回采巷道顶煤二氧化碳气爆致裂冒放技术.pdf
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1、63引用格式:王崇勋,荚逸晨,赵宝友回采巷道顶煤二氧化碳气爆致裂冒放技术J.煤炭工程,2 0 2 3,55(8):63-67.doi:202308012Vol.55,No.8COALENGINEERING第55卷第8 期程炭煤回采巷道顶煤二氧化碳气爆致裂冒放技术王崇勋1,英逸晨?,赵宝友?(1.山西三元煤业股份有限公司,山西长治046000;2.辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新123000)摘要:基于理论分析计算得到的回采巷道顶煤气爆致裂影响半径,设计了回采巷道顶煤气爆致裂助冒放爆破孔布置方案及参数,并开展了数值模拟验证和现场工程应用。研究结果表明:沿煤柱侧及跨中打设两列爆破孔对回采巷
2、道顶煤进行液态二氧化碳相变气爆致裂后,爆破孔间的顶煤均进入塑性屈服状态,煤柱侧、跨中及回采侧巷道顶板的下沉变形不再呈现常规的下凸形式,工作面采动影响下回采巷道煤柱侧与跨中的顶煤下沉量基本相当且增加较明显;综放工作面回采巷道顶煤气爆致裂助冒放技术可在不影响安全出口顶板维护的前提下,不仅显著改善了回采巷道顶煤的冒放性,实现了回采巷道顶煤的顺利安全回收,而且还消除了端头顶板悬顶带来的诸多重大安全隐患,促进了三元煤业综放工作面安全高效可持续开采。关键词:回采巷道;二氧化碳气爆;顶煤致裂;冒放技术;端头悬顶中图分类号:TD823.4文献标识码:A文章编号:16 7 1-0 959(2 0 2 3)0 8
3、-0 0 6 3-0 5Top coal caving enhancementock technique in coal mine entryWANG Chongxun,JIE Yichen,ZHAO Baoyou?(1.Shanxi Sanyuan Coal Industry Co.,Ltd.,Changzhi 046000,China;2.School of Mechanics and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)Abstract:Based on the theoretical analysis
4、 and calculation of the influence radius of gas shock induced fracture in the top coalof the gob-side roadway,a blasting hole layout scheme and parameters for gas shock induced fracture were designed to enhancetop coal caving property of the gob-side roadway.Numerical simulation verification and fie
5、ld engineering application were alsocarried out.The results show that the roof top coal between the blasting holes enters the plastic yield state due to the phasechange gas shock of liquid carbon dioxide along coal pillar side and the middle span of roadway roof,the subsidencedeformation of roadway
6、roof along coal pllar side,across the middle,and on the mining side no longer presents a downwardconvex shape,and the subsidence deformation of the top coal on the coal pillar side and across the middle of roadway near theworking face is basically the same and increases significantly.Without affecti
7、ng the maintenance of the safety entrance,the gasshock technique not only significantly improves the caving property of roadway top coal,ensuring the safe and efficient recoveryof the roof coal in the roadway,but also eliminates many major security risks with the hanging roof of side working face.Ke
