特殊煤層盾構(gòu)式“三位一體”開采方式的研究

黃 君，劉 軍

(1.山西蘭花蘆河煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

近年來，國家大力推動新能源的發(fā)展，減少一次性能源(尤其是煤炭)的開發(fā)利用，但是，從國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，煤炭仍然占我國一次能源結(jié)構(gòu)的60%左右，并在很長一段時間內(nèi)不會大幅變化[1-2]。因此，煤炭資源的安全、高效、穩(wěn)定開采和利用是我國能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

我國大部分淺層煤炭資源日趨枯竭，隨著開采深度逐漸增加，面臨的諸多問題也接踵而至，其中“三低一強”的特性導(dǎo)致采前瓦斯抽采困難，煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸災(zāi)害日趨嚴(yán)重[3]。行業(yè)內(nèi)的科研學(xué)者提出了多種解決現(xiàn)狀的技術(shù)措施，并構(gòu)想了我國煤炭行業(yè)未來的發(fā)展方向。謝和平[4]等人提出了對煤炭資源進(jìn)行流態(tài)化開采的顛覆性科學(xué)構(gòu)想，實現(xiàn)將煤炭資源的開采方式從固態(tài)到流態(tài)化的轉(zhuǎn)變[5-6]。王金華[7]、王國法[8]等提出煤炭資源的智能化開采，并引入煤炭近零生態(tài)環(huán)境影響開發(fā)利用理念。袁亮[9]等提出在傳統(tǒng)采礦基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，發(fā)展成為以安全可靠為前提的智能少人(無人)精準(zhǔn)開采的新模式、新方法。

綜上所述，對于當(dāng)前采用的保護(hù)層開采、無煤柱卸壓開采和未來煤炭采用智能化(無人化)、流態(tài)化以及精準(zhǔn)化開采方式已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。但對于有效解決松軟/薄等特殊煤層在鉆孔、采掘及支護(hù)過程中出現(xiàn)施工難度大等問題的研究仍較少，現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)和理念在特殊煤層的運用和研究仍不太理想。

本文從理論的角度上分析了特殊煤層施工難度大等問題的成因。結(jié)合現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)與未來的開采理念，提出采用盾構(gòu)式開采方式，建立了在保壓條件下進(jìn)行智能化監(jiān)控檢測、無人化盾構(gòu)掘進(jìn)以及流態(tài)化管道輸運的開采系統(tǒng)，為安全高效開采松軟/薄等特殊煤層提供理論依據(jù)。

1 特殊煤層開采現(xiàn)狀

我國松軟/薄等特殊煤層在鉆孔、采掘及支護(hù)過程中出現(xiàn)施工難度大等問題，為此，諸多科研學(xué)者開展大量的理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等工作。

1.1 薄煤層開采現(xiàn)狀

相對于容易開采的中厚煤層而言，中國薄煤層分布地域廣泛，其整體可采儲量高達(dá)6.0 t×109t，占據(jù)我國煤炭可采總量的20%左右。但薄煤層的回采率僅為10%，主要是由于薄煤層賦存條件差、人員無法直立行走、勞動強度大，全面實現(xiàn)機械化開采較為困難，從而使得生產(chǎn)效率低下，整體開采成本較高。

隨著中厚煤層的開采殆盡，薄煤層的儲量在大多數(shù)重點煤礦占據(jù)的比重逐漸增加，甚至高達(dá)85%以上。因此煤礦如何提高薄煤層的回采率和生產(chǎn)效率成為亟待解決的重要問題。

1.2 松軟煤層開采現(xiàn)狀

隨著開采深度的增加，高瓦斯、煤層破碎、穩(wěn)定性差為松軟煤層的主要特征，其可采儲量占據(jù)我國的60%～80%。因此，松軟煤層的安全、高效開采是我國煤炭行業(yè)平穩(wěn)發(fā)展的重要保障。

瓦斯抽采鉆孔施工過程中，由于煤質(zhì)松軟導(dǎo)致鉆孔變形量大，在地應(yīng)力、瓦斯壓力等因素作用下，使得鉆孔噴孔、塌孔、卡鉆等現(xiàn)象時常發(fā)生，對井下工作人員的生命安全構(gòu)成挑戰(zhàn)。

