采煤方法选择探讨

王术睿,高亚斌,彭 左

(中国矿业大学)

·技术经验·

采煤方法选择探讨

王术睿①,高亚斌,彭 左

(中国矿业大学)

分析了我国煤矿开采技术的现状和趋势,阐述了规范小煤矿采煤的方法,并对南屯煤矿进行了实例分析,最后,指出了采煤方法选择的原则以及具体措施。

采煤方法;采煤技术;选择;探讨

1 煤矿开采技术现状及趋势

中国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据不完全统计,我国煤炭探明总储量在9 000亿 t以上,含煤面积55万 km2,而且煤种齐全,我国一次性能量消费结构中,煤炭占75%以上,从煤中可以提取200多种产品,因此,煤炭工业发展的快慢,将直接关系到国计民生和我国的社会主义经济建设。新中国成立后,原煤产量飞速增长,到2003年原煤产量已达30多亿吨,居世界首位。近几年来,由于对采煤方法进行了改革以及更新了一批现代化采煤设备,已使一批煤矿跨入了现代化高产高效煤矿的行列,随着国民经济的发展,煤矿安全条件将进一步得到改善,煤矿采煤生产技术将达到国际先进水平。

1954年,英国装备了世界上第一个综合机械化采煤工作面,长壁综采在世界上采用半个多世纪,已经成为煤矿开采的本质安全技术。发展长壁开采的早中期,也是煤炭科学研究异常活跃的时期。长壁工作面支架支护的目的,就是要把冒顶限制到最低程度,衡量支架效果的尺度是“冒顶”。我国发展综合机械化采煤的初期实践也表明,控制顶板的关键,就是防止工作面端面的破坏,因而选择支架不仅仅要有足够的工作阻力,更重要的是对端面无支护空间顶板的有效支护。

近年来,我国煤矿发展高产高效的重要经验之一,是以高阻力、大功率、数字化自动控制、高可靠性的装备支持工作面高速长距离推进,高产高效开采必须有可靠的地质保障系统,中国矿业大学韩德馨院士和彭苏萍教授提出“高产高效矿井地质保障系统是根据高产高效矿井机械化、集中化程度高的特点,以地质量化预测为先导,以物探、钻探等综合技术为手段,并依托先进的计算机技术实现生产地质工作的动态管理。它要求为矿井设计、采区布置、生产准备、采面布置到回采等各个层次或阶段提供可靠的地质保障。因此,要实现煤矿生产的高产高效,除选择优势资源区块为开采场地外,更重要的是对影响煤炭开采的地质因素有系统和清楚的掌握”。

需要指出,矿井都有一定的煤层赋存条件,一个矿区必须有一个合理的开发强度,也决定了工作面应有一个合理的生产能力,才能获得最佳的经济效益。本文从生态环境保护角度探讨了矿区开发的可持续发展问题,认为应该坚持统一规划、合理布局、适度规模、分散开发、就近转化、保水采煤的开采总方针,坚决杜绝小煤窑滥采乱挖,组建大型集团公司统一开发,做好煤炭液化、气化、水与煤关系的研究工作,确保矿区经济发展与生态环境相协调。煤炭开采也要注意人与自然的和谐共存,夏玉成教授在“构造环境对煤矿区地表环境灾害的控制作用”一文中指出,在不同构造环境下,同样强度的地下采矿活动在地表所造成的环境灾害现象是有明显差异的。在不同构造条件的煤矿区,地质环境的抗扰动能力不同,因而对地下开采的承载能力也就不同。抗扰动能力强的煤矿区可以承受较大的开采强度,而抗扰动能力差的煤矿区,同样强度的地下开采,就会导致严重的地表损害甚至环境灾害。从这个意义上说,与地下采矿有关的煤矿区地表环境灾害,源于采动,但其形式与发展受控于构造环境。而采动损害是指由于地下采动在地表产生的开裂、沉降和塌陷等严重损害地表生态环境的地质灾害。在构造介质、构造界面特征相似,开采强度也相同的条件下,煤矿区采动损害与其所处的构造应力场性质有关。在构造挤压区,一定的地下开采强度可能不会对地表造成强烈损害;而在构造伸展区,同样强度的地下开采则可能对地表生态环境造成严重破坏。长壁开采应该提升到一个新的科学平台,进行开采环境评价以保证合理的开采强度,不损害地表环境。

