皖北煤电公司卧龙湖煤矿103工作面沿空留巷设计说明书

皖北煤电公司卧龙湖煤矿103工作面沿空留巷设计说明书
一、103工作面概况
1、工作面位置
103工作面位于南一采区，为卧龙湖煤矿的首采面。10煤上距8煤75m，下距太灰50m左右，南部距6线以北80m左右，北部位于工广保护煤柱以南300m，西部距矿井边界F2断层100m，东至南翼专用回风巷保护煤柱线。工作面机巷标高为-530～-402m，风巷标高为-515～-397m。工作面倾向长800m，走向宽150m，面积约11.1万m2。
地面地势平坦，标高+29.7～+30.2m，有张黄庄、丰庄、王水寨等村庄，无大的河流，有丰沟等季节性水沟。
2、煤层赋存情况
本工作面可采煤层为10煤，黑色，碎块状、粉末状，强玻璃光泽，以亮煤、镜煤为主。工作面西北部和切眼附近，位于岩浆岩侵蚀边界附近，受岩浆岩侵蚀影响，部分煤层已变质为天然焦。
煤层结构较简单，无夹矸，煤层倾角平均10°，倾向50°左右。煤厚0.3m～3.05m，平均2.52m。机巷位于岩浆岩侵蚀边界附近，受岩浆岩侵蚀影响，局部煤层可能出现增厚或变薄现象，103机巷J17#点前9m至J19号点之间（长度约50m），煤层受岩浆岩侵蚀推挤、底鼓构造影响，煤厚异常，煤层约为0.3m～1.6m。103风巷外段从F14点前29～40m（长度约11m），煤层受构造牵引影响，煤厚异常，煤层约为0.6～2m ；103风巷从F16点前10m～21m之间（长度约11m），煤层受岩浆岩侵蚀推挤影响，煤厚异常，煤层约为1.4m～1.7m ；风巷里段从F24点前43m处开始，现已揭露75米煤层变薄带,煤层亦被岩浆岩侵蚀，受其影响，煤层变薄，煤厚0.5-0.9米，受岩浆岩侵蚀，直接顶板为岩浆岩，底板为黑色泥岩（厚1m左右）、较硬的粉砂岩。根据三维地震资料，风巷里段异常区范围约160米。煤厚在0.5～2米。
3、煤层顶底板岩性
老 顶：以灰色粉砂岩、泥岩为主，水平缓波状层理，钙质胶结，致密，局部含菱铁结核。厚度3.7～18.72m。
直接顶：泥岩，灰黑色～黑色，均一结构，块状构造，易碎，含炭质及植物碎片化石，参差状断口，厚度4.04m～21.83m。局部直接顶为岩浆岩。
伪 顶：靠近东部局部有灰黑色伪顶泥岩, 厚度0～0.4m。
底 板：深灰色泥岩、粉砂岩，块状构造，含较多植物根部化石，具滑面。厚度1.5～13.07m。

5、地质构造
本工作面地质构造较复杂，根据勘探及生产揭露资料，主要表现为西高东低的单斜构造，平均倾角8.5o±。共揭露4条正断层，具体情况如下：
DF8：正断层，位于本工作面中部，断层产状140°＜60°，H=12m，断层破碎带宽约1m，为大角度破碎泥岩填充，无淋水。工作面风巷揭露该断层，机巷未揭露，预计该断层在工作面内将延伸约130m±尖灭，对生产影响较大，应施工改造切眼过此断层。
F103—1：正断层，103机巷J17点前4m揭露该断层，断层产状130°＜65°，H=1.4m，无破碎带，无淋水，预计向工作面内延伸70米左右尖灭，此断层可能为DF8断层的次生断层，和DF8断层共同牵引影响，中间有约宽42米煤层变薄带，对回采的影响较大。
F103—2：正断层，103风巷F14点前22m揭露该断层，断层产状280°＜30°，H=1.8m，顶断底不断，无破碎带，无淋水，预计向工作面内延伸50米左右尖灭。上盘煤层受断层牵引变薄为0.6m，影响宽度12米，下盘煤厚正常，预计对回采影响较大。
