采煤方法選擇探討

王術(shù)睿,高亞斌,彭 左

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

采煤方法選擇探討

王術(shù)睿①,高亞斌,彭 左

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))

分析了我國(guó)煤礦開采技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢(shì),闡述了規(guī)范小煤礦采煤的方法,并對(duì)南屯煤礦進(jìn)行了實(shí)例分析,最后,指出了采煤方法選擇的原則以及具體措施。

采煤方法;采煤技術(shù);選擇;探討

1 煤礦開采技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

中國(guó)是世界上煤炭資源最豐富的國(guó)家之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)煤炭探明總儲(chǔ)量在9 000億 t以上,含煤面積55萬 km2,而且煤種齊全,我國(guó)一次性能量消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,煤炭占75%以上,從煤中可以提取200多種產(chǎn)品,因此,煤炭工業(yè)發(fā)展的快慢,將直接關(guān)系到國(guó)計(jì)民生和我國(guó)的社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)。新中國(guó)成立后,原煤產(chǎn)量飛速增長(zhǎng),到2003年原煤產(chǎn)量已達(dá)30多億噸,居世界首位。近幾年來,由于對(duì)采煤方法進(jìn)行了改革以及更新了一批現(xiàn)代化采煤設(shè)備,已使一批煤礦跨入了現(xiàn)代化高產(chǎn)高效煤礦的行列,隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,煤礦安全條件將進(jìn)一步得到改善,煤礦采煤生產(chǎn)技術(shù)將達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

1954年,英國(guó)裝備了世界上第一個(gè)綜合機(jī)械化采煤工作面,長(zhǎng)壁綜采在世界上采用半個(gè)多世紀(jì),已經(jīng)成為煤礦開采的本質(zhì)安全技術(shù)。發(fā)展長(zhǎng)壁開采的早中期,也是煤炭科學(xué)研究異?；钴S的時(shí)期。長(zhǎng)壁工作面支架支護(hù)的目的,就是要把冒頂限制到最低程度,衡量支架效果的尺度是“冒頂”。我國(guó)發(fā)展綜合機(jī)械化采煤的初期實(shí)踐也表明,控制頂板的關(guān)鍵,就是防止工作面端面的破壞,因而選擇支架不僅僅要有足夠的工作阻力,更重要的是對(duì)端面無支護(hù)空間頂板的有效支護(hù)。

近年來,我國(guó)煤礦發(fā)展高產(chǎn)高效的重要經(jīng)驗(yàn)之一,是以高阻力、大功率、數(shù)字化自動(dòng)控制、高可靠性的裝備支持工作面高速長(zhǎng)距離推進(jìn),高產(chǎn)高效開采必須有可靠的地質(zhì)保障系統(tǒng),中國(guó)礦業(yè)大學(xué)韓德馨院士和彭蘇萍教授提出“高產(chǎn)高效礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)是根據(jù)高產(chǎn)高效礦井機(jī)械化、集中化程度高的特點(diǎn),以地質(zhì)量化預(yù)測(cè)為先導(dǎo),以物探、鉆探等綜合技術(shù)為手段,并依托先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)地質(zhì)工作的動(dòng)態(tài)管理。它要求為礦井設(shè)計(jì)、采區(qū)布置、生產(chǎn)準(zhǔn)備、采面布置到回采等各個(gè)層次或階段提供可靠的地質(zhì)保障。因此,要實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的高產(chǎn)高效,除選擇優(yōu)勢(shì)資源區(qū)塊為開采場(chǎng)地外,更重要的是對(duì)影響煤炭開采的地質(zhì)因素有系統(tǒng)和清楚的掌握”。

