皖北煤電公司臥龍湖煤礦103工作面沿空留巷設計說明書

皖北煤電公司臥龍湖煤礦103工作面沿空留巷設計說明書
一、103工作面概況
1、工作面位置
103工作面位于南一采區，為臥龍湖煤礦的首采面。10煤上距8煤75m，下距太灰50m左右，南部距6線以北80m左右，北部位于工廣保護煤柱以南300m，西部距礦井邊界F2斷層100m，東至南翼專用回風巷保護煤柱線。工作面機巷標高為-530～-402m，風巷標高為-515～-397m。工作面傾向長800m，走向寬150m，面積約11.1萬m2。
地面地勢平坦，標高+29.7～+30.2m，有張黃莊、豐莊、王水寨等村莊，無大的河流，有豐溝等季節性水溝。
2、煤層賦存情況
本工作面可采煤層為10煤，黑色，碎塊狀、粉末狀，強玻璃光澤，以亮煤、鏡煤為主。工作面西北部和切眼附近，位于巖漿巖侵蝕邊界附近，受巖漿巖侵蝕影響，部分煤層已變質為天然焦。
煤層結構較簡單，無夾矸，煤層傾角平均10°，傾向50°左右。煤厚0.3m～3.05m，平均2.52m。機巷位于巖漿巖侵蝕邊界附近，受巖漿巖侵蝕影響，局部煤層可能出現增厚或變薄現象，103機巷J17#點前9m至J19號點之間（長度約50m），煤層受巖漿巖侵蝕推擠、底鼓構造影響，煤厚異常，煤層約為0.3m～1.6m。103風巷外段從F14點前29～40m（長度約11m），煤層受構造牽引影響，煤厚異常，煤層約為0.6～2m ；103風巷從F16點前10m～21m之間（長度約11m），煤層受巖漿巖侵蝕推擠影響，煤厚異常，煤層約為1.4m～1.7m ；風巷里段從F24點前43m處開始，現已揭露75米煤層變薄帶,煤層亦被巖漿巖侵蝕，受其影響，煤層變薄，煤厚0.5-0.9米，受巖漿巖侵蝕，直接頂板為巖漿巖，底板為黑色泥巖（厚1m左右）、較硬的粉砂巖。根據三維地震資料，風巷里段異常區范圍約160米。煤厚在0.5～2米。
3、煤層頂底板巖性
老 頂：以灰色粉砂巖、泥巖為主，水平緩波狀層理，鈣質膠結，致密，局部含菱鐵結核。厚度3.7～18.72m。
直接頂：泥巖，灰黑色～黑色，均一結構，塊狀構造，易碎，含炭質及植物碎片化石，參差狀斷口，厚度4.04m～21.83m。局部直接頂為巖漿巖。
偽 頂：靠近東部局部有灰黑色偽頂泥巖, 厚度0～0.4m。
底 板：深灰色泥巖、粉砂巖，塊狀構造，含較多植物根部化石，具滑面。厚度1.5～13.07m。

5、地質構造
本工作面地質構造較復雜，根據勘探及生產揭露資料，主要表現為西高東低的單斜構造，平均傾角8.5o±。共揭露4條正斷層，具體情況如下：
DF8：正斷層，位于本工作面中部，斷層產狀140°＜60°，H=12m，斷層破碎帶寬約1m，為大角度破碎泥巖填充，無淋水。工作面風巷揭露該斷層，機巷未揭露，預計該斷層在工作面內將延伸約130m±尖滅，對生產影響較大，應施工改造切眼過此斷層。
F103—1：正斷層，103機巷J17點前4m揭露該斷層，斷層產狀130°＜65°，H=1.4m，無破碎帶，無淋水，預計向工作面內延伸70米左右尖滅，此斷層可能為DF8斷層的次生斷層，和DF8斷層共同牽引影響，中間有約寬42米煤層變薄帶，對回采的影響較大。
F103—2：正斷層，103風巷F14點前22m揭露該斷層，斷層產狀280°＜30°，H=1.8m，頂斷底不斷，無破碎帶，無淋水，預計向工作面內延伸50米左右尖滅。上盤煤層受斷層牽引變薄為0.6m，影響寬度12米，下盤煤厚正常，預計對回采影響較大。
F103—3：正斷層，103風巷F17點前3m揭露該斷層，斷層產狀240°＜35°，H=1m，無破碎帶，無淋水，預計向工作面內延伸30米左右尖滅，對回采影響不大。
