一种超长推进距离工作面的沿空掘巷开采方法

摘要

本发明公开了一种超长推进距离工作面的沿空掘巷开采方法，所述超长推进距离工作面采用双巷布置，所述开采方法包括：a、对回采工作面进行回采的过程中，在第一煤柱中沿回采方向进行沿空掘巷，以便在所述第一煤柱中形成沿空巷道，所述第一煤柱为所述回采工作面与其接续工作面之间采用双巷布置所留设的煤柱；b、在所述回采工作面回采结束后、对其接续工作面进行回采时，继续掘进形成所述沿空巷道，并且所述的接续工作面在回采时沿所述沿空巷道开采。本发明的开采方法解决了沿空掘巷与超长推进距离工作面开采之间的矛盾，将沿空掘巷技术应用于超长推进距离工作面的开采中，减少了采用双巷布置而导致的大量煤损并解决了沿空掘巷需要跳采的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及井工煤矿的开采方法，尤其涉及一种超长推进距离工作 面采用双巷布置与沿空掘巷相结合的开采方法。

背景技术

沿空掘巷具有回采率高、巷道易于维护与掘进的特点，在国内得到 了大力发展，取得了丰硕的成果，例如余忠林等人对大采高沿空掘巷的 合理位置、合理宽度及开挖巷道最佳时间展开了研究(大采高工作面沿 空掘巷合理位置模拟与应用.采矿与安全工程学报，2006,33(2)：197-200)， 而张科学等人则进一步提出了在深部煤层群沿空掘巷的布置技术(深部 煤层群沿空掘巷护巷煤柱合理宽度的确定.煤炭学报，2011,36(增刊1)： 28-35)。综合来看，沿空掘巷技术目前已应用于包括薄、中厚及厚煤层在 内的孤岛工作面、深部煤层群以及冲击倾向性煤层等常规与复杂条件的 矿井。

本领域技术人员理解，沿空掘巷是沿着上一个工作面的采空区掘进 回采巷道，一般与上一工作面采空区之间保留3-5m的煤柱，而上覆岩层 的运动通常需要持续1年甚至更长的时间，因此一般需要跳采，即先采 远距离的煤层，等采空区覆岩运动稳定后再掉头采相邻采空区的区域。 如果不跳采，直接沿上一工作面采空区掘进回采巷道并进行回采，会受 到上一工作面采空区覆岩运动的影响，难以保证回采巷道的安全。

超长推进距离工作面通常是指沿走向推进距离达到千米以上的工作 面，由于在一定范围内延长工作面推进距离能够实现工作面的高产高效， 达到减员增效，降低消耗的目的,有利于推动矿井高度集中生产的发展, 因此也成为煤矿开采的发展方向之一。然而，本领域技术人员可以理解， 由于掘进工作面需要利用局扇带风筒向掘进头进行供风，当推进距离过 长时，风筒与局扇通常难以满足通风要求；而对于物资运输，随着巷道 长度增加，所需材料的运输困难。而如果采用双巷掘进，如图1所示， 并在留设的煤柱5布置若干联络巷6，这样在掘进的过程中可以形成风流 回路，掘进中一条巷道1进风，经联络巷，从另外一条巷道2回风；对 于运料，同样可以从一条巷道3运料，另一条巷道4运输掘进出煤(矸 石)，运料与出矸互不干扰，解决了运输与掘进干扰的问题，所以对于超 长推进距离工作面，需要采用双巷布置，以满足通风与辅助运输的要求。

在双巷掘进中，一般两条回采巷道之间需要留设较大尺寸的煤柱， 主要是受掘进与开采的影响，由于双巷掘进的两条巷道中间的煤柱需要 经历第一个工作面的采动，随后还要为第二个工作面服务，考虑到先后 经历两次采动影响，双巷掘进一般情况需要留设30m，甚至更大。因此 双巷掘进存在的问题主要集中在煤柱尺寸上，煤柱尺寸大有利于巷道的 掘进与维护，但丢煤多、煤损严重；而尺寸小，虽然回采率高，但巷道 要经历两次采动，掘进与维护难度大，甚至出现无法使用的问题。

