快速施工在淺埋易自燃煤層的應用

宮全紅

（同煤集團 金莊煤業有限責任公司，山西 大同 037001）

快速施工在淺埋易自燃煤層的應用

宮全紅

（同煤集團 金莊煤業有限責任公司，山西 大同 037001）

通過理論分析和數值模擬，從快速掘進、快速開采、快速搬家三個技術方面分析了快速施工應用于淺埋自燃煤層時的防滅火作用。研究表明：采用快速掘進并快速支護，可以有效地減少巷道掘進頭處發火的次數、降低其發火概率；采用快速開采能夠減少工作面的來壓次數，縮短“散熱帶”發火期；采用快速搬家技術后，可以快速封閉采空區，降低發火概率。這些工藝滿足現代化礦井中高效、安全的生產要求。

快速掘進；快速開采；快速搬家；防滅火；淺埋煤層

在現代化高產高效礦井中，快速施工已經成為保證安全、高效生產重要手段。快速施工包括快速掘進、快速開采、快速搬家、快速封閉等手段。其在保證產量的同時，還可以在淺埋易自燃的煤層特定開采條件下起到良好的防滅火作用。黃慶享[1-2]和錢鳴高[3]等對淺埋煤層進行了定義，即定義埋深為150 m之內、Jz（基載比）小于1、頂板周期來壓出現明顯動載現象的煤層。文獻[4]對煤層的自然發火傾向性進行了定義和測定。

李政[5]對淺埋綜放工作面的的初次和周期來壓強度進行了簡要的分析，得出來壓的參數，從而推導出松散覆巖淺埋深的工作面的支架快速計算公式。王開[6]對淺埋綜放面的不同裂隙的分布和方位角對放頂煤的效率進行了分析。劉新德[7]對淺埋深采空區自燃“三帶”進行了研究，主要是通過對采空區的氧氣含量和溫度變化規律來推測“三帶”的范圍。張福成[8]對神東地區淺埋易自燃煤層進行了防滅火的研究。杜江明[9]對煤與瓦斯突出礦井的掘進速度進行了合理的估計，劉克生[10]使用3DEC軟件對淺埋工作面的開采速度進行了研究，得出開采速度的加快有益于端面的穩定和來壓強度的降低。

以上研究主要為淺埋深工作面的來壓規律、對比淺埋深和中等深度的來壓規律、考慮開采速度或掘進速度對來壓規律的影響等方面，對整個掘進、開采、搬家等系統使用快速施工方法的研究較少，本文則對快速施工法對防滅火的影響進行了研究。

1 快速掘進技術

快速掘進是快速開采的保障和基礎。為了確保采掘均衡，連續采煤機應用于煤巷掘進，逐步取代了以綜掘機為主體的成套掘進生產線，設備布置圖和掘進工藝見圖1。

圖1 連續采煤機雙巷掘進設備布置及掘進工藝

從圖1可以看出，快速掘進系統已經形成，掘進、運煤、支護三個工序相互銜接，互不干擾，在雙巷掘進的過程中，兩巷間煤柱留設寬度為20 m～25 m，每隔50 m～60 m開掘1個聯絡巷，當連續采煤機在回風順槽工作時，錨桿機在運輸順槽進行支護，在煤層頂板較好的情況下，空頂距可以達到5 m，然后兩組機器調換位置，連續采煤機換運輸順槽進行掘進，錨桿機在回風順槽進行支護，實現了及時支護，有效減少了頂板的離層量。兩種工序互不影響，保證了掘進的快速不間斷進行。

采用快速掘進技術后，滿足了采掘的銜接，但對于高產高效礦井而言，則最大可能地加大了工作面推進長度，部分已經超過了5 000 m，這種超長距離大斷面掘進面臨以下的通風問題：掛接風筒多，局部漏風造成通風阻力大；多臺局部通風機供風管理難度大，風量利用率不高。這直接導致了掘進工作面的風量達不到設計要求，引起工作面氣候條件惡化，有害氣體濃度不能及時降低，煤塵濃度超標，影響到掘進工效，甚至整個礦井的安全。為此在這種雙巷掘進的系統中，采取全風壓與局部通風結合的快速掘進通風，見圖2。