另外，本工作面煤層局部受巖漿巖侵蝕，分別為：103風巷F24點前34m揭露，工作面風巷揭露200m，到103機巷高抽巷處尖滅，在工作面內延展長度約190m，侵蝕面積約1.6萬m2,侵蝕區煤厚0.5m～1.4m，平均1.2m，預計對回采影響較大；103切眼前33m揭露，在本工作面內延展約150m，侵蝕面積約1.7萬m2,工作面會揭露0.11萬m2，預計對回采有一定影響。
6、水文地質
本工作面掘進水文地質條件較復雜。
1）松散層水：本區“四含”不發育，“三隔”厚度在60m以上，加上10煤上部210m～330m的巖柱，導致“三含”與“四含”及煤系水力失去聯系，松散層水對回采無影響。
2）頂板水（巖漿巖裂隙水）：工作面部分地段煤層受巖漿巖侵蝕，直接頂板為巖漿巖，另外，部分地段10煤層上方4m及30米處各賦存一層2～4m厚的巖漿巖，巖漿巖層位垂直裂隙發育，雖然掘進巷道對次層裂隙水有一定的疏放，但由于巖漿巖水平裂隙不太發育，連通性較差，局部地段賦水性較強，受回采擾動影響，巖漿巖裂隙水將涌入工作面，預計涌水量約為10～20m3/h。
3）“太灰”水：根據地面太灰水文長觀孔資料，太原組灰巖（“太灰”）水壓達4.1～5.5MPa，10煤距“太灰”距離為47m～52m（根據034孔和6—12孔資料），但工作面突水系數最大為0.21，受回采擾動影響，回采時工作面有突水危險，應采取電法等物探手段，探明本工作面賦水異常區，利用鉆孔驗證賦水異常區的賦、含水性。必要是進行工作面疏水降壓和底板加固工作。
7、瓦斯
礦井在建設過程中，10煤層發生了煤與瓦斯突出，10煤層鑒定為突出煤層。根據中國礦業大學2007年3月提供的《皖北煤電集團公司臥龍湖煤礦103工作面瓦斯綜合治理及效果檢驗研究報告》預測結果：103工作面瓦斯涌出量在距南翼軌道大巷的300m以內回采時的相對瓦斯涌出量為7.95m3/t， 301～600m為5.37m3/t。且600m以后，相對瓦斯涌出量隨煤層標高的上升而逐漸減小。
8、煤的自燃傾向性與煤塵爆炸性
根據地址資料及103工作面10煤煤樣送礦大實驗室鑒定，本礦井10煤層的自燃傾向性屬不易自燃～不自燃；煤塵無爆炸危險性。
二、工作面參數、采煤方法與工藝
1、工作面參數
工作面傾向長800m，走向寬150m，煤層傾角平均10°，傾向50°左右。煤厚0.3m～3.05m，平均2.52m。
2、采煤方法與工藝
103工作面設計采用后退式傾斜長壁高檔普采。
根據煤層頂板巖性，直接頂板能隨著工作面的前移及時冒落，冒落矸石能及時充填采空區，本工作面采用全部垮落法管理頂板。
三、工作面巷道布置及支護
1、工作面巷道布置
（1）運煤巷道
從-535南翼運輸巷施工至103機巷，半圓拱斷面，巷寬×中高=3.4m×3.0m，錨網噴支護形式。
（2）回風巷道
從-535南翼回風巷施工至103風巷，半圓拱斷面，巷寬×中高=4.0m×3.0m，錨網噴支護形式。
（3）高抽巷
從-535南翼回風巷和南翼軌道巷分別施工103機巷高抽巷和103風巷高抽巷
（4）工作面機巷、風巷
103機、風巷均為矩形斷面，巷寬*中高=4.0m×2.6m，錨（索）網梁噴支護形式。支護方式見下圖。
（5）采煤工作面布置方式
103工作面設計采用傾斜長壁后退式開采，全部垮落法管理頂板。103機、風巷的施工在下山見煤后，沿煤層按中線跟煤層頂板施工，巷道仰斜布置，工作面俯斜推進。 103機、風巷斷面示意圖
2、巷道支護