由上述分析可知，对于超长推进距离工作面，为了保证巷道的使用， 煤损严重；如果采用沿空掘巷技术，无法保证通风与材料的运输，且需 要跳采，会出现孤岛工作面。目前，沿空掘巷技术尚无法应用在超长推 进距离工作面的开采中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超长推进距离工作面的沿空掘巷开采方 法，以综合解决超长推进距离工作面双巷布置带来的煤柱尺寸大以及传 统沿空掘巷需要跳采的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超长推进距离工作面的沿空掘巷开采方法，所述超长推进距离 工作面采用双巷布置，所述开采方法包括：

a、对回采工作面进行回采的过程中，在第一煤柱中沿回采方向进行 沿空掘巷，以便在所述第一煤柱中形成沿空巷道，所述第一煤柱为所述 回采工作面与其接续工作面之间采用双巷布置所留设的煤柱；

b、在所述回采工作面回采结束后、对其接续工作面进行回采时，继 续掘进形成所述沿空巷道，并且所述的接续工作面在回采时沿所述沿空 巷道开采。

根据本发明的开采方法，优选地，超长推进距离工作面的长度应大 于使采空区形成充分采动的距离(按照经验，形成充分采动的距离为 1.2-1.4H₀，其中，H₀为工作面埋深)，从而为接续工作面的沿空掘巷创造 更为稳定的条件。进一步优选地，超长推进距离工作面为长度在1000m 以上的工作面；更优选地，超长推进距离工作面为长度在3000m以上的 工作面。

根据本发明的开采方法，优选地，所述第一煤柱靠近所述回采工作 面一侧的巷道为回采工作面下巷，所述第一煤柱靠近所述回采工作面一 侧的巷道为接续工作面上巷，所述回采工作面下巷与接续工作面上巷之 间设有联络巷。

根据本发明的开采方法，优选地，在所述沿空巷道掘进过程中，掘 出的煤和/或矸石经由所述接续工作面上巷运输而出。

根据本发明的开采方法，优选地，在所述的接续工作面回采时，所 述沿空巷道的掘进位置与所述的接续工作面的推进位置之间存在至少一 个联络巷，在所述沿空巷道掘进过程中，掘出的煤和/或矸石通过该联络 巷经由所述接续工作面上巷运输而出。

根据本发明的开采方法，优选地，所述的至少一个联络巷与所述接 续工作面的推进位置之间设有位于接续工作面上巷中的巷道密闭。

根据本发明的开采方法，优选地，沿空掘巷形成所述沿空巷道时， 所述沿空巷道与所述的回采工作面回采所形成的采空区之间留设有第二 煤柱，所述第二煤柱与所述沿空巷道的宽度之和小于X₀，所述

其中，m为煤层采厚，单位m；λ为侧压系数；为煤层的内摩擦角； C₀为煤层界面的内聚力；k为应力集中系数；γ为岩层平均容重；H为巷 道埋深；P_z为煤帮的支护阻力，单位kN。

根据本发明的开采方法，优选地，其特征在于，在所述回采工作面 回采的过程中，当所述回采工作面回采至少T天后开始掘进所述沿空巷 道，并且所述回采工作面的回采位置超前于所述沿空巷道的掘进位置的 距离至少为L₁；

所述L₁＝T×v，所述$T=\frac{2\eta }{E}ln\frac{q_z{L}_m}{q_z{L}_m-2R[h-(k_c-1)m_z]}$

其中，v为所述回采工作面的回采速度；E为基本顶岩梁的弹性模量； η为基本顶岩梁的黏性模量；q_z为岩梁上部的载荷；L_m为基本顶岩梁破 断距；R为碎胀岩石的抗压强度，单位N/㎡；h为采厚，单位m；k_c为 冒落矸石的残余碎胀系数；m_z为直接顶厚度，单位m。

根据本发明的开采方法，优选地，在所述接续工作面回采的过程中， 所述沿空巷道的掘进位置超前于所述接续工作面的推进位置的距离大于 L₂，所述L₂为接续工作面回采时的超前采动影响距离；本领域技术人员 可以理解，对于相邻的两个工作面，其超前采动影响距离通常相当，因 此，所述L2也可以为回采工作面回采时的超前采动影响距离，可通过对 回采工作面回采时的现场实测获得。

与现有技术相比，本发明的开采方法存在以下优点：

1、针对超长推进距离工作面采用双巷掘进造成的煤炭损失大、巷道 维护困难的问题，本发明首先提出了超长推进距离工作面双巷掘进的沿 空顺采技术，即在双巷布置所留设的煤柱中沿回采方向进行沿空掘巷， 解决了沿空掘巷与超长推进距离工作面开采之间的矛盾，将沿空掘巷技 术应用于超长推进距离工作面的开采中，减少了由于需要采用双巷布置 而导致的大量煤损以及解决了沿空掘巷需要跳采而造成孤岛工作面的问 题。