F103—3：正断层，103风巷F17点前3m揭露该断层，断层产状240°＜35°，H=1m，无破碎带，无淋水，预计向工作面内延伸30米左右尖灭，对回采影响不大。
另外，本工作面煤层局部受岩浆岩侵蚀，分别为：103风巷F24点前34m揭露，工作面风巷揭露200m，到103机巷高抽巷处尖灭，在工作面内延展长度约190m，侵蚀面积约1.6万m2,侵蚀区煤厚0.5m～1.4m，平均1.2m，预计对回采影响较大；103切眼前33m揭露，在本工作面内延展约150m，侵蚀面积约1.7万m2,工作面会揭露0.11万m2，预计对回采有一定影响。
6、水文地质
本工作面掘进水文地质条件较复杂。
1）松散层水：本区“四含”不发育，“三隔”厚度在60m以上，加上10煤上部210m～330m的岩柱，导致“三含”与“四含”及煤系水力失去联系，松散层水对回采无影响。
2）顶板水（岩浆岩裂隙水）：工作面部分地段煤层受岩浆岩侵蚀，直接顶板为岩浆岩，另外，部分地段10煤层上方4m及30米处各赋存一层2～4m厚的岩浆岩，岩浆岩层位垂直裂隙发育，虽然掘进巷道对次层裂隙水有一定的疏放，但由于岩浆岩水平裂隙不太发育，连通性较差，局部地段赋水性较强，受回采扰动影响，岩浆岩裂隙水将涌入工作面，预计涌水量约为10～20m3/h。
3）“太灰”水：根据地面太灰水文长观孔资料，太原组灰岩（“太灰”）水压达4.1～5.5MPa，10煤距“太灰”距离为47m～52m（根据034孔和6—12孔资料），但工作面突水系数最大为0.21，受回采扰动影响，回采时工作面有突水危险，应采取电法等物探手段，探明本工作面赋水异常区，利用钻孔验证赋水异常区的赋、含水性。必要是进行工作面疏水降压和底板加固工作。
7、瓦斯
矿井在建设过程中，10煤层发生了煤与瓦斯突出，10煤层鉴定为突出煤层。根据中国矿业大学2007年3月提供的《皖北煤电集团公司卧龙湖煤矿103工作面瓦斯综合治理及效果检验研究报告》预测结果：103工作面瓦斯涌出量在距南翼轨道大巷的300m以内回采时的相对瓦斯涌出量为7.95m3/t， 301～600m为5.37m3/t。且600m以后，相对瓦斯涌出量随煤层标高的上升而逐渐减小。
8、煤的自燃倾向性与煤尘爆炸性
根据地址资料及103工作面10煤煤样送矿大实验室鉴定，本矿井10煤层的自燃倾向性属不易自燃～不自燃；煤尘无爆炸危险性。
二、工作面参数、采煤方法与工艺
1、工作面参数
工作面倾向长800m，走向宽150m，煤层倾角平均10°，倾向50°左右。煤厚0.3m～3.05m，平均2.52m。
2、采煤方法与工艺
103工作面设计采用后退式倾斜长壁高档普采。
根据煤层顶板岩性，直接顶板能随着工作面的前移及时冒落，冒落矸石能及时充填采空区，本工作面采用全部垮落法管理顶板。
三、工作面巷道布置及支护
1、工作面巷道布置
（1）运煤巷道
从-535南翼运输巷施工至103机巷，半圆拱断面，巷宽×中高=3.4m×3.0m，锚网喷支护形式。
（2）回风巷道
从-535南翼回风巷施工至103风巷，半圆拱断面，巷宽×中高=4.0m×3.0m，锚网喷支护形式。
（3）高抽巷
从-535南翼回风巷和南翼轨道巷分别施工103机巷高抽巷和103风巷高抽巷
（4）工作面机巷、风巷
