三软不稳定厚煤层复采技术研究∗

郭兵兵韩红强桑培淼

(1.河南工程学院安全工程系,河南省郑州市,451191; 2.国投煤炭郑州能源开发有限公司,河南省登封市,452470)

三软不稳定厚煤层复采技术研究∗

郭兵兵1韩红强1桑培淼2

(1.河南工程学院安全工程系,河南省郑州市,451191; 2.国投煤炭郑州能源开发有限公司,河南省登封市,452470)

国投煤炭教学三矿三软煤层炮采后,采空区留有大量残煤。分析了复采残煤的方法,确定了采用双输送机悬移支架放顶煤机采工艺复采残煤。在研究复采工作面矿山压力显现特征的基础上,评价了悬移支架适应性。针对煤层厚度变化大的特点,采用动态放煤工艺参数。煤炭复采取得了显著的技术经济效益。

三软煤层 不稳定厚煤层 煤炭复采 悬移支架机采工艺 放顶煤开采

国投煤炭教学三矿主采二1煤层,煤层厚度0～15.8 m,平均厚度为6.35 m,属典型的三软煤层。初次开采时,采用炮采放顶煤工艺,由于地质条件复杂,煤层厚度变化大,部分顶煤没有放出,采空区留有大量残煤。针对这一情况,该矿进行了复采技术研究,采用适用技术工艺复采残煤,提高了资源回收率,延长了矿井的服务年限,取得了显著的效益。

1 试验工作面概况

1.1 工作面地质情况

13012复采工作面位于13采区,走向长约1000 m,倾斜长约100～130 m,残余煤层厚度0.5～10.6 m,平均4.4 m。东部为采空区,北部为西轨道巷、西运输巷,南部为实体煤层,西部为13轨道巷、13运输巷。区域地质构造为向斜构造,走向321°,平均倾角9°。据原13011回采巷道资料和掘进过程中揭露岩层情况,局部顶底板起伏较大,煤层厚度不稳定。再生顶板主要是细粒砂岩,主要成分为石英、长石,硅质、泥质胶结,有交错层理,层面含白云母片及炭质。直接底是砂质泥岩,深灰色,含砂质条带,具缓波状层理,含菱铁质及黄铁矿结核。

1.2 工作面复采范围

13012工作面复采的范围主要包括:

(1)因地质构造复杂,开采条件困难,初采时未采的块段;

(2)二1煤厚度8～10 m,部分区域厚度可达15～30 m,因煤层厚度变化大,初采时的残留煤;

(3)采区内区段间10～20 m的保护煤柱;

(4)采区内因中小型褶曲影响向斜轴部一定范围内留有的底煤;

(5)放顶煤工艺中没有放出的顶煤,放炮后被崩落于采空区一侧的浮煤。补充勘探发现,回采后遗留残煤厚度在2 m以下的区域占30%;残煤厚度2 m以上的区域约为70%,0.7 m以下的不可采区域仅占10%左右。

预计整个13012工作面初采后残余煤炭约36万t。

2 复采技术的特殊性

对采空区原来已经丢弃的煤层进行复采,与初次开采相比,在采煤方法及工艺、工作面支护、通风、矿井水防治、煤质管理等方面有一定的特殊性。本文着重论述复采工艺及工作面支护。

一般情况下,复采的块段比正常开采时要小,工作面形状也不规则,一般可以采用柱式、壁式及充填采煤方法,工艺上可以采用爆破采煤工艺和机械化采煤工艺。13012工作面复采煤层厚度0.5～5.0 m,局部达到8 m,煤层厚度变化大。选择合适的采煤方法和工艺以提高采出率是首先要解决的技术问题。

复采工作面的顶板经历初次开采的破坏,属再生顶板,固结情况不同、好坏不一,但大都松散破碎,难以控制,容易漏顶冒顶。工作面上覆岩层的移动规律、矿山压力显现特征与初次开采也大不相同。复采工作面岩层移动和矿压显现特征是工作面支护要面临的主要技术难题。

3 13012工作面复采工艺

3.1 复采工艺的选择

爆破采煤工艺技术装备投资少,适应性强,操作技术容易掌握,生产技术管理比较简单。

普通机械化采煤工艺对地质变化适应性强,工作面搬迁容易,适用于推进距离短、形状不规则、小断层和褶曲较发育的工作面,操作技术容易掌握,组织生产容易。

综合机械化具有高产、高效、安全、低耗、劳动条件好以及劳动强度小的优点。但综采生产优势的发挥有赖于全矿井良好的生产系统、较好的煤层赋存条件及较高的操作和管理水平,适用于地质条件较好、构造少的煤层。