需要指出,礦井都有一定的煤層賦存條件,一個(gè)礦區(qū)必須有一個(gè)合理的開發(fā)強(qiáng)度,也決定了工作面應(yīng)有一個(gè)合理的生產(chǎn)能力,才能獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。本文從生態(tài)環(huán)境保護(hù)角度探討了礦區(qū)開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展問題,認(rèn)為應(yīng)該堅(jiān)持統(tǒng)一規(guī)劃、合理布局、適度規(guī)模、分散開發(fā)、就近轉(zhuǎn)化、保水采煤的開采總方針,堅(jiān)決杜絕小煤窯濫采亂挖,組建大型集團(tuán)公司統(tǒng)一開發(fā),做好煤炭液化、氣化、水與煤關(guān)系的研究工作,確保礦區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)。煤炭開采也要注意人與自然的和諧共存,夏玉成教授在“構(gòu)造環(huán)境對(duì)煤礦區(qū)地表環(huán)境災(zāi)害的控制作用”一文中指出,在不同構(gòu)造環(huán)境下,同樣強(qiáng)度的地下采礦活動(dòng)在地表所造成的環(huán)境災(zāi)害現(xiàn)象是有明顯差異的。在不同構(gòu)造條件的煤礦區(qū),地質(zhì)環(huán)境的抗擾動(dòng)能力不同,因而對(duì)地下開采的承載能力也就不同。抗擾動(dòng)能力強(qiáng)的煤礦區(qū)可以承受較大的開采強(qiáng)度,而抗擾動(dòng)能力差的煤礦區(qū),同樣強(qiáng)度的地下開采,就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的地表損害甚至環(huán)境災(zāi)害。從這個(gè)意義上說,與地下采礦有關(guān)的煤礦區(qū)地表環(huán)境災(zāi)害,源于采動(dòng),但其形式與發(fā)展受控于構(gòu)造環(huán)境。而采動(dòng)損害是指由于地下采動(dòng)在地表產(chǎn)生的開裂、沉降和塌陷等嚴(yán)重?fù)p害地表生態(tài)環(huán)境的地質(zhì)災(zāi)害。在構(gòu)造介質(zhì)、構(gòu)造界面特征相似,開采強(qiáng)度也相同的條件下,煤礦區(qū)采動(dòng)損害與其所處的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)性質(zhì)有關(guān)。在構(gòu)造擠壓區(qū),一定的地下開采強(qiáng)度可能不會(huì)對(duì)地表造成強(qiáng)烈損害;而在構(gòu)造伸展區(qū),同樣強(qiáng)度的地下開采則可能對(duì)地表生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。長(zhǎng)壁開采應(yīng)該提升到一個(gè)新的科學(xué)平臺(tái),進(jìn)行開采環(huán)境評(píng)價(jià)以保證合理的開采強(qiáng)度,不損害地表環(huán)境。

2 規(guī)范小煤礦采煤方法

20世紀(jì)80年代初國(guó)家放寬辦礦政策,提倡“國(guó)營(yíng)、集體和個(gè)人一起上”、“大中小煤礦共同發(fā)展”,受“有水快流”的影響,個(gè)體煤礦大量出現(xiàn)。原有的集體所有制煤礦通過承包租賃、轉(zhuǎn)讓出售、股份改造等方法途徑,轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)體或民營(yíng)煤礦。1995年全國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦多達(dá)72 919處,產(chǎn)煤6.66億 t,占當(dāng)年全國(guó)煤炭產(chǎn)量的48.9%。2005年8月煤礦關(guān)停并轉(zhuǎn)整頓之際,全國(guó)共有小煤礦約2.3萬處。截至2007年6月底,累計(jì)關(guān)閉非法和不具備安全生產(chǎn)條件、破壞資源環(huán)境、不符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的礦井9 075處。據(jù)統(tǒng)計(jì)在建、改擴(kuò)建小礦約為3 270處。以上合計(jì),目前全國(guó)共有小煤礦1.7萬處左右。經(jīng)過整頓之后保留下來的小煤礦,安全生產(chǎn)基礎(chǔ)條件總體上得到改善,安全保障能力有所提高。