103机、风巷均为矩形断面，巷宽*中高=4.0m×2.6m，锚（索）网梁喷支护形式。支护方式见下图。
（5）采煤工作面布置方式
103工作面设计采用倾斜长壁后退式开采，全部垮落法管理顶板。103机、风巷的施工在下山见煤后，沿煤层按中线跟煤层顶板施工，巷道仰斜布置，工作面俯斜推进。 103机、风巷断面示意图
2、巷道支护
该块段10煤层从机巷及风巷施工过程来看，煤层基本较稳定，顶板多为较完整，煤的坚固性系数f值（0.7～1.5），巷道上下帮较稳定。受地质构造带影响，机巷J17前2.0m～31m约30m巷道及机巷外段局部累计约30m巷道为架棚支护，风巷F10前4m～F14前33m及F24前7m～F26点后约190m为架棚支护，其余为锚杆（索）+梁+网支护。架棚采用11＃矿用工字钢，塘柴笆片腰帮过顶。锚杆（索）+梁+网支护巷道顶部采用锚杆+锚索。锚杆为Φ20mm，材质20MnSi左旋罗纹钢，长度2.0m高强锚杆。锚索为Φ15.24mm，1860级低松弛钢绞线。巷道帮部采用长度1.6m竹锚杆支护。锚固采用中速固化型树脂药卷锚固剂。锚杆、锚索与金属网、梯子梁形成巷道围岩支护体。
四、103工作面三机参数的选择
103工作面三机参数的选择如下：
1. 采煤机：MG150/375
2. 刮板运输机：SGD-630/264
3. 皮带机：SSJ1000/2×220
4. 破矸机：PLM-500
5. 转载机：SZD-630/90
五、工作面推进度
根据已确定的工作制度，本矿井实行两班生产，一班检修，为可靠起见，按采煤班每班割煤4～6刀、每刀进0.6m、日循环进尺2.4～3.6m。
六、沿空留巷专项设计
回采工作面两侧的区段巷道，长期以来一直沿用留设煤柱的方法维护。留设煤柱开采，具有一定的可靠性和适用性，在特定的生产条件下形成了相对固定的采场布局方式和煤炭资源开采环境。矿井进入高产、高效、连续化、自动化开采以后，伴随着煤层赋存状况由简单变复杂，现有的生产系统及安全生产技术条件，对影响安全生产的自然因素的控制能力下降，工作面接替、瓦斯治理、巷道沿空掘巷支护、工作面热害治理的问题日显突出，体现在需要时间、空间和资金等方面的投入，工作面及矿井生产能力的发展受到诸多问题的制约。因此，控制和利用矿山压力服务于安全生产，探索新的采场布局方式和开采方法，同时创造出有利于综合治理高瓦斯、防治煤与瓦斯突出、解决高地压、高地温等煤炭资源开采环境，降低煤炭资源的损失，成为矿区高效开采、安全开采、建立现代矿井开采的集约化开采模式及矿井技术经济一体化的急迫要求。
无煤柱护巷技术是煤矿开采技术的一项重大改革，对于无煤柱护巷技术中的沿空留巷技术，二十世纪七十年代在前苏联、德国和英国等许多产煤国家得到比较迅速发展并逐步走向成熟，如德国煤矿无煤柱沿空留巷开采曾达80%以上。国内煤炭行业从二十世纪七、八十年代起至今，一直进行着窄煤柱和无煤柱护巷支护技术的研究和应用，无煤柱护巷支护技术中的沿空留巷技术曾经历了堆砌瓦石（矸石）、密集支柱、金属棚、高水材料垛式充填等留巷方式的无煤柱护巷的发展过程，积累了宝贵的生产技术经验。
沿空留巷的优点：
1）矿井采掘规划与矿井采区开拓布局的革命。
2）倾向钻孔替代高、低抽巷，经济效益显著。
3）真正实现无煤柱开采，提高回采率，实现连续开采。
4）实现无煤柱开采，无应力集中区,被保护层得以彻底保护.