該塊段10煤層從機巷及風巷施工過程來看，煤層基本較穩定，頂板多為較完整，煤的堅固性系數f值（0.7～1.5），巷道上下幫較穩定。受地質構造帶影響，機巷J17前2.0m～31m約30m巷道及機巷外段局部累計約30m巷道為架棚支護，風巷F10前4m～F14前33m及F24前7m～F26點后約190m為架棚支護，其余為錨桿（索）+梁+網支護。架棚采用11＃礦用工字鋼，塘柴笆片腰幫過頂。錨桿（索）+梁+網支護巷道頂部采用錨桿+錨索。錨桿為Φ20mm，材質20MnSi左旋羅紋鋼，長度2.0m高強錨桿。錨索為Φ15.24mm，1860級低松弛鋼絞線。巷道幫部采用長度1.6m竹錨桿支護。錨固采用中速固化型樹脂藥卷錨固劑。錨桿、錨索與金屬網、梯子梁形成巷道圍巖支護體。
四、103工作面三機參數的選擇
103工作面三機參數的選擇如下：
1. 采煤機：MG150/375
2. 刮板運輸機：SGD-630/264
3. 皮帶機：SSJ1000/2×220
4. 破矸機：PLM-500
5. 轉載機：SZD-630/90
五、工作面推進度
根據已確定的工作制度，本礦井實行兩班生產，一班檢修，為可靠起見，按采煤班每班割煤4～6刀、每刀進0.6m、日循環進尺2.4～3.6m。
六、沿空留巷專項設計
回采工作面兩側的區段巷道，長期以來一直沿用留設煤柱的方法維護。留設煤柱開采，具有一定的可靠性和適用性，在特定的生產條件下形成了相對固定的采場布局方式和煤炭資源開采環境。礦井進入高產、高效、連續化、自動化開采以后，伴隨著煤層賦存狀況由簡單變復雜，現有的生產系統及安全生產技術條件，對影響安全生產的自然因素的控制能力下降，工作面接替、瓦斯治理、巷道沿空掘巷支護、工作面熱害治理的問題日顯突出，體現在需要時間、空間和資金等方面的投入，工作面及礦井生產能力的發展受到諸多問題的制約。因此，控制和利用礦山壓力服務于安全生產，探索新的采場布局方式和開采方法，同時創造出有利于綜合治理高瓦斯、防治煤與瓦斯突出、解決高地壓、高地溫等煤炭資源開采環境，降低煤炭資源的損失，成為礦區高效開采、安全開采、建立現代礦井開采的集約化開采模式及礦井技術經濟一體化的急迫要求。
無煤柱護巷技術是煤礦開采技術的一項重大改革，對于無煤柱護巷技術中的沿空留巷技術，二十世紀七十年代在前蘇聯、德國和英國等許多產煤國家得到比較迅速發展并逐步走向成熟，如德國煤礦無煤柱沿空留巷開采曾達80%以上。國內煤炭行業從二十世紀七、八十年代起至今，一直進行著窄煤柱和無煤柱護巷支護技術的研究和應用，無煤柱護巷支護技術中的沿空留巷技術曾經歷了堆砌瓦石（矸石）、密集支柱、金屬棚、高水材料垛式充填等留巷方式的無煤柱護巷的發展過程，積累了寶貴的生產技術經驗。
沿空留巷的優點：
1）礦井采掘規劃與礦井采區開拓布局的革命。
2）傾向鉆孔替代高、低抽巷，經濟效益顯著。
3）真正實現無煤柱開采，提高回采率，實現連續開采。
4）實現無煤柱開采，無應力集中區,被保護層得以徹底保護.
5）從根本上隅角瓦斯超限問題。
6）沿空留巷位于采動卸壓區，支護容易，便于維護。
在其基礎上建立的Y型通風方式，將帶來更大的社會經濟效益。
首采面103工作面具備實現沿空留巷的自然條件。采用沿空留巷將提高礦井煤炭資源回收率；緩解接替緊張；實現連續開采；實現本煤層煤與共采，在抽采本工作面采空區瓦斯的同時抽采相鄰層面瓦斯及卸壓瓦斯，消除瓦斯安全隱患，為安全開采創造條件。
103工作面沿空留巷將通過混凝土輸送泵泵送充填材料至工作面留巷處，留設充填體隔離采空區并與原巷內支護共同承載形成巷道系統。
（一）巷道布置
設計對103工作面機、風巷同時進行沿空留巷，沿空留巷分別作為鄰近層102及104工作面的風巷和機巷。工作面供風由-535南翼軌道巷，經103機巷、工作面（開切眼）、103風巷，進入礦井回風巷。
（二）沿空留巷充填泵位置及充填體巷道斷面
沿空留巷充填體位置分別為103工作面機巷的上幫及風巷的下幫，具體見工作面留巷布置圖。設計對103工作面機、風巷進行沿空留巷充填時，充填泵分別布置在機巷高抽巷及風巷高抽巷內，充填泵通過鉆孔穿管連接到機巷和風巷充填管路進行充填。