2 规范小煤矿采煤方法

20世纪80年代初国家放宽办矿政策,提倡“国营、集体和个人一起上”、“大中小煤矿共同发展”,受“有水快流”的影响,个体煤矿大量出现。原有的集体所有制煤矿通过承包租赁、转让出售、股份改造等方法途径,转变为个体或民营煤矿。1995年全国乡镇煤矿多达72 919处,产煤6.66亿 t,占当年全国煤炭产量的48.9%。2005年8月煤矿关停并转整顿之际,全国共有小煤矿约2.3万处。截至2007年6月底,累计关闭非法和不具备安全生产条件、破坏资源环境、不符合国家产业政策的矿井9 075处。据统计在建、改扩建小矿约为3 270处。以上合计,目前全国共有小煤矿1.7万处左右。经过整顿之后保留下来的小煤矿,安全生产基础条件总体上得到改善,安全保障能力有所提高。

目前“合法”存在的小煤矿有以下几类:

长壁留煤柱采煤法:其基本技术特征是工作面长壁布置、长壁推进。一类是每推进一段距离,保留一部分煤柱,形成间歇式推进;一类是在采空区保留一部分煤柱,以支撑顶板防止工作面切顶。

现代房柱式采煤法:主要是指引进国外连续采煤机房柱式采煤法或短壁采煤法,和在此基础上发展的现代房柱式采煤,以连续采煤机或掘进机开掘巷道和回采煤柱、机械装煤、采用梭车或胶轮车运输、锚杆支护技术或专用自移支架为主要特征。

条带采煤法和条带放顶煤采煤法:这是国内外“三下”采煤,为了控制地表下沉,广泛采用的一种采煤方法。开采区域采用类似长壁布置的方式,上、下部边界分别布置通风和运输平巷,垂直于通风和运输平巷划分若干个开采条带,条带间保留一定宽度的煤柱支撑顶板。还有在若干个条带开采后,保留一个宽度更大的隔离煤柱。采用条带布置,在开采特厚煤层时,沿底板布置开采层,放落其上的顶煤,称为条带放顶煤采煤法。

上述三类采煤方法,实际上也是国内外除典型的长壁采煤方法外,广泛采用的。都已形成自身的关键技术体系,这里不再赘述。长壁留煤柱开采,是国外在发展综合机械化采煤前,采用的四类采空区控制方法之一。主要是单体支柱支护的条件下,支护阻力不足以抗御顶板压力时采用。长壁留煤柱采煤方法长壁工作面不能连续推进,遇煤柱就搬家,一般采用单体支柱,制约生产能力,需要进一步改进。

3 复杂地质条件下工作面高效开采技术

1)地质条件。南屯煤矿93下07工作面煤层平均厚度2.98 m,煤层平均倾角 11°,最大倾角 15°,工作面整体为单斜构造,小构造极为发育,密度大,落差不太大。掘进过程中,上、下巷道及切眼共揭露小断层53条。工作面直接顶为细砂岩,直接底为粉砂岩。最大涌水量为72 m3/h,低瓦斯,有煤尘爆炸危险。

2)过断层技术的论证。根据断层密而落差较小的地质状况,综合各种过断层方法的利弊,并通过经济技术比较、技术可行性研究以及对设备性能进行充分研究的前提下,决定采用加强支护强行过断层的方法开采93下07工作面。

工作面强行过断层,由于断层带附近裂隙发育,煤岩的整体性破坏严重,断层附近的煤岩破碎严重,综采面向前推进很容易形成端面冒顶,影响工作面的正常生产,为了分析综采面过断层时产生冒顶的原因,下面以综采面过下断层从上盘向下盘推进为例来说明(见图1):

图1 综采面过断层示意图

当综采面从上盘接近断层面时,断层破碎带弱变区A范围内的煤层因破坏严重,其内聚力几乎为零,容易发生片帮,使端面空项距增大,破碎的顶板岩层很容易造成冒顶。

为了保证工作面在过断层期间的高产高效生产,必须消除或减弱变形区的影响,尽量减少端面冒顶的发生。综采面从断层上盘向下盘推进时,当综采面距断层面有一定距离时开始仰角爬坡,割顶板或顶煤,留底板,减少工作面在弱变区和顶板受破坏区中的推进过程,从而有效地减小断层带产生的弱变形区的影响,保证正常生产。

通过对断层产生冒顶原因的分析,虽然93上07工作面的断层多而密,且相互作用关系较复杂,很难准确判断出对煤层顶板的作用力,但在生产过程中,在保证采高和可弯曲刮板输送机的正常推进的情况下,尽量采用挑顶爬坡的方法推进,这样的开采方法可以有效控制断层弱变区对工作面生产的影响。