目前“合法”存在的小煤礦有以下幾類:

長(zhǎng)壁留煤柱采煤法:其基本技術(shù)特征是工作面長(zhǎng)壁布置、長(zhǎng)壁推進(jìn)。一類是每推進(jìn)一段距離,保留一部分煤柱,形成間歇式推進(jìn);一類是在采空區(qū)保留一部分煤柱,以支撐頂板防止工作面切頂。

現(xiàn)代房柱式采煤法:主要是指引進(jìn)國(guó)外連續(xù)采煤機(jī)房柱式采煤法或短壁采煤法,和在此基礎(chǔ)上發(fā)展的現(xiàn)代房柱式采煤,以連續(xù)采煤機(jī)或掘進(jìn)機(jī)開掘巷道和回采煤柱、機(jī)械裝煤、采用梭車或膠輪車運(yùn)輸、錨桿支護(hù)技術(shù)或?qū)Ｓ米砸浦Ъ転橹饕卣鳌?/p>

條帶采煤法和條帶放頂煤采煤法:這是國(guó)內(nèi)外“三下”采煤,為了控制地表下沉,廣泛采用的一種采煤方法。開采區(qū)域采用類似長(zhǎng)壁布置的方式,上、下部邊界分別布置通風(fēng)和運(yùn)輸平巷,垂直于通風(fēng)和運(yùn)輸平巷劃分若干個(gè)開采條帶,條帶間保留一定寬度的煤柱支撐頂板。還有在若干個(gè)條帶開采后,保留一個(gè)寬度更大的隔離煤柱。采用條帶布置,在開采特厚煤層時(shí),沿底板布置開采層,放落其上的頂煤,稱為條帶放頂煤采煤法。

上述三類采煤方法,實(shí)際上也是國(guó)內(nèi)外除典型的長(zhǎng)壁采煤方法外,廣泛采用的。都已形成自身的關(guān)鍵技術(shù)體系,這里不再贅述。長(zhǎng)壁留煤柱開采,是國(guó)外在發(fā)展綜合機(jī)械化采煤前,采用的四類采空區(qū)控制方法之一。主要是單體支柱支護(hù)的條件下,支護(hù)阻力不足以抗御頂板壓力時(shí)采用。長(zhǎng)壁留煤柱采煤方法長(zhǎng)壁工作面不能連續(xù)推進(jìn),遇煤柱就搬家,一般采用單體支柱,制約生產(chǎn)能力,需要進(jìn)一步改進(jìn)。

3 復(fù)雜地質(zhì)條件下工作面高效開采技術(shù)

1)地質(zhì)條件。南屯煤礦93下07工作面煤層平均厚度2.98 m,煤層平均傾角 11°,最大傾角 15°,工作面整體為單斜構(gòu)造,小構(gòu)造極為發(fā)育,密度大,落差不太大。掘進(jìn)過程中,上、下巷道及切眼共揭露小斷層53條。工作面直接頂為細(xì)砂巖,直接底為粉砂巖。最大涌水量為72 m3/h,低瓦斯,有煤塵爆炸危險(xiǎn)。

2)過斷層技術(shù)的論證。根據(jù)斷層密而落差較小的地質(zhì)狀況,綜合各種過斷層方法的利弊,并通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較、技術(shù)可行性研究以及對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行充分研究的前提下,決定采用加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)行過斷層的方法開采93下07工作面。

工作面強(qiáng)行過斷層,由于斷層帶附近裂隙發(fā)育,煤巖的整體性破壞嚴(yán)重,斷層附近的煤巖破碎嚴(yán)重,綜采面向前推進(jìn)很容易形成端面冒頂,影響工作面的正常生產(chǎn),為了分析綜采面過斷層時(shí)產(chǎn)生冒頂?shù)脑?下面以綜采面過下斷層從上盤向下盤推進(jìn)為例來說明(見圖1):