2、采用本发明的开采方法，接续工作面上巷仅经历掘进与所述回采 工作面的采动影响，在接续工作面开采期间受采动影响段报废，整体不 受二次采动影响；而沿空巷道沿采空区掘进，经历掘进与接续工作面的 采动影响，因此沿空巷道和接续工作面上巷仅承受掘进与一次采动的影 响，从而使得巷道的维护更为简单；同时原双巷掘进的回采工作面下巷 和接续工作面上巷均未浪费，确保了超长巷道通风和辅助运输。

附图说明

图1为现有技术中超长推进距离工作面的双巷布置示意图；

图2为本发明的开采方法中回采工作面的回采示意图；

图3为采区在A-A处截面及接续工作面一侧上方的应力分布示意图；

图4为本发明的开采方法中接续工作面的回采示意图；

图5为实施例中接续工作面一侧上方的应力分布曲线图；

图6为实施例中二次采动后巷道变形曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明，但本发明并不仅限于此。

在本发明的开采方法中所涉及的超长推进距离工作面是本领域技术 人员所熟知的概念，在本发明中，优选地，超长推进距离工作面的长度 应大于使采空区形成充分采动的距离(按照经验，形成充分采动的距离 为1.2-1.4H₀，其中，H₀为工作面埋深)，从而为接续工作面的沿空掘巷创 造更为稳定的条件。进一步优选地，超长推进距离工作面为长度在1000m 以上的工作面；更优选地，超长推进距离工作面为长度在3000m以上的 工作面。

所述超长推进距离工作面采用双巷布置，如图2所示，为了便于理 解和说明，图2中仅示出采用双巷布置的两个相邻的超长推进距离工作 面，分别为回采工作面与其接续工作面，本领域技术人员可以理解，在 实际生产中，回采工作面和接续工作面并非特指某一固定的工作面，而 是指多个工作面中正开采的工作面，以及与回采工作面相邻，并且会在 回采工作面回采完成后接着开采的工作面。然而，为了便于说明和理解， 对于图2中示出的两个工作面，将分别固定地称为回采工作面和接续工 作面。

另外，由于采用双巷布置，所形成的巷道较多，为了便于理解和说 明，在本发明中，将回采工作面靠所述第一煤柱一侧的巷道(也即所述 第一煤柱靠所述回采工作面一侧的巷道)称为回采工作面下巷，将回采 工作面另一侧的巷道称为回采工作面上巷；同理，将接续工作面靠所述 第一煤柱一侧的巷道(也即所述第一煤柱靠所述接续工作面一侧的巷道) 称为接续工作面上巷，将接续工作面另一侧的巷道称为接续工作面下巷。

如图2所示，本发明所述的开采方法包括a、对回采工作面21进行 回采的过程中，在第一煤柱23中沿回采方向进行沿空掘巷，以便在所述 第一煤柱23中形成沿空巷道24，所述第一煤柱23为所述回采工作面21 与其接续工作面22之间采用双巷布置所留设的煤柱。

其中，回采工作面下巷25与接续工作面上巷26之间设有联络巷27， 以使物资和气流可以在双巷之间更好地交流。本领域技术人员可以理解， 对于回采过程中暂时用不上的联络巷，可以在其中设置巷道密闭(为使 附图更为清楚，本发明图中并未示出这类巷道密闭)，以避免干扰气流输 送。

当所述回采工作面21开采时，其通风及运输可以按照传统双巷布置 时的通风及运输进行。优选地，在所述沿空巷道24掘进过程中，掘出的 煤和/或矸石经由所述接续工作面上巷26运输而出，利用与接续工作面上 巷26之间的联络巷保持良好通风。在一个具体实施例中，在掘进沿空巷 道24前，首先通过双巷布置掘进所述接续工作面下巷28(双巷中的一个) 和双巷中的另一巷道29，到所述接续工作面22开切眼位置30后向所述 回采工作面21采空区方向掘进，并经过接续工作面上巷26到达沿空掘 巷位置，在所述回采工作面21回采过程中，掘进出沿空巷道24。

