
1.2.2 长壁开采121(小煤柱)工法 4
1.3 长壁开采110工法 5
第2章 长壁开采110工法理论基础 7
2.1 平衡开采理论 7
2.1.1 采矿损伤不变量方程 7
2.1.2 平衡开采控制方程 8
2.2 “切顶短臂梁”理论 8
第3章 长壁开采110工法关键技术 13
3.1 长壁开采110工法顶板定向预裂切缝技术 13
3.1.1 顶板定向预裂切缝技术原理 13
3.1.2 顶板定向预裂切缝技术要求 14
3.1.3 顶板定向预裂切缝关键参数 14
3.1.4 顶板定向预裂切缝效果检测与评价 15
3.2 110工法NPR锚索支护技术 16
3.2.1 NPR锚索支护原理 16
3.2.2 NPR锚索与围岩作用能量原理 19
3.2.3 NPR锚索支护设计要求 21
3.3 110工法碎石帮控制及封堵技术 22
3.3.1 碎石帮侧向压力理论计算 22
3.3.2 碎石帮侧向支护技术 31
3.3.3 巷旁碎石帮封堵技术 34
3.4 110工法矿山压力远程实时监控技术 36
3.4.1 110工法矿压远程监控系统简介 36
3.4.2 110工法矿压远程监控技术原理 36
3.4.3 110工法主要矿压监测内容 38
第4章 长壁开采110工法配套装备 40
4.1 110工法定向预裂切缝装备 40
4.1.1 顶板定向预裂切缝双向聚能张拉爆破管 40
4.1.2 DCA-45顶板定向预裂切缝钻机 40
4.1.3 N00ZJ4515000切缝钻机 44
4.1.4 液态定向切缝机 57
4.1.5 液态水切割机 61
4.1.6 链臂锯切顶机 64
4.2 110工法NPR锚索及其安装设备 65
4.2.1 NPR锚索*特性能 65
4.2.2 NPR锚索安装设备 69
4.3 110工法挡矸结构和护帮锚杆 83
4.3.1 U型钢挡矸结构 83
4.3.2 多托盘锚杆 85
4.3.3 波式多阻护帮锚杆 87
4.4 110工法巷内临时支护装备 90
4.4.1 单元式切顶护帮支架 90
4.4.2 迈步式切顶护帮支架 93
第5章 长壁开采110工法设计 97
5.1 110工法设计原理 97
5.1.1 切顶短臂梁设计原理 97
5.1.2 预裂切缝高度设计原理 98
5.1.3 预裂切缝角度设计原理 98
5.1.4 支护设计原理 99
5.1.5 双向聚能爆破设计原理 99
5.2 110工法主要设计内容 100
5.2.1 分区设计 100
5.2.2 临时支护及挡矸设计 103
5.3 典型条件矿井110工法设计 104
5.3.1 复合顶板110工法设计 104
5.3.2 破碎顶板110工法设计 107
5.3.3 复合夹煤顶板110工法设计 111
5.3.4 坚硬顶板110工法设计 114
5.3.5 厚煤层快速回采110工法设计 118
5.3.6 大埋深中厚煤层110工法设计 123
第6章 长壁开采110工法应用及矿压规律 126
6.1 薄煤层110工法应用及矿压规律 126
6.1.1 工程概况 126
6.1.2 薄煤层切顶卸压顶板运动模式及岩层移动规律 127
6.1.3 薄煤层自成巷110工法采场矿压显现规律 129
6.1.4 薄煤层自成巷110工法巷道矿压显现规律 132
6.2 中厚煤层110工法应用及矿压规律 137
6.2.1 工程概况 137
6.2.2 中厚煤层110工法自成巷采场矿压显现规律 138
6.2.3 中厚煤层110工法自成巷巷道矿压显现规律 140
6.2.4 二次回采工作面采场及巷道矿压显现规律 148
6.3 厚煤层110工法应用及矿压规律 153
6.3.1 工程概况 153
6.3.2 厚煤层自成巷110工法数值模拟 153
6.3.3 厚煤层自成巷110工法巷道矿压显现规律 161
6.3.4 厚煤层自成巷110工法采空区岩体垮落及碎胀效应 172
6.3.5 厚煤层自成巷110工法顶板运动模式及岩层(地表)移动规律 175
6.4 厚层坚硬顶板110工法应用及矿压规律 177
6.4.1 工程概况 177
6.4.2 厚层坚硬顶板110工法采场矿压显现规律 177
6.4.3 厚层坚硬顶板110工法巷道矿压显现规律 181
6.4.4 厚层坚硬顶板110工法采空区岩体碎胀效应 189
6.5 浅埋复合夹煤顶板110工法应用及矿压规律 190
6.5.1 工程概况 190
6.5.2 浅埋复合夹煤顶板110工法采场矿压显现规律 190
6.5.3 浅埋复合夹煤顶板110工法巷道矿压显现规律 194
6.5.4 浅埋复合夹煤顶板碎胀效应 195
6.5.5 浅埋复合夹煤顶板110工法岩层(地表)移动规律 198
6.6 大埋深破碎顶板110工法应用及矿压规律 200
6.6.1 工程概况 200
6.6.2 大埋深破碎顶板运动模式及岩层移动规律 200
6.6.3 大埋深破碎顶板110工法矿压显现规律数值模拟 203