圖1 綜采面過斷層示意圖

當(dāng)綜采面從上盤接近斷層面時(shí),斷層破碎帶弱變區(qū)A范圍內(nèi)的煤層因破壞嚴(yán)重,其內(nèi)聚力幾乎為零,容易發(fā)生片幫,使端面空項(xiàng)距增大,破碎的頂板巖層很容易造成冒頂。

為了保證工作面在過斷層期間的高產(chǎn)高效生產(chǎn),必須消除或減弱變形區(qū)的影響,盡量減少端面冒頂?shù)陌l(fā)生。綜采面從斷層上盤向下盤推進(jìn)時(shí),當(dāng)綜采面距斷層面有一定距離時(shí)開始仰角爬坡,割頂板或頂煤,留底板,減少工作面在弱變區(qū)和頂板受破壞區(qū)中的推進(jìn)過程,從而有效地減小斷層帶產(chǎn)生的弱變形區(qū)的影響,保證正常生產(chǎn)。

通過對(duì)斷層產(chǎn)生冒頂原因的分析,雖然93上07工作面的斷層多而密,且相互作用關(guān)系較復(fù)雜,很難準(zhǔn)確判斷出對(duì)煤層頂板的作用力,但在生產(chǎn)過程中,在保證采高和可彎曲刮板輸送機(jī)的正常推進(jìn)的情況下,盡量采用挑頂爬坡的方法推進(jìn),這樣的開采方法可以有效控制斷層弱變區(qū)對(duì)工作面生產(chǎn)的影響。

3)端面控制。綜采工作面破碎頂板的端面冒頂是影響生產(chǎn)的重要因素,據(jù)調(diào)查,因頂板控制不好造成工作面停產(chǎn)時(shí)間占總停產(chǎn)時(shí)間的26.14%。93上07工作面由于斷層的影響和頂板本身性質(zhì)的原因,頂板管理難度較大,因此端面控制也是實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效的一個(gè)重點(diǎn)。

1)端面距是影響生產(chǎn)的主要因素之一。研究表明,隨著端面控頂距離的增加,頂板冒落度也隨著增加。

在93上07工作面開采過程中,要密切監(jiān)視和嚴(yán)格管理頂板,在斷層頂板破碎處及巷道三角點(diǎn)處時(shí)要用坑代品、工字鋼、板梁及時(shí)接頂,防止空頂。頂板出現(xiàn)冒落時(shí),要及時(shí)打木垛控頂。此外,端面距增加也是煤壁片幫的一個(gè)原因,因此,在開采過程中要控制好采高,利用好支架的護(hù)幫作用,盡量減少片幫的面積和數(shù)量。

2)支架的初撐力影響頂板破碎度,統(tǒng)計(jì)分析表明,工作面支護(hù)強(qiáng)度與頂板破碎度呈雙曲線關(guān)系。支架強(qiáng)度等于支架初撐力加上其增阻值,支架的增阻值△P與初撐力 P0之間的關(guān)系如下:

式中:

△P—支架的增阻值;

a、c—隨地質(zhì)技術(shù)條件而變的常數(shù);

P0—初撐力;

P—工作阻力。

由于 P0=P+ △P,因此,提高初撐力可以較快達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度,減少端面冒頂。

93上07工作面由于斷層和頂板較松軟的原因,有多處出現(xiàn)了頂板破碎,為了不出現(xiàn)大范圍的冒頂,控制好端面距,保證工作面的采高和正常的生產(chǎn),利用單體液壓支柱輔助支架支撐頂板(見圖2),這樣既可以增加支架的支撐力,防止頂板冒落,又可以預(yù)防頂板冒落帶來的不安全因素。