3)端面控制。综采工作面破碎顶板的端面冒顶是影响生产的重要因素,据调查,因顶板控制不好造成工作面停产时间占总停产时间的26.14%。93上07工作面由于断层的影响和顶板本身性质的原因,顶板管理难度较大,因此端面控制也是实现工作面高产高效的一个重点。

1)端面距是影响生产的主要因素之一。研究表明,随着端面控顶距离的增加,顶板冒落度也随着增加。

在93上07工作面开采过程中,要密切监视和严格管理顶板,在断层顶板破碎处及巷道三角点处时要用坑代品、工字钢、板梁及时接顶,防止空顶。顶板出现冒落时,要及时打木垛控顶。此外,端面距增加也是煤壁片帮的一个原因,因此,在开采过程中要控制好采高,利用好支架的护帮作用,尽量减少片帮的面积和数量。

2)支架的初撑力影响顶板破碎度,统计分析表明,工作面支护强度与顶板破碎度呈双曲线关系。支架强度等于支架初撑力加上其增阻值,支架的增阻值△P与初撑力 P0之间的关系如下:

式中:

△P—支架的增阻值;

a、c—随地质技术条件而变的常数;

P0—初撑力;

P—工作阻力。

由于 P0=P+ △P,因此,提高初撑力可以较快达到支护强度,减少端面冒顶。

93上07工作面由于断层和顶板较松软的原因,有多处出现了顶板破碎,为了不出现大范围的冒顶,控制好端面距,保证工作面的采高和正常的生产,利用单体液压支柱辅助支架支撑顶板(见图2),这样既可以增加支架的支撑力,防止顶板冒落,又可以预防顶板冒落带来的不安全因素。

图2 单体液压支柱辅助支架支撑顶示意图

4)工作面开采过程中的其他因素。

a)采高。由于开采过程中顶板条件不好,采高不宜过大,适当的降低采高可以有效地控制端面距,防止顶板的大规模破碎,发生冒顶。

b)工作面推进速度。工作面的地质条件复杂,根据矿山压力显现特性,工作面推进越快,压力作用越不明显,掘进越慢作用越明显。

c)移架推溜方式。为了保护好顶板,应该先移架后推溜,这样及时支护,减小了空顶面积,对维护顶板的完整性有很好的作用。

d)超前支护。根据矿山压力显现特性和岩体的连续性原理,超前支护可以有效地缓解矿压在切眼处的作用,从而对地质复杂而引起的顶板破坏有一定的保护作用。

e)端头支护。两巷道及切眼连接处的三角煤处,压力最大而易显现,也最容易出现冒顶事故,在两头一定要加大支护强度,采用密集柱子支护加迈步抬棚支护。南屯煤矿93下07工作面小断层极为发育且密度大,通过严密的论证和科学的施工,252 m的工作面月进尺180.45 m,生产原煤达20.6万 t。

4 开采方法选择

采煤方法的选择必须坚持安全、经济、煤炭采出率高的原则。采煤方法的选择在基于上述原则的基础上,应大力提高可采煤炭的回采率,看到具体煤层的优点以及它所适应的最合理的开采方法,减少资源浪费,加强环保。

1)在煤层埋藏比较浅,地质条件比较好的煤矿中应大力提倡综采,依靠引进全套的先进设备,比如神华集团神东煤炭公司大柳塔矿,依靠先进的设备和优越的地理条件,实现了单井首次破千万 t,2002年综采工作面年产量达到847万t,刷新世界纪录。

2)对于煤层比较厚,且埋藏不浅的情况下,应充分利用放顶煤开采技术。比如兖矿集团兴降庄矿综采一队产煤超639.92万 t,并创造了综放工作面最高月产63.2万t的全国纪录。

3)对于急斜煤层则可以采用水平分层放顶煤开采工艺,提高回采率,并且大大提高工作面年产量。

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Discussion on Selection of Coal Mining Method

Wang Shu-rui,G ao Ya-bin,Peng Zhuo

Analyzes the status and trends of our coal mining technology,explains the standard method of small coal mines,and takes Nantun coal mine as an example to analyzes.Finally,points out the mining method selection principles and specific measures.

Mining methods;Coal mining technology;Selection;Discussion

TD821

B

1672-0652(2010)05-0049-04

2010-03-05

王术睿 男 1988年出生 2007年中国矿业大学矿业工程学院在读本科生 徐州 221116