“采-選-抽-充-采”一體化開采模式應(yīng)用研究

鄧五先，代志旭

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 十二礦，河南 平頂山467000）

近年來，隨著淺部煤炭資源的枯竭，礦井不斷向深部延伸，千米深井越來越多，伴隨而來的高瓦斯低透氣性煤層的比例也逐步擴(kuò)大，據(jù)2010 年統(tǒng)計，我國高瓦斯礦井2 197 個，約占礦井總數(shù)的17%，煤與瓦斯突出礦井1 044 個，約占礦井總數(shù)的8.1%[1-2]。平煤十二礦三水平己15 煤層瓦斯含量高，透氣性低，不具備常規(guī)保護(hù)層開采的技術(shù)條件，并且開采深度超過1 100 m，需要面對輔助提升等諸多深井開采難題[3]，實(shí)現(xiàn)己15 煤層煤與瓦斯協(xié)同高效共采以及瓦斯清潔利用，不僅能夠滿足十二礦目前的開采需求，并且符合國家綠色、環(huán)保、高效利用的資源開發(fā)理念。高瓦斯低透氣性煤層安全、綠色、高效開采以及瓦斯清潔利用一直是國內(nèi)外專家、學(xué)者的研究熱點(diǎn)，通過理論分析、數(shù)值模擬以及室內(nèi)、室外的大量試驗研究發(fā)現(xiàn)，開采保護(hù)層是高瓦斯礦井最合理的、最有效的開采方式[4-5]。但是，世界各地含煤地層復(fù)雜多變，大部分的地層并不具備開采傳統(tǒng)保護(hù)層的條件，因此保護(hù)層的合理布置依然是1 個難題。針對平煤十二礦工程地質(zhì)條件以及目前面對的諸多技術(shù)難題，在傳統(tǒng)保護(hù)層開采模式的基礎(chǔ)上，選擇近全巖作為保護(hù)層開采，并開發(fā)出1 套相適應(yīng)的井下煤矸分選系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)了高瓦斯礦井煤與瓦斯共采以及矸石充填的“采-選-抽-充-采”一體化循環(huán)開采模式，安全、高效、多層次、全方位的解決了十二礦己15 煤層開采難題。

1 工程地質(zhì)概況

十二礦三水平位于井田北部，上部緊鄰己七采區(qū)，是己七采區(qū)的延伸水平和接替采區(qū)。三水平東部以20 號勘探線東500 m 平行線與八礦為界，南以己15 煤層-650 m 頂板等高線與二水平己七采區(qū)為界，西以22 號勘探線西260 m 平行線與十礦為界，北與首山一礦相鄰。三水平整體走向長度2 250 m，傾斜寬度1 800 m，開采面積為4.05 km2，開采上限標(biāo)高約-650 m，開采下限標(biāo)高約-840 m，地面標(biāo)高+180～+400 m。主采煤層為己15 煤層，該煤層瓦斯含量高達(dá)15.26 m3/t，且透氣性低，天然平衡應(yīng)力條件下，瓦斯很難從煤層中自主溢出，并且其上覆己14煤層煤厚較薄，不具備傳統(tǒng)保護(hù)層開采的條件。

2 “采-選-抽-充-采”一體化循環(huán)開采模式

由于含煤地層復(fù)雜多變，高瓦斯低滲透煤層的開采往往不具備傳統(tǒng)保護(hù)層開采的條件，為了更好的解決此關(guān)鍵問題，研究人員提出了“采-選-抽-充-采”一體化循環(huán)開采模式[2]，井下“采選抽充采”一體化系統(tǒng)立體圖如圖1。

圖1 井下“采-選-抽-充-采”一體化系統(tǒng)立體圖Fig.1 Three-dimensional diagram of“mining, selection,drainage, filling and mining”integrated system in underground coal mine