留巷巷道原支護設計不能滿足沿空留巷的支護要求，應在原支護基礎上加強支護強度，以確保留巷在采動應力作用下的穩定，具體見沿空留巷巷道支護設計。

（三）103工作面留巷充填框架設計
1、機巷、風巷超前工作面煤壁20m內采用單體支柱和鉸接頂梁挑雙挑棚， 20 ～５0m內挑單排挑棚。單體支柱為DZ28型，鉸接頂梁為HDJA-1200型。單體支設后及時拴防倒繩，班中注液，確保初撐力不低于90KN（9MPa），單體支柱不夠長時，用膠絲袋裝煤矸充填底板，單體支柱穿鞋。留巷內采用單體支柱和鉸接頂梁挑雙挑棚加強支護。
2、工作面采用單體鉸接頂梁“三四”排管理。上下出口各采用四對長鋼梁后接走向鉸接梁單體支柱管理頂板。工作面上下出口采煤移梁時，沿工作面推進方向鋪設規格為5m×1.2m金屬網，作為沿空留巷充填墻體護頂網。工作面推進達一次充填長度后，將后接走向鉸接頂梁及單體支柱替換成傾向充填棚。充填棚采用木梁木腿一梁三柱，木梁木腿直徑≥200mm圓木。充填棚寬度不低于2.4m，充填棚邊柱之間作為充填空間。


下（上）幫梁頭必須留有100mm搭茬距。
4、沿空留巷架棚必須正規有勁，充填棚上下刷頭不得超過100mm，腿子垂直頂底板架設，到底處柱窩刨麻面，不到底處柱窩深度不低于100mm。充填垛滯后液壓支架不得超過1.0m。
5、充填前必須架設充填垛框架，框架用木板或金屬模板搭設，充填框架的長、寬、高分別為一次充填長度2.4m～3.6m、設計墻寬2.4m及采高2.52m。模板里面鋪上膠織袋或塑料薄膜，以便混凝土凝固后回收模板以復用。模板用鐵絲固定，且靠邊打好防倒站柱。模板架設時必須在模板外側支設單體固定模板，待充填垛來勁后方可去掉。
（四） 103工作面巷旁支護
1、充填體材料強度的選擇與計算
充填體材料選用混凝土膏體材料，主要成份是：硅酸鹽、沙子、粉煤灰及水拌和的膏體混凝土材料外加添加劑，下表為充填體材料強度指標：
天數（d） 1 3 5 7 28
抗壓強度值（兆帕） 3 9 10 12 28
沿空留巷支護體的工作阻力靜載荷計算：
P=γ
γ：巖石平均容重取2.5T/m3
m：煤層采厚2.52m
k：冒落巖石的碎脹系數1.25-1.5，取1.25
B1：巷道煤幫到切頂線的懸頂寬度為B2與留巷充填體(暫取2.4m)寬度的1.2倍
B2：留巷寬度4.0m
經計算P值為48.4T/m2，約0.5MPa。考慮到老頂來壓時下位巖層及充填體的動載系數為靜載系數的2～4倍，即1～２MPA。而根據充填體材料的強度試驗，其最大承載極限可達到10兆帕以上，可完全滿足承載要求。
計算機模擬計算：由于該工作面煤層較薄，傾角較小，為了計算方便，模型采用水平傾角計算，垂直壓力取530×25＝13250kN。巷道為錨網支護為了模擬現場情況，采用施加反向力代替支護。充填支護體采用三種寬度，分別為1.5m、2.0m、2.5m，應力分布計算結果如下:
通過計算分析，充填體內所受到的最大垂直應力分別為：7.42 Mpa、5.61 Mpa、4.53 Mpa。
而根據充填材料的強度試驗，其最大承載極限可達到 10Mpa以上，墻體寬度可選擇2.0～2.5m可滿足承載需要。
留巷充填體的可縮性對巷道維護非常重要。沿空留巷在采動支承應力作用下，不可避免地要出現巷道變形。為使留巷充填體與原錨桿支護體支護的圍巖協調變形，試驗調整材料級配和配比，取得一定的承載變形量。見C10膏體充填材料應力-應變曲線。其次考慮巷道軟底的比壓進行巷道變形調節。
C10膏體充填材料應力－應變曲線
根據混凝土膏體材料抗壓強度指標，充填長度應同工作面日推進度。