1.3 鉆孔塌孔成因分析

防止瓦斯異常涌出與鉆孔塌孔等現(xiàn)象的發(fā)生，避免開采難度的增加，未施工鉆孔之前，上覆巖層的載荷并沒有發(fā)生變化，煤基質(zhì)和內(nèi)部瓦斯壓力共同承擔(dān)載荷壓力，并維持平衡狀態(tài)。隨著鉆孔施工的進(jìn)行，平衡狀態(tài)被打破，上覆巖層自身結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性難以支撐其載荷而發(fā)生失穩(wěn)等現(xiàn)象。同時，由于鉆孔施工上方巖層應(yīng)力的遷移，使得周圍煤體所受應(yīng)力增加，煤基質(zhì)發(fā)生壓縮變形、自身煤體強度降低，瓦斯壓力增加，在瓦斯的推動下，發(fā)生鉆孔塌孔、噴孔等現(xiàn)象。

為防止類似現(xiàn)象的發(fā)生，在采煤過程中，保持帶壓掘進(jìn)，通過增加輔助壓力替換由煤基質(zhì)和內(nèi)部瓦斯共同承擔(dān)的載荷壓力，輔助壓力和上覆巖層的結(jié)構(gòu)強度共同維持上覆載荷，防止鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生；同時，由于輔助壓力的作用，減小了采煤上方煤巖體應(yīng)力向周圍的轉(zhuǎn)移，避免周圍煤體壓縮變形導(dǎo)致自身強度的降低和瓦斯壓力的增加。

綜上可知，為了防止瓦斯異常涌出和鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，在采煤過程中，應(yīng)將作業(yè)空間進(jìn)行密閉、增壓，實現(xiàn)帶壓工作。但是，對于當(dāng)前傳統(tǒng)的開采方法和技術(shù)手段而言還無法實現(xiàn)。為此，提出了采用盾構(gòu)式開采方式，以實現(xiàn)在保壓條件下進(jìn)行智能化監(jiān)控檢測、無人化盾構(gòu)掘進(jìn)以及流態(tài)化管道輸運的開采。

2 盾構(gòu)式開采裝備及工程應(yīng)用

2.1 盾構(gòu)式開采裝備的構(gòu)成

通過分析和總結(jié)前人對當(dāng)前開采方式的優(yōu)化和未來發(fā)展趨勢的展望，提出盾構(gòu)式開采方式進(jìn)行煤炭資源的開采利用，最終形成智能化(無人化)、精準(zhǔn)化、流態(tài)化三位一體的綜合開采方式。盾構(gòu)式開采裝備作為該開采方式的核心，主要包括盾構(gòu)機、監(jiān)測監(jiān)控裝置、增壓艙室、調(diào)壓艙室以及與之連通的管路、封孔材料，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)機及其附屬裝置

其中，構(gòu)成盾構(gòu)式開采裝備組件的功能和用途如下：

1) 盾構(gòu)機：通過驅(qū)動刀盤裝置和推進(jìn)油缸，不斷將前方的煤體進(jìn)行破碎，并通過輸煤管道將其輸送至地面。

2) 監(jiān)測監(jiān)控裝置：用于實時監(jiān)測盾構(gòu)機周圍的瓦斯?jié)舛?、壓力等?shù)據(jù)，并將其傳輸至井上；同時，配置有煤巖識別系統(tǒng)和糾偏系統(tǒng)，以確保煤炭開采效率。

3) 增壓艙室：保證盾構(gòu)式開采裝備始終保持在高壓條件下，當(dāng)密閉空間的壓力大于瓦斯壓力，有效抑制周圍煤層中瓦斯的擴散，從而防止瓦斯噴出(突出)現(xiàn)象的發(fā)生；同時密閉空間具有較高的壓力條件，可以在一定程度上支撐上覆巖體的壓力，減少由于采動影響引起的塌孔。