一體化開采具體工藝為：首先，選擇僅0.5 m 厚的己14 煤層及其底部0.8 m 厚的巖層作為己15 煤的保護(hù)層，由于近全巖層開采切割難度較大，因此保護(hù)層的開采首先采用爆破預(yù)裂工藝進(jìn)而配合綜采進(jìn)行；然后，將己14 煤層工作面采出的夾矸原煤經(jīng)過合適篩孔的滾軸篩進(jìn)行篩分，篩下物與其它原煤混合運(yùn)輸升井，篩上物需經(jīng)過進(jìn)一步選煤處理，選至僅剩矸石后儲存至矸石倉。與此同時，在己14 與己15 煤層工作面內(nèi)布置順層鉆孔與穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放，實(shí)現(xiàn) 己14 與己15 煤層的煤與瓦斯高效、協(xié)同開采；最后，在己15 煤層布設(shè)充填與綜采混合工作面，并將在井下分選后儲存在矸石倉中的矸石運(yùn)輸至充填工作面采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)充填，真正達(dá)到綠色、環(huán)保、高效利用的目的。

3 近全巖保護(hù)層卸壓開采技術(shù)

3.1 近全巖保護(hù)層開采卸壓增透原理

為了安全高效的對十二礦己15 煤進(jìn)行開采，需要將其上覆近全巖層設(shè)定為保護(hù)層[6-7]，保護(hù)層開采以后，圍巖原巖應(yīng)力被打破，應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致保護(hù)層底板原有裂隙擴(kuò)展貫通，并伴有新的裂隙產(chǎn)生，底板裂隙的發(fā)育導(dǎo)致被保護(hù)煤層透氣性增加，瓦斯沿著裂隙溢出，達(dá)到了卸壓增透的目的。近全巖保護(hù)層開采卸壓增透原理如圖2。

圖2 近全巖保護(hù)層開采卸壓增透原理Fig.2 Principle of pressure relief and permeability enhancement in near whole rock protective seam mining

3.2 保護(hù)層工作面整體規(guī)劃和實(shí)施效果

礦井依據(jù)含夾矸煤層的開采思路進(jìn)行保護(hù)層開采設(shè)計，三水平己14 煤層規(guī)劃開采保護(hù)層工作面16個，己14 保護(hù)層工作面基本參數(shù)見表1。

上保護(hù)層回采后，使被保護(hù)層己15 工作面內(nèi)的瓦斯能有效釋放，頂板和煤壁的力學(xué)強(qiáng)度增加，煤層賦存狀況穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了被保護(hù)煤層快速回采，實(shí)現(xiàn)了安全、高效、精采、細(xì)收的目標(biāo)，不僅減少了采面復(fù)合頂?shù)袈?，而且?jié)省了支護(hù)材料投入，降低了商品煤灰分、提高了噸煤售價。該技術(shù)自2017 年3 月至2018年6 月在己15-31030 工作面進(jìn)行工業(yè)試驗，試驗取得成功。采出原煤79.732 9 萬t，進(jìn)行安全高效開采，通過該項目的實(shí)施，大大減少瓦斯超限和頂板事故的發(fā)生，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

表1 己14 保護(hù)層工作面基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of each working face in No.14 protective layer

4 井下大流量少煤多矸處理系統(tǒng)

根據(jù)礦井目前的生產(chǎn)系統(tǒng)和十二礦三水平的開采現(xiàn)狀，由于采用了近全巖保護(hù)層的開采方式，因此開采過程中大量煤矸混粒的運(yùn)輸以及分選問題急需解決，為了滿足井下大量矸石的運(yùn)輸需求，在三水平的東西兩翼分別布置1 條專用運(yùn)矸巷，并通過聯(lián)絡(luò)巷將2 條專用運(yùn)矸巷進(jìn)行聯(lián)通。按照井下矸石來源的實(shí)際情況，布置2 大矸石處理系統(tǒng)處理不同來源的矸石，分別為井下掘進(jìn)矸石的破碎運(yùn)輸系統(tǒng)與井下分選矸石的原煤分選系統(tǒng)。2 個系統(tǒng)處理的矸石集中運(yùn)輸至充填采煤工作面進(jìn)行充填，矸石井下處理工藝流程示意圖如圖3。