圖2 快速雙巷掘進系統結合通風系統示意圖

這種通風方式很好地解決了上述的問題，使掘進頭處的通風能夠與整個礦井的通風系統結合起來，解決了局部風機的供風量不足的問題，但是需要在后面的聯巷設置封閉門或封閉墻，對其要求較高，一方面能夠保證門或墻體的嚴密性，防止發生漏風、跑風的現象，另一方面需要在快速掘進的前提下，保證墻體在50 m～60 m（2 d～3 d）之間能夠快速地構筑。

2 快速開采技術

2.1 快速開采對工作面應力的影響

快速開采指工作面的快速推進，有關文獻指出工作面的推進速度和應力的分布規律[11-12]：

式中：σ為工作面前方的應力，MPa；h為煤厚，m；t為開采時間，d。其他參數為試驗獲得。從式（1）中可看出，隨著推進速度的增加，即t減少，工作面前方的應力增加，這意味著速度不能一直增大，推進速度的選擇，既要考慮設備的工作能力，還要考慮前方應力的釋放。不同推進速度下工作面的應力分布見圖3。

圖3 不同推進速度下工作面的應力分布

從圖3可看出，隨著工作面推進速度的不斷增大，工作面前方的應力不斷增大，但是應力的范圍不斷減少，和理論計算相一致。

式中：v為推進速度，m/d；x為周期來壓步距，m。

由式（2）知，為了提高推進速度，可以非線性地增大工作面的來壓步距，在同樣長度的工作面情況下，能夠減少工作面的來壓次數。

2.2 快速開采對工作面自燃發火的影響

根據采空區自燃發火的情況分為了三帶：散熱帶Ⅰ（寬度為L1），自熱帶Ⅱ（寬度為L2），窒息帶Ⅲ（不自燃帶），見圖4。

式中：v為工作面推進速度，m/d；ts為極限自燃發火期，d。

當ts≤（L1+L2）/v時，在工作面的推進過程中，采空區有自燃危險。由此可見，加快工作面推進速度，減小ΔL，可以在不使用注漿等防滅火手段下有效降低自燃發火的概率。

圖4 采空區三帶分布示意圖

2.3 快速開采對淺埋工作面發火的影響

根據本礦區的地質鉆孔分布，在有兩層(組)老頂的條件下mB1、mB2，低位老頂作為“小結構”，對支架以及煤壁前方產生作用，產生的內應力場的應力曲線見圖5。高位的老頂作為主要的承載結構承載上部的松散層，其發生破壞的間距較大，兩層老頂可能會發生離層作用。當工作面推至極限垮落步距時，CB1、CB2為周期垮落步距，在上覆松散層的載荷的作用下，以剪切破斷為主。

圖5 兩個關鍵層的頂板結構

采空區具有長度顯著的“散熱帶”和“窒息帶”，而自熱帶發育不明顯。主要原因是頂板難以形成類似一般工作面的“砌體梁”結構，在靠近工作面的附近，頂板未冒落，風量較大，為散熱帶；靠近采空區由于頂板整體下沉的剪切作用，采空區被緊密壓實，形成窒息帶。因此加快工作面的推進，可以在發火期之內實現快速通過散熱帶。

3 工作面快速搬家技術

工作面停采線附近為易發火的位置，主要原因一方面是由于停采線殘留的浮煤較多，處于風量的匯集處，滿足自燃的條件；另一方面是由于工作面的搬家速度慢，據統計，回撤3 000 t的綜采工作面設備到全部安裝到位，約需30 d左右才能實現。