為提高充填墻體的結構穩定性、完整性及結構剛度充填墻體內應合理布筋。
（五）充填體材料的選擇、運輸與儲存、上料方式
1）充填體材料的選擇：選用混凝土膏體材料，主要成份是：硅酸鹽、砂子、粉煤灰及水拌和的膏體混凝土材料
2）充填體材料的運輸與儲存
風巷：-535南翼軌道巷→聯絡巷→回風下山→風巷料場
機巷：-535南翼軌道巷→聯絡巷→運輸下山→機巷料場
充填材料的運輸與堆放要有防水措施。
3）充填體材料的上料方式：103工作面留巷充填利用人工上料、手動控制進水、機械拌和料。要求進水管安裝壓力表，保證水壓均衡，水量合適。
（六）充填設備的選型配套與布置
本工作面采用BSM1002E混凝土充填泵。受俯采影響，混凝土為上向輸送，混凝土泵距離充填墻應控制在高差30m～40m內，水平距離控制在200m內。
（七）充填管路敷設
充填管路的敷設要求平直，減少彎頭，管路彎頭轉角半徑應控制在8～10倍管徑以上。充填管路必須與BSM1002-E混凝土泵的泵送性能相匹配。性能要求為耐壓不小于10MPa，管徑Φ108mm，壁厚≥6mm，低阻尼耐磨無縫鋼管，管道連接采用耐壓10 MPa管道快速接頭及“O”橡膠圈密封。
（八）充填設備供電設計
機巷、風巷充填泵的供電均采用雙路供電方式，一路使用一路備用，充填泵必須實行瓦斯電閉鎖，充填泵必須布置在新鮮風流中。
（九）充填工藝
充填工藝流程為：
替棚清理 -→ 支模 -→ 攪拌輸送 -→ 充填清洗 -→ 拆模
清理、支模：在工作面上風巷下幫、機巷上幫沿空留巷處，采用木棚一梁兩柱順山棚替換工作面單體和鉸接頂梁。替換長度一般為工作面日推進度。管理好巷道頂板，清理巷道底板虛矸，支設留巷充填模板。
攪拌輸送：檢查確定混凝土充填泵工作狀況正常，管路暢通后，即可進行材料的攪拌輸送。進料要均勻連續，要嚴格控制配水的水灰份，進水管要安裝壓力表，保證供水均壓，水量均衡。掌握設備的工作壓力，防止管路阻塞。
充填清洗、拆模：高添量粉煤灰膏體混凝土材料進入留巷充填模，要觀察材料的平流堆積狀況，材料要充滿充填模并接頂充分。充填工作完成及時放清洗球用清水清洗管道及泵，原則上清洗管道污水排入采空區，不能對工作面、下順槽及留設的巷道產生影響。充填后拆模前動態觀測充填體的強度和礦壓顯現，發現問題及時處理。
膏體充填材料配比要求：應根據現場條件隨時進行調整。
（十）103工作面留巷巷內支護
1.充填體的臨時支護
為強化充填體的支護強度，在留巷內利用鉸接頂梁和單體加鞋沿走向臨時架設一梁兩柱雙排鐵棚，其中一排緊靠充填垛，一排靠巷道中間。
2.巷內加強支護形式
沿空留巷要求充填體在工作面附近快速增阻，然后保持恒阻的工作狀態。巷內及充填體與圍巖間具有應力應變的同步協調性。留巷支護體的有效性要以維護上方直接頂的完整性為目的。
受采煤工作面支承應力作用，工作面前方60m至工作面后方80～100m一般均處于工作面支承應力影響區域。為降低沿空留巷一次動壓對沿空留巷的影響，采取超前加強支護，管理好頂板為沿空留巷創造條件。超前加強支護可采取一梁兩柱或一梁三柱雙挑棚，或巷道液壓支架。沿空留巷膏體混凝土充填材料，是硅酸鹽水硬性膠凝材料，一般不具有快硬早強性能，為保證沿空留巷巷道斷面，降低沿空留巷的收縮變形為二次回采服務，工作面后方同樣采取一梁兩柱或一梁三柱雙挑棚，或巷道液壓支架加強支護。
3.留巷墻體頂板支護
為提高留巷的穩定性，留巷墻體頂板應進行相應支護，其支護方式同巷內錨桿支護技術參數。
七、 通風、瓦斯抽采、防滅火、瓦斯監控
103工作面沿空留巷后應根據現場情況每隔100m進行封閉，應充分估計瓦斯隱患，做好留巷的通風、瓦斯抽采、防滅火、瓦斯監控，具體詳見通風、瓦斯抽采、防滅火、瓦斯監控專項設計
八、 主要技術經濟指標