4) 調(diào)壓艙室：在開采工作結(jié)束后，為方便盾構(gòu)式開采裝備的回收，通過調(diào)壓管路將密閉空間與外界連通，安全地釋放密閉空間內(nèi)的壓力；當(dāng)采掘至斷層、褶曲軸部等瓦斯積聚的構(gòu)造處，檢測監(jiān)控裝置顯示密閉空間內(nèi)的瓦斯?jié)舛?、壓力突然增加，利用調(diào)壓艙室將突出的瓦斯排出密閉空間，以確保密閉空間的穩(wěn)定。

5) 封孔材料：利用聚氨酯/水泥砂漿等材料，在鉆孔前段附近進(jìn)行封孔作業(yè)，以確保密閉空間具有高壓環(huán)境，是實現(xiàn)保壓條件下盾構(gòu)式開采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2 盾構(gòu)式開采方式的工程應(yīng)用

相比傳統(tǒng)的開采方式，采用盾構(gòu)式開采有其特有的優(yōu)勢——將現(xiàn)有開采方式與智能化開采理念有機結(jié)合。在現(xiàn)有的開采條件下，根據(jù)煤層賦存狀況，實現(xiàn)盾構(gòu)式開采方式在現(xiàn)場工程應(yīng)用，并將其分為井下開采和地面開采兩種開采方式。其中井下開采主要應(yīng)用于埋藏較深的煤層群開采，地面開采主要應(yīng)用于埋藏較淺/單煤層的開采。

2.2.1 盾構(gòu)式開采方式與傳統(tǒng)開采方式的對比

目前，隨著開采深度的增加，“三低一強”——低壓力、低滲透率、低飽和度及非均質(zhì)性強的特性明顯，導(dǎo)致高瓦斯/突出礦井的數(shù)量和比重迅速增大。瓦斯的有效抽采成為煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，而抽采系統(tǒng)的布置無疑增加了煤炭的生產(chǎn)成本。同時，在煤炭的采掘過程中，為了保證井下工作人員的安全生產(chǎn)，提供足量的新鮮風(fēng)流，增大了通風(fēng)系統(tǒng)的壓力；懸浮在空氣中的粉塵時刻威脅著工作人員的身體健康，增加了患有塵/硅肺病等職業(yè)病的風(fēng)險。與傳統(tǒng)開采方式相比，采用盾構(gòu)式開采方式可以省去防止瓦斯噴出/突出而建立的抽采系統(tǒng)，極大降低了煤炭的生產(chǎn)成本；同時，由于掘進(jìn)過程在密閉的空間內(nèi)，避免了因采掘引起的粉塵增加、瓦斯涌出，減小了通風(fēng)系統(tǒng)的供風(fēng)壓力和職業(yè)病的威脅。

對于松軟/薄等特殊煤層而言，傳統(tǒng)開采方式除了存在上述采掘過程中的問題，在鉆孔和支護(hù)過程中也存在施工難度大等問題。在鉆孔和支護(hù)過程中，由于松軟煤層高瓦斯、煤層破碎、穩(wěn)定性差的特征，時常出現(xiàn)噴孔、塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，使得施工難度增加，通過采取一定的技術(shù)措施和裝備支持后，增加了生產(chǎn)成本。同時，由于薄煤層賦存條件差、人員無法直立行走、勞動強度大，全面實現(xiàn)機械化開采較為困難，影響了采煤效率。采用盾構(gòu)式開采方式，減少鉆孔數(shù)量和勞動強度，避免人員進(jìn)入工作面，實現(xiàn)工作面無人化(智能化)。這樣，在工作面的密閉空間內(nèi)，較高的壓力支撐上覆煤巖體和煤體內(nèi)瓦斯，防止了噴孔、塌孔、卡鉆現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2.2 井下盾構(gòu)式開采

煤層群的開采過程中，由于松軟/薄等特殊煤層的開采難度大、開采成本高等因素的限制，對特殊煤層的開采利用率仍較低。傳統(tǒng)的開采方式一般通過保護(hù)層開采等卸壓手段，來確保主采煤層的安全生產(chǎn)。井下盾構(gòu)式開采是利用盾構(gòu)機及附屬裝置從主采煤層的巖巷向目標(biāo)煤層(松軟/薄等特殊煤層)鉆進(jìn)，并通過輸送管路將煤-瓦斯-水混合物經(jīng)巖巷輸送至地面，如圖2所示。井下盾構(gòu)式開采方式是傳統(tǒng)開采方式與未來開采理念的結(jié)合體，將現(xiàn)有的煤/巖巷道和通風(fēng)系統(tǒng)充分再利用，不影響現(xiàn)有的開采進(jìn)度的同時，利用先進(jìn)的盾構(gòu)技術(shù)、監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)、煤巖識別技術(shù)等裝置，實現(xiàn)智能化(無人化)、精準(zhǔn)化、流態(tài)化開采。