本领域技术人员可以理解，回采工作面下巷25与接续工作面上巷26 之间留设的第一煤柱23，会受到所述回采工作面21的采动影响。其中， 所述回采工作面21形成采空区后，如图3所示，会在接续工作面22一 侧形成四个应力分布区：破碎区Ⅰ、塑性区Ⅱ、弹性区应力升高部分Ⅲ 和原岩应力区Ⅳ，考虑到接续工作面上巷26的作用在于满足双巷掘进与 辅助通风，以及可以作为所述回采工作面21的回风顺槽，因此，回采工 作面21的采动决定其维护的难以程度。为使所述接续工作面上巷26容 易维护，优选将所述接续工作面上巷26设置在所述原岩应力区内，既保 证安全，并且由于本发明的开采方法结合了沿空掘巷技术，因此又无需 担心煤损严重。其中，原岩应力区与弹性区应力升高部分的边界可以根 据文献“煤柱承载、分区及接续工作面基本顶力学模型与计算分析”(王 志强，高洋，丁自伟等.煤柱承载、分区及接续工作面基本顶力学模型与 计算分析[J].煤炭工程，2013，Vol.1(1):79-82.)中公开的方法(也即计算 超前采动影响距的方法)确定，这里不再赘述；或者，本领域技术人员 可以理解，可根据回采工作面回采时实测的超前采动影响距离确定原岩 应力区与弹性区应力升高部分的边界，即超前采动影响距离为原岩应力 区与采空区之间的距离。

在沿空掘巷形成所述沿空巷道24时，所述沿空巷道24与所述的回 采工作面21回采后所形成的采空区之间留设有第二煤柱31，优选地，将 所述沿空巷道24布置在所述回采工作面21回采后所形成的低应力区内， 即所述第二煤柱与所述沿空巷道的宽度之和小于X₀，所述

其中，m为煤层采厚，单位m；λ为侧压系数；为煤层的内摩擦角； C₀为煤层界面的内聚力；k为应力集中系数；γ为岩层平均容重；H为巷 道埋深；P_z为煤帮的支护阻力，单位kN。

其中，所述沿空巷道24的宽度可以本领域中常规的沿空掘巷的巷道 宽度，例如5米。

在本发明中，为使所述沿空巷道24的维护更为简单，优选地，本发 明还充分利用工作面为超长推进距离工作面的特点，在所述回采工作面 21回采的过程中，当所述回采工作面21回采至少T天后开始掘进所述沿 空巷道24，并且所述回采工作面21的回采位置超前于所述沿空巷道24 的掘进位置的距离至少为L₁；

所述L₁＝T×v，所述$T=\frac{2\eta }{E}ln\frac{q_z{L}_m}{q_z{L}_m-2R[h-(k_c-1)m_z]}$

其中，v为所述回采工作面的回采速度；E为基本顶岩梁的弹性模量； η为基本顶岩梁的黏性模量；q_z为岩梁上部的载荷；L_m为基本顶岩梁破 断距；R为碎胀岩石的抗压强度，单位N/㎡；h为采厚，单位m；k_c为 冒落矸石的残余碎胀系数；m_z为直接顶厚度，，单位m。

由此，当所述沿空巷道24掘进时，其受到的回采工作面21的采动 影响较小。

如图4所示，本发明所述的开采方法还包括b、在所述回采工作面 21回采结束后、对其接续工作面22进行回采时，继续掘进形成所述沿空 巷道24，并且所述的接续工作面22在回采时沿所述沿空巷道24开采。

优选地，在所述的接续工作面22回采时，所述沿空巷道24的掘进 位置与所述的接续工作面22的推进位置之间存在至少一个联络巷27，在 所述沿空巷道24掘进过程中，掘出的煤和/或矸石通过该联络巷27经由 所述接续工作面上巷25运输而出。同时，在所述沿空巷道24的掘进过 程中，可以利用该联络巷以及接续工作面的巷道保持良好通风。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的至少一个联络巷27与所述 接续工作面22的推进位置之间设有位于接续工作面上巷26中的巷道密 闭32。由此，不仅可以使所述沿空巷道24通风更为良好，同时可以不必 维护接续工作面上巷26中的部分巷道，通过密闭处理，保证安全。

在本发明中，为进一步使所述沿空巷道24的维护更为简单，优选地， 在所述接续工作面22回采的过程中，所述沿空巷道24的掘进位置超前 于所述接续工作面22的推进位置的距离至少为L₂；所述L₂为接续工作 面回采时的超前采动影响距离；本领域技术人员可以理解，对于相邻的 两个工作面，其超前采动影响距离通常相当，因此，所述L2也可以为回 采工作面回采时的超前采动影响距离，可通过对回采工作面回采时的现 场实测获得；或者根据上述文献“煤柱承载、分区及接续工作面基本顶力 学模型与计算分析”(王志强，高洋，丁自伟等.煤柱承载、分区及接续工 作面基本顶力学模型与计算分析[J].煤炭工程，2013，Vol.1(1):79-82.)中 公开的方法确定。