采用預掘工作面的多通道系統，來完成工作面的快速搬家見圖6。此工序打破了傳統的搬家流程，首先在運輸方式上由靈活的無軌膠輪車代替電機車，實現設備的快速運行，其次在回撤通道的構建中，預掘回撤通道、回撤輔巷及中間的聯絡巷，回撤通道起調節支架方向的作用，回撤輔巷起撤架的作用，由于中間的聯絡巷較多，可以實現多方向的撤架，從運輸順槽和回風順槽同時進行搬家，搬家的順序為回撤采煤機→回撤輸送機→回撤液壓支架（從中部到兩邊）。根據現場搬家的時間統計如表1所示。

圖6 快速搬家多通道工藝

表1 工作面搬家時間統計

因此，按照工作面的自燃發火期20 d進行估算，傳統的搬家大部分會發生發火事件，采用快速搬家的技術后，可以快速封閉采空區，降低發火的概率。

4 結束語

1）采用快速掘進并快速支護，可以有效地減少巷道掘進頭處發火的次數、降低其概率；采用快速開采能夠減少工作面的來壓次數，縮短“散熱帶”發火期；采用快速搬家技術后，可以快速封閉采空區，降低發火的概率。

2）在淺埋深礦井中，頂板難以形成類似一般工作面的“砌體梁”結構，采空區具有“散熱帶”和“窒息帶”，而自熱帶不明顯。

3）使用輔巷多通道的快速搬家工藝，可以在自燃發火期之內完成工作面的搬家任務，降低發火的概率。

[1] 黃慶享.淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義[J].巖石力學與工程學報,2002,21(8):1174-1177.

[2]朱川曲,陳良棚.淺埋煤層采場老頂周期來壓的結構分析[J].煤炭學報,1999,24(6):581-585.

[3]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社,2003.

[4]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T20104-2006《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》[S].北京：中國標準出版社，2006.

[5]李政,康天合,黃志明,等.淺埋綜放工作面礦壓特征及支護強度實測研究[J].煤炭科學技術，2015,43(5):42-45.

[6] 王開,張彬,康天合,等.淺埋綜放開采煤層裂隙與工作面方位匹配的物理模擬與應用.[J]煤炭學報，2013,38(12):2100-2105.

[7]劉新德,王昕.淺埋深煤層長綜放面采空區自燃“三帶”研究[J].煤炭科學技術，2013(8):182-188.

[8] 張福成.淺埋易自燃煤層防滅火關鍵技術[J].煤礦安全.2011,42（2）:35-38.

[9]杜江明,徐曉萌,李振,等.煤與瓦斯突出工作面掘進速度的合理控制[J].煤炭科學技術,2013,41(12):43-45.

[10] 劉克生,郭建軍,王禹,等.淺埋深工作面開采速度對上覆巖層活動影響規律[J].科技資訊,2012(34):91-92.

[11]謝廣祥.綜放采場圍巖三維力學特征[M].北京：煤炭工業出版社,2007.

[12] 陳通.綜采工作面推進速度與周期來壓步距關系分析［J］.煤礦開采，1999,34(1):33-35.

（編輯：李森森）

Application of Rapid Construction in Shallow-buried and Spontaneous Combustion Coal Seams

GONG Quanhong
(Jinzhuang Coal Co.,Ltd.,Datong Coal Mine Group,Datong 037001,China)

With theoretical analysis and numerical simulation,the fire prevention effects of rapid construction on shallow-buried and spontaneous combustion coal seams are analyzed in terms of rapid excavation,rapid mining,and rapid moving.The results show that the rapid excavation and supporting could effectively reduce the frequency and probability of firing at the endpoints of the roadways.The rapid mining could reduce weighting frequency of the working face and firing time of radiator strip.In addition, the rapid moving could quickly seal goaf and reduce the firing probability.The techniques could meet the requirements ofefficient and safe production in modern mines.

rapid excavation;rapid mining;rapid moving;fire preventing and extinguishing; shallow-buried coal seam

TD823

A

1672-5050（2016）04-023-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.007

2016-03-29

宮全紅（1967-），男，山西繁峙人，本科，工程師，從事煤礦開采技術、井巷支護等方面的研究。