圖2 井下盾構(gòu)式開采方式

其中，井下盾構(gòu)式開采方式主要分為3個階段，分別為：

1) 準(zhǔn)備階段：在主采煤層的巖巷內(nèi)尋找合適的掘進(jìn)位置，盾構(gòu)機在巖體內(nèi)朝特殊煤層方向鉆進(jìn)。為防止在揭煤過程中出現(xiàn)瓦斯噴出/突出，當(dāng)鉆進(jìn)至特殊煤層的安全距離附近時，利用聚氨酯/水泥砂漿等封孔材料進(jìn)行封孔工作。待封孔材料凝固后，盾構(gòu)機及附屬裝置處于一個密閉空間內(nèi)，通過增加艙室和增壓管路向密閉空間增壓。盾構(gòu)機在高壓的密閉空間內(nèi)繼續(xù)向特殊煤層方向掘進(jìn)，直至進(jìn)入煤體。

2) 采煤階段：當(dāng)盾構(gòu)機進(jìn)入煤體后，利用煤矸識別系統(tǒng)和糾偏系統(tǒng)進(jìn)行采煤軌跡的實時調(diào)控，以確保采煤工作的有效性。在采煤過程中，當(dāng)檢測監(jiān)控裝置中顯示密閉空間內(nèi)的瓦斯?jié)舛?、壓力突然增加，則表明采至“瓦斯包”等瓦斯積聚的構(gòu)造處，需要利用調(diào)壓艙室將涌出的瓦斯排出密閉空間，以確保密閉空間的穩(wěn)定。

3) 后處理階段：采煤工作結(jié)束后，將盾構(gòu)機及其附屬裝置撤至封孔位置，利用調(diào)壓艙室和調(diào)壓管路降低密閉空間的壓力與外界巷道壓力一致，并將其完全撤出。重新封孔作業(yè)并留有抽采管路，該采空區(qū)為鄰近煤層提供卸壓條件，利用抽采管路對涌入采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行抽采工作。

2.2.3 地面盾構(gòu)式開采

相對于煤層群開采，當(dāng)松軟/薄等特殊煤層為單煤層開采時，則采用地面盾構(gòu)式開采方式。利用盾構(gòu)機及附屬裝置在地面進(jìn)行鉆孔作業(yè)，并通過輸送管路將煤-瓦斯-水混合物輸送至地面煤-瓦斯-水分離裝置，實現(xiàn)煤、瓦斯、水三者的分離，見圖3。

圖3 地面盾構(gòu)式開采方式

與井下盾構(gòu)式開采方式相比，地面盾構(gòu)式開采在3個階段的差異為：地面盾構(gòu)式開采方式在準(zhǔn)備階段，是在地面尋找合適的掘進(jìn)位置，盾構(gòu)機從地面朝著特殊煤層方向鉆進(jìn)；在采煤階段，與之相同；在后處理階段，由于特殊煤層為單煤層開采，周圍無鄰近煤層，只需利用抽采管路對采空區(qū)周圍因卸壓而釋放的瓦斯進(jìn)行抽采即可。

3 結(jié) 語

1) 分析了當(dāng)前松軟/薄等特殊煤層在鉆孔、采掘及支護(hù)過程中出現(xiàn)施工難度大的開采現(xiàn)狀以及將其充分利用的必要性。

2) 提出了在保壓條件下進(jìn)行智能化監(jiān)控檢測、無人化盾構(gòu)掘進(jìn)以及流態(tài)化管道輸運的盾構(gòu)式開采系統(tǒng)。

3) 根據(jù)煤層的賦存條件，將盾構(gòu)式開采分為井下盾構(gòu)式開采和地面盾構(gòu)式開采，并闡明了盾構(gòu)式開采3個階段的操作流程。