20世纪90年代以来,郑煤集团王庄煤矿和新密市超化煤矿采用单体液压支柱配合Π型梁对棚支护条件下的炮采放顶煤回采工艺取得成功;由于三软煤层受滑动构造切割严重,小块段较多,大部分区域无法使用综采,放顶煤回采工艺对于三软不稳定煤层具有较好的适用性,单体液压支柱配合Π型梁对棚的炮采放顶煤开采工艺得到广泛应用,但该工艺存在支护不及时,支护稳定性差,工人体力劳动繁重等问题。

复采煤炭资源的主要特点是地质条件较为复杂,煤厚变化大,受初次采动的影响,煤层的顶底板更加破碎松软。而悬移支架适应性强,稳定性强,对顶板支护好,安撤方便灵活,劳动强度低,兼具单体支柱的灵活性和液压支架的可靠性,在许多矿区已成功应用,取得明显技术经济效益。

根据炮采、普采、综采3种工艺的适用性,结合13012复采面的地质条件,选择采用双输送机悬移支架机采放顶煤开采工艺,能适应复采面复杂地质条件及资源特点,工作面搬家也较容易。工作面沿底回采,正常回采期间,采高控制在2.0～2.6 m之间,平均2.3 m;如局部变薄,可沿顶破底回采,采高最低不低于2.0 m,循环进度为0.6 m。

3.2 复采工作面矿压显现特征

根据对现场实测数据的分析,复采煤层矿压显现特征如下:

(1)复采煤层工作面支柱荷载大于原始煤层。原始煤层的支架工作阻力平均值为9.39 MPa,最大工作阻力平均值为22.99 MPa;复采煤层的支架工作阻力平均值为11.57 MPa,最大工作阻力平均值为23.54 MPa。

(2)复采工作面周期来压较明显。原始煤层,周期来压前平均工作阻力为9.28 MPa,来压时为13.58 MPa,平均动压系数为1.46;复采煤层,来压前为10.72 MPa,来压时为16.79 MPa,平均动压系数为1.57。

(3)复采煤层工作面周期来压步距较短。原始煤层的周期来压步距9.6～10.8 m,平均10.2 m;复采煤层周期来压步距6.4～6.7 m,平均6.5 m。

(4)复采工作面顶板强度不一,上方残留煤体薄厚不均,压力大小分布不均,容易形成局部压力,造成复采工作面压力分布不均匀。一个来压周期内,同一时间不同的支架平均载荷不同。但原始煤层和复采煤层单个支架前后4根支柱工作阻力、最大工作阻力平均值大小相差不大,单架受力基本均衡,无明显偏载现象。

3.3 复采面悬移支架适应性分析及配套设备选型

13012复采面计划选用ZH2000/16/24Z型整体顶梁组合悬移支架,基于复采工作面矿山压力显现特征,对支架适应性进行分析。

(1)工作面支护强度。直接顶初次垮落、老顶初次来压及周期来压期间支架所受压力比平时大,分别从这3个时期所需的支护强度来计算验证,所需要的支护强度的最大值在老顶初次来压时为32.52 t/m2,核算的支护密度为0.83根/m2,实际的支护密度为1.19根/m2。

(2)底板的控制。13012工作面底板比压范围在0.89～10.12 MPa之间,平均为5.12 MPa,容许比压为3.84 MPa。工作面中部底板比压相对较低,分布不均匀。当泵站压力在31.5 MPa时,支架工作阻力为500 k N/根,支架配备有直径360 mm的柱鞋,可以满足护底要求。

(3)护顶面积。标准整体顶梁宽0.96 m、支架顶梁最长达3.5 m,护顶面积可达95%以上,对顶板实现全封闭管理,不会出现漏顶现象,支护效果良好。

(4)支架稳定性。支架通过托梁系统形成整体稳定性加强,在支撑力达到要求的情况下,可避免工作面歪架、倒架。支架液压系统集中控制,前移动作简单,移架速度快。

(5)采煤高度。稳定的支架结构,当配以大直径或加长支柱时,采高可达3.5 m。

(6)切顶能力。支架支柱标配为4根,前后各两根,当采场压力增大时,后柱可增加到3根,加强切顶能力。

悬移支架具有的优点完全能够适应三软复采放顶煤工作面的矿压特征和顶板破碎的特殊地质条件。

根据机采工作面的设备配套原则,考虑复采工作面煤层赋存条件、采高及实际生产情况等因素,确定复采面配套设备选用ZH2000/16/24Z型整体顶梁组合悬移支架、MG160/375－W采煤机、SGZ630/264中双链刮板输送机、SGB630/150边双链刮板输送机及BRW125/31.5的乳化液泵。