圖3 矸石井下處理工藝流程示意圖Fig.3 Engineering flow sheet of underground treatment of gangue

5 瓦斯抽放及清潔利用系統(tǒng)

5.1 瓦斯抽放系統(tǒng)布置

瓦斯抽采以己15-31010 工作面為研究對象，該工作面走向長1 041 m，傾斜長220 m，由于工作面內(nèi)巖石硬度差異較大，因此將該工作面分為內(nèi)外2 部分，以不同的工藝分區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采。外段在己14-31010 工作面布置穿層鉆孔與埋管抽采相結(jié)合的瓦斯抽采方式，在己15-31010 工作面布置順層鉆孔；里段的巖石硬度較高，常規(guī)抽采方式難以有效的抽采瓦斯，分析認(rèn)為己14-31050 工作面采空區(qū)透氣性強(qiáng)，因此在采空區(qū)選擇埋管抽采的方式，而工作面透氣性差，所以選擇穿層鉆孔預(yù)抽的方式抽采瓦斯。

5.2 抽放系統(tǒng)管路布置

根據(jù)國內(nèi)外較為先進(jìn)的瓦斯抽放系統(tǒng)布設(shè)原則，十二礦按照抽采泵站位置、開拓巷道布置、管路安裝條件等因素在井下三水平及北山地面分別設(shè)置瓦斯抽放站。其中，三水平瓦斯抽放站主要用于采空區(qū)及上隅角抽放系統(tǒng)，北山地面瓦斯抽放站主要用于穿層抽放系統(tǒng)及本煤層抽放系統(tǒng)。瓦斯抽放管路系統(tǒng)布置圖如圖4。

圖4 瓦斯抽放管路系統(tǒng)布置圖Fig.4 Layout of gas drainage pipeline system

5.3 瓦斯清潔利用

煤礦瓦斯是一種優(yōu)質(zhì)清潔能源，相當(dāng)長時間內(nèi)國內(nèi)煤礦單純的抽放瓦斯，直接排放大氣忽視了瓦斯這一寶貴資源的有效利用[8-9]。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，多渠道開辟了瓦斯利用途徑，煤礦企業(yè)逐步形成了“變害為利、以用促抽、以抽保用”的瓦斯治理新理念。

十二煤礦一直致力于瓦斯地面清潔利用方面的研究，2014 年2 月北山瓦斯發(fā)電站建成使用，發(fā)電機(jī)發(fā)電時，發(fā)電機(jī)組排煙尾氣具有較高的熱量，直接排到大氣中不僅污染環(huán)境，而且造成熱能的大量浪費(fèi)，因此選擇在每臺發(fā)電機(jī)的排煙管道上配套安裝1 臺余熱鍋爐。單臺余熱鍋爐出水量為7～8 t/d，4 臺余熱鍋爐出水量為23 t/d，高熱量的煙氣不斷對鍋爐水進(jìn)行加熱，熱水通過散熱器對洗澡水、池水和井口進(jìn)行散熱，每天運(yùn)行2～3 h 能將洗澡水池水溫加熱至46～50 ℃。這樣的循環(huán)利用，不但實(shí)現(xiàn)了瓦斯的地面清潔利用，而且經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，根據(jù)十二礦數(shù)據(jù)統(tǒng)計2020 年3 月己14-31090 工作面回采結(jié)束，僅己14-31090 這1 個工作面自回采到回收可增加瓦斯利用量573 萬m3，發(fā)電量增加862 萬kWh，可省電費(fèi)560.3 萬元。

6 固體充填與綜采混合開采系統(tǒng)

超長固體充填與傳統(tǒng)綜采混合工作面開采方法是傳統(tǒng)垮落法綜采和常規(guī)矸石充填綜采的集成與創(chuàng)新，該開采方法可形成混采面，滿足“充填”和“產(chǎn)能”雙重指標(biāo)[10-11]，具有保護(hù)環(huán)境、變廢為寶、高產(chǎn)高效的多種技術(shù)優(yōu)勢?；旌祥_采系統(tǒng)將1 個工作面分為2 部分：一部分應(yīng)用傳統(tǒng)的綜采技術(shù)工藝進(jìn)行采煤以及頂?shù)装宓墓芾?，采空區(qū)依然選擇自然垮落的方式進(jìn)行處理；另一部分定為充填段，該段采煤工藝沿用綜采工作面的回采工藝，但是采空區(qū)處理采用矸石充填，將近全巖采空區(qū)采出的存在矸石倉中的矸石以及礦井開拓時期產(chǎn)生的大量堆積矸石運(yùn)輸至充填段進(jìn)行充填處理。