6.6.4 大埋深破碎顶板110工法采场矿压显现规律 207
6.6.5 大埋深破碎顶板110工法巷道矿
试读
第1章长壁采煤工法发展概述
1.1采矿工法的发展演化
煤炭是我国的支柱能源,在一次能源生产和消费结构中长期占50%以上。长期以来,采煤工艺经历了手工采煤、爆破采煤、普通机械化采煤和综合机械化采煤等几大发展阶段,采煤工艺和采掘设备的不断升级改进,推动了整个煤炭工业向前发展。现阶段,煤炭井工开采主要分为柱式和壁式两大开采体系,我国形成了以井工长壁开采为主的开采体系[1]。长壁采煤法是以工作面的开采长度为主要标志,一般来说,长度在50m以上的采煤工作面称为长壁工作面。长壁采煤技术*早出现于19世纪中叶的欧洲。初期的长壁工作面是使用坑木支护并且人工将煤装入小型矿车上,而后采用了人工掏底槽与爆破相结合的方法,同时工作面运输也使用了有轨矿车。据文献记载,20世纪50年代以前,中国煤矿主要采用残柱式和高落式采煤方法,巷道掘进量大,产煤量少,通风条件恶劣,生产安全问题突出,资源损失严重。到20世纪50年代以后,中国大部分煤矿开始采用长壁采煤法,同时制定了各项安全生产措施,极大地促进了中国采煤技术的进步和发展[2]。
根据回采工作面与区段煤柱、巷道掘进量的数量关系,将长壁开采体系分为121工法、111工法、110工法和N00工法,如图1-1所示。长壁开采121工法,即每回采“1”个工作面,需提前掘进“2”条工作面回采巷道,并留设“1”个区段煤柱。121工法的典型特征是采用煤柱隔离采空区,煤柱的留设一方面造成资源浪费,另一方面致使覆岩不均衡沉降,造成沿空巷道围岩应力集中。为了解决资源浪费问题,1937年苏联提出采用充填材料沿采空区边缘维护原回采巷道,即回采“1”个工作面,只需掘进“1”条工作面回采巷道,留设“1”个充填体岩柱,因此可称为111工法。111工法即充填沿空留巷开采方法,有效解决了资源浪费问题,减少了巷道掘进率,但未彻底改变顶板间的传力结构,属于“无煤有柱”的开采方式,充填体易成为应力集中区,充填作业与工作面开采间的协调是制约高效开采的重要因素。
图1-1长壁开采工法示意图
基于无煤柱自成巷关键技术,2009年笔者研究团队提出了110工法,即回采“1”个工作面只需掘进“1”条工作面回采巷道(另一个巷道自动形成),留设“0”个煤柱。在110工法的基础上,2016年又提出了N00工法,即开采全新盘区的“N”个工作面,需掘进“0”条巷道,留设“0”个区段煤柱,实现了无须掘进巷道和无须留设煤柱的重大升级和突破。110工法把采煤与掘进两套工序初步统一起来,使每个采煤工作面少掘进一条回采巷道,实现了无煤柱开采。N00工法在110工法的基础上,把采煤与掘进两套工序彻底统一起来,由掘进一条回采巷道变为不需要掘进回采巷道。
1.2长壁开采121工法
20世纪60~70年代,钱鸣高院士提出“砌体梁”理论,*次完整论述了采场上覆岩层压力传递和平衡方法,通过留设区段大煤柱平衡顶板压力,形成了长壁开采121大煤柱开采体系(简称121大煤柱工法),即回采一个工作面,需掘进两条顺槽巷道,留设一个区段煤柱的常规长壁开采技术体系。此工法为目前我国长壁开采应用*广泛的开采体系,为我国矿业科学技术发展做出了重要贡献[3],如图1-2(a)所示。
20世纪70~80年代,宋振骐院士提出“传递岩梁”理论,进一步解释了采场上覆岩层压力传递路径,分析了高应力区矿压的分布规律,发现了区内存在内外应力场,提出了在内应力场内掘巷,留设小煤柱[如图1-2(b)所示]的思路,形成了长壁开采小煤柱开采体系(简称121小煤柱工法),进一步推进了长壁开采技术的发展,为提高煤炭回收率做出了重要贡献。
图1-2长壁开采121工法示意图
1.2.1长壁开采121(大煤柱)工法
1962年,钱鸣高院士提出了“采场上覆岩层围岩运动力学关系”的思路,并于1979年在大屯矿区孔庄矿现场测试中得到了验证,1981年提出“砌体梁”平衡理论,并于同年8月21日在我国“**届煤矿采场矿压理论与实践讨论会”上做报告,受到普遍认同[4]。1982年在英国纽卡斯尔大学的“国际岩层力学讨论会”上宣读了“岩壁开采上覆岩层活动规律及其在岩层控制中的应用”论文,把“砌体梁”理论推向国际。
“砌体梁”理论认为,随着回采工作面推进,顶板岩梁将会周期性折断,断裂后的岩块由于排列整齐,在发生回转时相互挤压,由于岩块间的水平力及相互间的摩擦力作用,形成梁式砌体结构,其结构模型和力学模型如图1-3和图1-4所示。
在此基础上,提出了支护强度和顶板下沉量的计算方法,并推导了相应的计算公式,分别如式(1-1)、式(1-2)所示:
(1-1)
式中:为支护强度,MPa;为直接顶总厚度,m;为岩层容重,kN/m3;为控顶距,m;为常数系数;为支护结构的横向影响长度,为直接顶的厚度,m;为上覆岩层均布载荷,N/m;为岩块间的内摩擦角,为岩块回转倾斜角,分别为处于悬露状态岩块的破断长度(m)、厚度(m)、下沉量(m)、质量(kg)。