3.4 工艺流程

采煤工艺流程为:(爆破)→割煤→伸出伸缩前探梁护顶→同时移前后两部输送机→移架→放顶煤→移托梁。具体如下:

(1)采煤机开始从端头进刀割煤,伸缩前探梁处于收回状态。局部煤层厚度小于采高时或遇到无煤带时,需提前爆破,再开始进刀割煤。

(2)采煤机上滚筒割过后,伸出伸缩前探梁,掩护暴露顶板。

(3)滞后采煤机15 m以上,放净顶部煤后,分别前移两部输送机。

(4)收回伸缩前探梁,同时前移支架,支撑好后,出后方垮落的顶部煤。

(5)工作面所有支架前移后,整体前移托梁,采煤机开始割煤,完成一个作业循环。

复采煤炭资源的主要特点是地质条件较为复杂,煤厚变化大,局部可能出现无煤带。适用复采煤炭赋存特点,研究设计放煤方式及放煤参数是复采技术的一个难点。针对复采资源特点,通过采用动态放煤参数以提高资源采出率。

煤层厚度2～4 m时采用一采一放,放煤步距为0.6 m;煤层厚度4 m以上时,都采用两采一放,放煤步距为1.2 m。

放煤方式主要包括放煤顺序和一次顶煤放出量。煤层厚度2～4 m时,设置低位放煤口,距底板0.2 m。煤层厚度4～6 m时,间隔设置中、低位放煤口,中位放煤口距底板0.6 m,低位放煤口距底板0.2 m;煤层厚度6 m以上时,设置中位放煤口,距底板0.6 m。放煤方式均为单轮、间隔、多口放煤。

4 复采效益

(1)近3 a共复采煤炭资源41万t,减少了动用储量,延长了矿井服务年限。

(2)工作面推进速度加快,由1.2 m/d提高到1.8 m/d。

(3)采煤环节实现机械化, 与单体支柱放顶煤相比,采用悬移支架放顶煤,工艺过程不需要顶梁反复拆移、支柱来回搬运等,支架整体前移可快速完成,劳动强度低。

(4)顶板实现全封闭,消除局部冒顶掉矸;支架顶梁是一个整体,避免了倒架、翻架;提高了支柱的初撑力及顶板控制质量;护帮板能快速及时维护顶板,消除了爆破后空顶的安全隐患。

5 结语

郑州矿区三软不稳定煤层采用炮采放顶煤回采工艺已有20多年,各矿采空区残留煤量普遍存在。悬移支架机采放顶煤的复采工艺技术对取代炮采放顶煤、单体液压支柱配Π型钢梁配套支护的采煤工艺,对推动郑州矿区的三软不稳定厚煤层复采技术革新有重要的意义,具有广泛的推广应用前景。

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Study on repeated mining technology for three-soft and unstable thick coal seam

Guo Bingbing1,Han Hongqiang1,Sang Peimiao2
(1．Department of Safety Engineering,Henan Institue of Engineering,Zhengzhou,Henan 451191,China; 2．SDIC Coal Zhengzhou Energy Development Co．,Ltd．,Dengfeng,Henan 452470,China)

After blasting caving in three-soft mining area of SDIC Coal No．3 Teaching Mine, a large of coal is left in goaf．On the basis of the analysis on recovery method,the residual coal recovery technology is determined which is mechanized caving mining with double-conveyor movable support．Adaptability of the movable support is evaluated after researching on the characteristics of strata behavior of repeated mining face．According to the feature of great variation in coal seam thickness,dynamic coal-caving parameters are adopted．Coal repeated mining has achieved obvious technical and economic benefits．

three-soft coal seam,unstable thick coal seam,coal repeated mining,mechanized mining technology with movable support,coal caving mining

TD823.88

A

郭兵兵(1982－),男,河南洛阳人,硕士,2009年7月毕业于中国矿业大学采矿工程专业,在河南工程学院安全工程系从事采矿工程教学与科研工作。

(责任编辑 张毅玲)

“煤矿灾害预防与控制河南省高校重点实验室培育基地”建设经费资助,河南工程学院科技创新团队建设经费资助(CXTD2014002)