5）从根本上隅角瓦斯超限问题。
6）沿空留巷位于采动卸压区，支护容易，便于维护。
在其基础上建立的Y型通风方式，将带来更大的社会经济效益。
首采面103工作面具备实现沿空留巷的自然条件。采用沿空留巷将提高矿井煤炭资源回收率；缓解接替紧张；实现连续开采；实现本煤层煤与共采，在抽采本工作面采空区瓦斯的同时抽采相邻层面瓦斯及卸压瓦斯，消除瓦斯安全隐患，为安全开采创造条件。
103工作面沿空留巷将通过混凝土输送泵泵送充填材料至工作面留巷处，留设充填体隔离采空区并与原巷内支护共同承载形成巷道系统。
（一）巷道布置
设计对103工作面机、风巷同时进行沿空留巷，沿空留巷分别作为邻近层102及104工作面的风巷和机巷。工作面供风由-535南翼轨道巷，经103机巷、工作面（开切眼）、103风巷，进入矿井回风巷。
（二）沿空留巷充填泵位置及充填体巷道断面
沿空留巷充填体位置分别为103工作面机巷的上帮及风巷的下帮，具体见工作面留巷布置图。设计对103工作面机、风巷进行沿空留巷充填时，充填泵分别布置在机巷高抽巷及风巷高抽巷内，充填泵通过钻孔穿管连接到机巷和风巷充填管路进行充填。
留巷巷道原支护设计不能满足沿空留巷的支护要求，应在原支护基础上加强支护强度，以确保留巷在采动应力作用下的稳定，具体见沿空留巷巷道支护设计。

（三）103工作面留巷充填框架设计
1、机巷、风巷超前工作面煤壁20m内采用单体支柱和铰接顶梁挑双挑棚， 20 ～５0m内挑单排挑棚。单体支柱为DZ28型，铰接顶梁为HDJA-1200型。单体支设后及时拴防倒绳，班中注液，确保初撑力不低于90KN（9MPa），单体支柱不够长时，用胶丝袋装煤矸充填底板，单体支柱穿鞋。留巷内采用单体支柱和铰接顶梁挑双挑棚加强支护。
2、工作面采用单体铰接顶梁“三四”排管理。上下出口各采用四对长钢梁后接走向铰接梁单体支柱管理顶板。工作面上下出口采煤移梁时，沿工作面推进方向铺设规格为5m×1.2m金属网，作为沿空留巷充填墙体护顶网。工作面推进达一次充填长度后，将后接走向铰接顶梁及单体支柱替换成倾向充填棚。充填棚采用木梁木腿一梁三柱，木梁木腿直径≥200mm圆木。充填棚宽度不低于2.4m，充填棚边柱之间作为充填空间。


下（上）帮梁头必须留有100mm搭茬距。
4、沿空留巷架棚必须正规有劲，充填棚上下刷头不得超过100mm，腿子垂直顶底板架设，到底处柱窝刨麻面，不到底处柱窝深度不低于100mm。充填垛滞后液压支架不得超过1.0m。
5、充填前必须架设充填垛框架，框架用木板或金属模板搭设，充填框架的长、宽、高分别为一次充填长度2.4m～3.6m、设计墙宽2.4m及采高2.52m。模板里面铺上胶织袋或塑料薄膜，以便混凝土凝固后回收模板以复用。模板用铁丝固定，且靠边打好防倒站柱。模板架设时必须在模板外侧支设单体固定模板，待充填垛来劲后方可去掉。
（四） 103工作面巷旁支护
1、充填体材料强度的选择与计算
充填体材料选用混凝土膏体材料，主要成份是：硅酸盐、沙子、粉煤灰及水拌和的膏体混凝土材料外加添加剂，下表为充填体材料强度指标：
天数（d） 1 3 5 7 28
抗压强度值（兆帕） 3 9 10 12 28
沿空留巷支护体的工作阻力静载荷计算：
P=γ
γ：岩石平均容重取2.5T/m3
m：煤层采厚2.52m
k：冒落岩石的碎胀系数1.25-1.5，取1.25
B1：巷道煤帮到切顶线的悬顶宽度为B2与留巷充填体(暂取2.4m)宽度的1.2倍
B2：留巷宽度4.0m
经计算P值为48.4T/m2，约0.5MPa。考虑到老顶来压时下位岩层及充填体的动载系数为静载系数的2～4倍，即1～２MPA。而根据充填体材料的强度试验，其最大承载极限可达到10兆帕以上，可完全满足承载要求。
计算机模拟计算：由于该工作面煤层较薄，倾角较小，为了计算方便，模型采用水平倾角计算，垂直压力取530×25＝13250kN。巷道为锚网支护为了模拟现场情况，采用施加反向力代替支护。充填支护体采用三种宽度，分别为1.5m、2.0m、2.5m，应力分布计算结果如下:
通过计算分析，充填体内所受到的最大垂直应力分别为：7.42 Mpa、5.61 Mpa、4.53 Mpa。