己15 被保護(hù)層開采區(qū)域分東西兩翼，東翼暫規(guī)劃4 個被保護(hù)層混合開采工作面，己15 首采工作面為己15-31010 工作面，該工作面為充填和綜采混合工作面，己15 被保護(hù)層規(guī)劃工作面基本參數(shù)見表2。

1）頂板完整程度低所需的技術(shù)措施。混合工作面過渡段往往由于超前支撐壓力的作用頂板破壞嚴(yán)重，為了保證工作面的安全高效過渡，需要對頂板進(jìn)行超前支護(hù)，并且需要提高支架的初撐力，相應(yīng)還要配合錨網(wǎng)、錨索等進(jìn)行加固處理。

2）混合工作面過渡段通風(fēng)技術(shù)措施?；旌瞎ぷ髅孢^渡段通風(fēng)困難，瓦斯容易積聚超限，為了增加通風(fēng)排氣效果，將過渡支架擋矸板呈階梯形布置，這樣布置可以有效依次增加過渡段的斷面積，增加通風(fēng)量，并且還可以采用引導(dǎo)式通風(fēng)的方式，例如安設(shè)導(dǎo)風(fēng)簾布等等，使風(fēng)流按照預(yù)期的路徑流動，采用此過渡段處理工藝可以滿足混合工作面過渡段的通風(fēng)要求。

表2 己15 被保護(hù)層規(guī)劃工作面基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of each working face of VI-15 protected layer

7 效益分析

己14-31010 工作面里段累計采出煤炭3.3 萬t，外段累計采出煤炭7.6 萬t；己14-31050 保護(hù)層工作面目前已回采600 余m，累計采煤約7.18 萬t，累計產(chǎn)生矸石約34.7 萬t，被保護(hù)層己15-31010 混合工作面設(shè)計產(chǎn)煤能力達(dá)到120 萬t/a、最高單產(chǎn)達(dá)15萬t/月。

通過合理的保護(hù)層設(shè)計，被保護(hù)層己15-31010工作面開采過程中未發(fā)生煤與瓦斯突出事故，很好的保障了人身財產(chǎn)安全，并且工作面回采期間瓦斯累計抽放共計1.2 億m3，抽出的瓦斯用于發(fā)電、發(fā)熱等多種途徑，真正達(dá)到了變害為利的目的；礦井瓦斯抽采泵站綜合抽采能力達(dá)到1 000 m3/min，瓦斯地面發(fā)電能力達(dá)5.8×104kWh/d。

綜合分析統(tǒng)計，已15 煤層首采面煤炭回采產(chǎn)生6.7 億元的經(jīng)濟(jì)效益，三水平所有己15 煤回采將產(chǎn)生30.381 億元效益。

8 結(jié) 語

1）總結(jié)分析了平煤十二礦開采技術(shù)難題，摒棄了傳統(tǒng)的瓦斯礦井的開采理念，選用“采-選-抽-充-采”一體化開采模式，從根本上解決了十二礦高瓦斯、突出煤層的瓦斯防治難題，緩解了千米深井矸石堆放造成的環(huán)境壓力，實(shí)現(xiàn)了高瓦斯低滲透無常規(guī)保護(hù)層煤層的煤與瓦斯協(xié)同開采。

2）“采-選-抽-充-采”一體化開采模式在平煤十二礦的應(yīng)用產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，該項目的推廣應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)被保護(hù)煤層快速回采，也可作為國內(nèi)其他礦解決埋藏深、瓦斯壓力大的經(jīng)驗借鑒，具有較高的應(yīng)用推廣價值。