本发明的开采方法在超长推进距离工作面采用双巷布置的基础上， 进一步在回采工作面21与其接续工作面22之间的煤柱中沿空掘巷，形 成沿空巷道24，从而在其接续工作面22开采时可以沿沿空巷道24开采。 当然，本领域技术人员可以理解，在煤矿开采时通常设有多个(比如大 于5或10个)并排的工作面，因此，在实际生产中，此处所述的回采工 作面并非特指某一固定的工作面，而是指多个工作面中正待开采的工作 面，所述接续工作面同样并非特指某一固定工作面，而是指与回采工作 面相邻，并且会在回采工作面完成回采后接着开采的工作面。因此，在 实际生产中，当原接续工作面的上一工作面(即原回采工作面)回采完 成后便会成为新的回采工作面，如此重复，从而使得本发明的开采方法 可以重复实施于上述的多个工作面。

本发明巧妙地将沿空掘巷技术引入到了双巷布置的超长推进距离工 作面的开采中，并且所有工作面均可实现顺序开采，不仅避免了传统双 巷布置所难以回避的严重煤损，还成功解决了沿空掘巷开采技术需要跳 采的弊端，一举两得，实现了通常不可能同时采用的超长推进距离工作 面双巷布置技术与沿空掘巷的优势结合，并且还可以使得巷道的维护更 为简单。对于这项技术，发明人也将其命名为超长推进距离工作面双巷 掘进的沿空顺采技术。

此外，通过以下实施例，本领域技术人员可以进一步理解本发明的 技术优势极其巨大的经济效益。

实施例

察哈素煤矿31采区开采3-1煤层，煤层厚度2.05-7.15m，平均为5.25m， 煤层平均倾角为1°，地质构造简单，为单斜构造。研究的回采工作面位 于31采区中部，工作面倾向长度300m，推进长度5000m，采用双巷布 置，双巷之间留设的煤柱净宽18.42m，每隔60-70m开一联络巷，留设 煤柱及巷道经受两次采动影响。

对回采工作面的采空区的侧向(即接续工作面的方向)应力分布进 行了实测，在一次采动(回采工作面开采)情况下，应力峰值点距离采 空区25m，最大峰值22.94MPa，具体应力分布情况见图5(其中，横坐 标为接续工作面一侧与采空区之间的距离，纵坐标为顶板应力)，实际开 采中巷道出现顶煤掉落、金属网断裂以及副帮金属网破坏的情况。

接续工作面开采期间，超前压力峰值区域增至30-50m范围，并且实 测回采工作面回采时的超前采动影响距为144m，煤壁前方80m范围内底 臌严重，正帮片帮严重，副帮肩窝挤压形成坠兜。局部顶板中部破碎， 下沉。联络巷在距工作面30m时，底臌开始加剧，最严重地段底臌高度 1.5m左右，二次采动巷道变形情况见图6所示，其中，横坐标为巷道与 接续工作面的推进位置之间的距离，为巷道顶底板之间的距离，为巷道两帮之间的距离。

从现场实测来看，原留设的18.46m煤柱双巷掘进，辅助运输顺槽受 到一次采动影响的维护发生较大变形与破坏，在二次采动影响下已无法 满足使用。

在此基础上，提出采用本发明的双巷掘进沿空巷道顺采的布置方式。 相关参数选取为：

按照支承应力分布实测图5，确定第一煤柱留设宽度A仍为40m(处 于原岩应力区)，第二煤柱B取5m(沿空巷道宽度为5m，此时X₀约为 25m)，其中：工作面埋深400m，E＝53.9GN/m²，η＝4.5GPa，R＝45kN/m²， k_c＝1.1，q_z＝10MPa，h＝2.23m，m_z＝5.2m，L_m＝17m，v＝10m/d。

由此，在所述回采工作面回采的过程中，当所述回采工作面回采至 少143天后开始掘进所述沿空巷道，并且所述回采工作面的回采位置超 前于所述沿空巷道的掘进位置的距离至少为1430m；

接续工作面开采期间，所述沿空巷道的掘进位置超前于所述接续工 作面的推进位置的距离至少为144m；。

整个开采过程中，使用的巷道未出现严重变形，维护简单；并且由 于最终剩余的煤柱仅为5m宽，经济效益非常明显。