而根据充填材料的强度试验，其最大承载极限可达到 10Mpa以上，墙体宽度可选择2.0～2.5m可满足承载需要。
留巷充填体的可缩性对巷道维护非常重要。沿空留巷在采动支承应力作用下，不可避免地要出现巷道变形。为使留巷充填体与原锚杆支护体支护的围岩协调变形，试验调整材料级配和配比，取得一定的承载变形量。见C10膏体充填材料应力-应变曲线。其次考虑巷道软底的比压进行巷道变形调节。
C10膏体充填材料应力－应变曲线
根据混凝土膏体材料抗压强度指标，充填长度应同工作面日推进度。
为提高充填墙体的结构稳定性、完整性及结构刚度充填墙体内应合理布筋。
（五）充填体材料的选择、运输与储存、上料方式
1）充填体材料的选择：选用混凝土膏体材料，主要成份是：硅酸盐、砂子、粉煤灰及水拌和的膏体混凝土材料
2）充填体材料的运输与储存
风巷：-535南翼轨道巷→联络巷→回风下山→风巷料场
机巷：-535南翼轨道巷→联络巷→运输下山→机巷料场
充填材料的运输与堆放要有防水措施。
3）充填体材料的上料方式：103工作面留巷充填利用人工上料、手动控制进水、机械拌和料。要求进水管安装压力表，保证水压均衡，水量合适。
（六）充填设备的选型配套与布置
本工作面采用BSM1002E混凝土充填泵。受俯采影响，混凝土为上向输送，混凝土泵距离充填墙应控制在高差30m～40m内，水平距离控制在200m内。
（七）充填管路敷设
充填管路的敷设要求平直，减少弯头，管路弯头转角半径应控制在8～10倍管径以上。充填管路必须与BSM1002-E混凝土泵的泵送性能相匹配。性能要求为耐压不小于10MPa，管径Φ108mm，壁厚≥6mm，低阻尼耐磨无缝钢管，管道连接采用耐压10 MPa管道快速接头及“O”橡胶圈密封。
（八）充填设备供电设计
机巷、风巷充填泵的供电均采用双路供电方式，一路使用一路备用，充填泵必须实行瓦斯电闭锁，充填泵必须布置在新鲜风流中。
（九）充填工艺
充填工艺流程为：
替棚清理 -→ 支模 -→ 搅拌输送 -→ 充填清洗 -→ 拆模
清理、支模：在工作面上风巷下帮、机巷上帮沿空留巷处，采用木棚一梁两柱顺山棚替换工作面单体和铰接顶梁。替换长度一般为工作面日推进度。管理好巷道顶板，清理巷道底板虚矸，支设留巷充填模板。
搅拌输送：检查确定混凝土充填泵工作状况正常，管路畅通后，即可进行材料的搅拌输送。进料要均匀连续，要严格控制配水的水灰份，进水管要安装压力表，保证供水均压，水量均衡。掌握设备的工作压力，防止管路阻塞。
充填清洗、拆模：高添量粉煤灰膏体混凝土材料进入留巷充填模，要观察材料的平流堆积状况，材料要充满充填模并接顶充分。充填工作完成及时放清洗球用清水清洗管道及泵，原则上清洗管道污水排入采空区，不能对工作面、下顺槽及留设的巷道产生影响。充填后拆模前动态观测充填体的强度和矿压显现，发现问题及时处理。
膏体充填材料配比要求：应根据现场条件随时进行调整。
（十）103工作面留巷巷内支护
1.充填体的临时支护
为强化充填体的支护强度，在留巷内利用铰接顶梁和单体加鞋沿走向临时架设一梁两柱双排铁棚，其中一排紧靠充填垛，一排靠巷道中间。
2.巷内加强支护形式
沿空留巷要求充填体在工作面附近快速增阻，然后保持恒阻的工作状态。巷内及充填体与围岩间具有应力应变的同步协调性。留巷支护体的有效性要以维护上方直接顶的完整性为目的。
受采煤工作面支承应力作用，工作面前方60m至工作面后方80～100m一般均处于工作面支承应力影响区域。为降低沿空留巷一次动压对沿空留巷的影响，采取超前加强支护，管理好顶板为沿空留巷创造条件。超前加强支护可采取一梁两柱或一梁三柱双挑棚，或巷道液压支架。沿空留巷膏体混凝土充填材料，是硅酸盐水硬性胶凝材料，一般不具有快硬早强性能，为保证沿空留巷巷道断面，降低沿空留巷的收缩变形为二次回采服务，工作面后方同样采取一梁两柱或一梁三柱双挑棚，或巷道液压支架加强支护。
3.留巷墙体顶板支护
为提高留巷的稳定性，留巷墙体顶板应进行相应支护，其支护方式同巷内锚杆支护技术参数。
七、 通风、瓦斯抽采、防灭火、瓦斯监控
103工作面沿空留巷后应根据现场情况每隔100m进行封闭，应充分估计瓦斯隐患，做好留巷的通风、瓦斯抽采、防灭火、瓦斯监控，具体详见通风、瓦斯抽采、防灭火、瓦斯监控专项设计
八、 主要技术经济指标