圖2 單體液壓支柱輔助支架支撐頂示意圖

4)工作面開采過程中的其他因素。

a)采高。由于開采過程中頂板條件不好,采高不宜過大,適當(dāng)?shù)慕档筒筛呖梢杂行У乜刂贫嗣婢?防止頂板的大規(guī)模破碎,發(fā)生冒頂。

b)工作面推進(jìn)速度。工作面的地質(zhì)條件復(fù)雜,根據(jù)礦山壓力顯現(xiàn)特性,工作面推進(jìn)越快,壓力作用越不明顯,掘進(jìn)越慢作用越明顯。

c)移架推溜方式。為了保護(hù)好頂板,應(yīng)該先移架后推溜,這樣及時(shí)支護(hù),減小了空頂面積,對(duì)維護(hù)頂板的完整性有很好的作用。

d)超前支護(hù)。根據(jù)礦山壓力顯現(xiàn)特性和巖體的連續(xù)性原理,超前支護(hù)可以有效地緩解礦壓在切眼處的作用,從而對(duì)地質(zhì)復(fù)雜而引起的頂板破壞有一定的保護(hù)作用。

e)端頭支護(hù)。兩巷道及切眼連接處的三角煤處,壓力最大而易顯現(xiàn),也最容易出現(xiàn)冒頂事故,在兩頭一定要加大支護(hù)強(qiáng)度,采用密集柱子支護(hù)加邁步抬棚支護(hù)。南屯煤礦93下07工作面小斷層極為發(fā)育且密度大,通過嚴(yán)密的論證和科學(xué)的施工,252 m的工作面月進(jìn)尺180.45 m,生產(chǎn)原煤達(dá)20.6萬 t。

4 開采方法選擇

采煤方法的選擇必須堅(jiān)持安全、經(jīng)濟(jì)、煤炭采出率高的原則。采煤方法的選擇在基于上述原則的基礎(chǔ)上,應(yīng)大力提高可采煤炭的回采率,看到具體煤層的優(yōu)點(diǎn)以及它所適應(yīng)的最合理的開采方法,減少資源浪費(fèi),加強(qiáng)環(huán)保。

1)在煤層埋藏比較淺,地質(zhì)條件比較好的煤礦中應(yīng)大力提倡綜采,依靠引進(jìn)全套的先進(jìn)設(shè)備,比如神華集團(tuán)神東煤炭公司大柳塔礦,依靠先進(jìn)的設(shè)備和優(yōu)越的地理?xiàng)l件,實(shí)現(xiàn)了單井首次破千萬 t,2002年綜采工作面年產(chǎn)量達(dá)到847萬t,刷新世界紀(jì)錄。

2)對(duì)于煤層比較厚,且埋藏不淺的情況下,應(yīng)充分利用放頂煤開采技術(shù)。比如兗礦集團(tuán)興降莊礦綜采一隊(duì)產(chǎn)煤超639.92萬 t,并創(chuàng)造了綜放工作面最高月產(chǎn)63.2萬t的全國(guó)紀(jì)錄。

3)對(duì)于急斜煤層則可以采用水平分層放頂煤開采工藝,提高回采率,并且大大提高工作面年產(chǎn)量。

[1] 齊俊德.采煤方法的合理選擇及實(shí)踐[J].礦冶,2007(03):15-17.

[2] 汪理全,楊真.長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤方法的發(fā)展趨勢(shì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2005(01):10-13.

[3] 郝忠軍.井下采煤技術(shù)及采煤工藝的選擇[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2007(13):104-105.

[4] 包福林,薛峰.采煤技術(shù)及采煤方法的選擇[J].煤炭技術(shù),2006(08):60.

[5] 付崇禹,高海濤.生產(chǎn)礦井采煤方法選擇及影響因素分析[J].知識(shí)經(jīng)濟(jì),2008(01):126-134.

[6] 夏玉成.構(gòu)造環(huán)境對(duì)煤礦區(qū)地表環(huán)境災(zāi)害的控制作用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2005(02):18-20.

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

王術(shù)睿 男 1988年出生 2007年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院在讀本科生 徐州 221116