8、ywords:entry;CO,gas shock;top coal fracturing;caving enhancement technique;face-end roof hanging我国能源的赋特征决定了煤炭仍然是我国主体能源。据统计我国厚煤层储量和产量占比接近一半,厚煤层高效开采对于保障国家能源安全、促进经济社会发展具有重要作用。目前,我国厚煤层的开采方法主要有分层开采、大采高综采及综放开采3种采煤技术,与前2 种开采方法相比,综放开采具有高产高效、巷道掘进率低、吨煤成本低、对复杂煤层地质赋存条件适应性较强等优势,已经成为我国开采厚煤层的主要方法;我国自198 2 年引进长壁工作面
9、综放开采技术,40 年来我国的厚煤层放顶收稿日期:2 0 2 3-0 4-30基金项目:国家自然科学基金项目(5130 410 9)作者简介:王崇勋(197 1一),男,山东菏泽人,高级工程师,主要从事煤矿生产与技术管理工作,E-mail:w 8 6 35538 0 0 。642023年第8 期程炭煤生产技术煤开采理论、技术和装备均取得了长足发展与进步,促进了厚煤层矿井的安全高效开采,这也促使少数矿井开始尝试回收综放工作面回采巷道顶煤这部分煤炭资源1.2 。与综放工作面正常区域相比,由于受下区段煤柱的支撑与约束,使得端头顶板不易变形破断垮落,造成端头区域顶煤的冒放性差,顶煤难以正常回收,需采取
10、人工致裂措施来提高回采巷道顶煤的冒放性。综放工作面顶煤助冒放方法主要有爆破预裂和水力压裂两种技术3-1。但由于化学炸药爆破的高频高强度冲击动载特性和水力压裂裂缝扩展不易控制的特点,这两种顶煤助冒放技术很难有效解决综放工作面回采巷道放煤与安全出口顶板维护这一矛盾。因此,有必要开展回采巷道顶煤致裂助冒放技术研究,在不影响工作面安全出口顶板维护的前提下实现回采巷道顶煤的安全高效回收。1工程概况山西三元煤业股份有限公司核定生产能力2 6 0万/a,采用走向长壁综合机械化综采低位放顶煤采煤法。现开采的3号煤层位于山西组下部,煤层埋深38 0 40 1m,平均煤层厚7.2 7.7 m,普遍含0 2层炭质泥
11、岩夹研,属全区可采稳定煤层;煤层直接顶为厚约8 m的砂质泥岩与粉砂岩互层结构,基本顶为厚约4m的中粒砂岩;工作面斜长一般为240m,采用一进一回U型通风方式,回采巷道断面为矩形,毛宽5.2 m,毛高3.2 3.5m,均沿煤层底板掘进,留有厚约3.7 4.2 m的顶煤。运输(回风)巷内布置前后两架一组的端头(尾)支架组,端头(尾)支架组前方为四架一组的超前支架组,其中端头支架组在用于维护安全出口顶板的同时,端头后架还用于回采巷道顶煤的放煤。2巷道顶煤二氧化碳气爆冒放方案设计2.1二氧化碳气爆裂缝扩展范围分析煤体气爆前爆破孔周围任意一点的应力状态为12 3r4yy(1+)cos20rra24(1)
12、yycos20(2)1+00a1+22423厂yyroa2(1-K)1+2.4sin20(3)式中,ma、e a、r a 分别为以爆破孔中心为极点的极坐标系下气爆前煤体任一点处的应力分量,Pa;K 为水平地应力分量比值,K=0 x/y;x y分别为水平地应力分量,Pa;T、r 分别为爆破孔半径和煤体任一点的极径,m;为极坐标与水平方向的夹角,()。气爆应力波在爆破孔周围煤体内产生的切向拉应力b为:Oeb=P,(/(1-)(r,/r)(4)式中,P。为爆破孔孔壁处的应力波峰值压力,Pa;为衰减系数,=2-/(1-);为煤体的泊松比。因此,气爆过程中爆破孔周围煤体的总切向应力为:0a+Ob(5)当
13、裂缝尖端周向应力小于煤体拉强度,时,径向初始裂缝才停止扩展,据此得到气爆应力冲击致裂煤体的径向裂缝长度L,的计算公式为13,L,=r,(P,/(1-)/(,-0ea)V/-1)(6)已知气爆冲击波峰值压力P,=200MPa和ea=3 MPa、,=0.1 M Pa、=0.33、r=0.0 37 5 m 等参数,可计算得到气爆应力波冲击致裂煤体的径向裂缝长度L,=0.33m。现有研究成果表明13-19,煤岩体爆破致裂是初期爆生应力波和中后期爆生气体共同作用的结果,爆生气体的气楔压裂影响范围是爆生应力波冲击致裂的1.5 3倍。据此可估算出三元煤业回采巷道顶煤气爆致裂的影响半径为0.8 3 1.32
14、m,爆破孔间距为 1.6 2.6 m。2.2二氧化碳气爆致裂方案设计由于回采巷道顶煤完整性较好且力学强度较高,加之煤柱侧巷帮的支撑效应,使得回采巷道内端头放煤支架之上的顶煤不易破碎,冒放性差,易形成悬顶,不仅严重降低了回采巷道顶煤的采出率,而且还存在顶煤悬顶带来的潜在安全隐患。基于上述理论分析结果,结合三元煤业综放工作面实际情况,垂直回采巷道顶板打设两列爆破孔,孔深3.5m,孔径7 5mm,孔距2.4m,第一列爆破孔距煤柱帮0.5m,第二列爆破孔距煤柱帮2.6 m;为充分发挥气爆致裂效果,两列爆破孔沿巷道走向呈前后交错652023年第8 期程炭煤生产技术的三花布置,如图1所示。煤柱帮24002
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