淮南矿区现代采矿关键技术_袁亮

1月

煤󰀁󰀁炭󰀁󰀁学󰀁󰀁报JOURNALOFCHINACOALSOCIETY

Vo.l32󰀁No.1󰀁Jan.󰀁

2007󰀁

󰀁󰀁文章编号:0253-9993(2007)01-0008-05

淮南矿区现代采矿关键技术

袁󰀁亮

(淮南矿业集团,安徽淮南󰀁232001)

摘󰀁要:为实现高瓦斯矿井安全高效开采,根据淮南矿区的实际情况,研究了高瓦斯煤层群煤与瓦斯共采技术及通风方式、开采程序技术原则、安全高效采煤技术,探索实践了瓦斯综合利用、环境治理、矿井降温技术等绿色开采技术.确定了关键技术参数,全面考察了现场应用效果.根据研究结果,确立了现代采矿的基本内涵.

关键词:淮南矿区;现代采矿;本质安全;煤与瓦斯共采;绿色开采

KeytechnologyformodernmininginHuainancoalarea

YUANLiang

(HuainanMining(Group)Co.Ltd.,Huainan󰀁232001,China)

Abstract:Forthesakeofsafeandhighlyefficientminingingas󰀁richmines,bytakingthesituationsofHuainancollieriesintoconsideration,analyzedcoalandgassimultaneousextractiontechnology,correspondingventilationmethods,miningproceduresandtechnologicalprinciples,andsafeandhighlyefficientcoalminingtechnologytobeappliedingas󰀁richseamgroupminingpractices.Inaddition,researcheswerealsoconductedonsuchgreenminingtechnologyasconcernedwithcomprehensivegasutilization,environmenttreatmentandprotection,andminetem󰀁peraturereduction,andtheresultsoftheabove󰀁mentionedresearcheswereappliedinminingpractices.Parametersforalltheabove󰀁mentionedtechniquesweredeterminedwithcomprehensiveapplicationresultsexamined.way,theconceptofmodernminingwasdefined.Keywords:Huainancoalarea;modernmining;mining

󰀁󰀁淮南矿区为中国高瓦斯矿区的典型代表,煤炭储量500亿,t瓦斯资源量5928亿m.煤层瓦斯含量高(12~26m/t)、埋藏深(-300~-1500m)、表土层厚(200~600m)、极松软(硬度系数f=0󰀁2~0󰀁8)、透气性低(透气性系数󰀁=0󰀁0011m/(MPa󰀁d))、瓦斯压力大(最大瓦斯压力为6MPa).10对生产矿井全部为高瓦斯矿井,瓦斯涌出量达820m/min.矿区地质构造复杂,探明落差3m以上断层2970条.矿区开采煤层8~15层,多组高瓦斯煤层群开采.煤层围岩表现为高应力软岩,水平应力为垂直应力的1󰀁1~1󰀁5倍,Ⅳ,Ⅴ类极易破碎型顶板占80%以上,巷道支护困难,地温问题突显.

高瓦斯复杂地质条件矿区,由于瓦斯治理技术没有突破,现代采矿理论与技术尚未建立,百万吨死亡率居高不下,采掘机械化程度及生产效率低下.淮南矿区煤炭年产量长期徘徊在1000万.t

收稿日期:2006-11-15󰀁󰀁责任编辑:毕永华

󰀁󰀁作者简介:袁󰀁亮(1960-),男,安徽金寨人,教授级高级工程师,博士生导师.Te:l0554-7625569,E-mai:lHn-yuliang@263󰀁net

3

2

2

3

3

Inthis

intrinsicsafety;coalandgassimultaneousextraction;green

第1期袁󰀁亮:淮南矿区现代采矿关键技术

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1󰀁煤与瓦斯共采技术

煤矿瓦斯问题是由于采矿活动而引起的,因此,瓦斯治理必须融入到采矿活动的全过程,把开采方法、开采顺序、矿山开采岩层移动规律、卸压瓦斯流动规律与瓦斯抽采方法相结合,实现煤与瓦斯共[1]采.

1󰀁1󰀁首采卸压层的确定

淮南矿区可采煤层9~18层,根据层间距的大小自下而上分为A,B,C,D,E五组,可采煤层总厚度22~34m,煤层特征见表1.科学合理地确定首采卸压煤层是实现煤与瓦斯共采的关键.

1󰀁1󰀁1󰀁本质安全的原则

煤层群开采时应首先选择瓦斯含量较小、突出危险性较低的煤层作为首采卸压层,确保现有的瓦斯治理技术能够满足首采卸压层的瓦斯治理需求,实现首采卸压层本质安全开采.淮南矿区选择开采11-2煤层上向卸压13-1煤层,选择开采B8煤层下向卸压B6煤层,选择开采B10煤层上向卸压B11b煤层,选择开采C15煤层下向卸压C13煤层等都获得了成功

[2,3]

表1󰀁淮南矿区煤层特征

Table1󰀁

煤层组

煤层

D组

C15

C组

C14C13C12B11bB11aB10B9bB9aB8

B组

B7B6B5bB5aB4bB4aA3

A组

A2A1

0󰀁80󰀁76󰀁00󰀁53󰀁21󰀁31󰀁11󰀁81󰀁13󰀁73󰀁61󰀁60󰀁40󰀁41󰀁71󰀁42󰀁80󰀁41󰀁7

1~215~200󰀁5~2󰀁055~700~1󰀁520~3025~451~51~2010~200~920~300󰀁5~1󰀁53~50~255~653~63~4

1

4󰀁5

87-16-26-15-25-14-24-13

3󰀁02󰀁01󰀁01󰀁01󰀁51󰀁21󰀁43󰀁55󰀁0

2~817~290~56~231~74~120~773~851~250~102

13-11211-2

4󰀁00󰀁52󰀁0

1~740~7970~112

厚度/m层间距/m

煤层16-216-1

厚度/m层间距/m0󰀁70󰀁5

1~12

CharactersofcoalseamsinHuainancoalarea

淮南矿区

淮南潘谢矿区

.

首采卸压层瓦斯治理的核心技术是顶板钻

孔或巷道法抽采瓦斯技术,其技术关键是确定瓦斯富集区.理论研究、数值模拟和现场探测结果证实,在淮南矿区煤层和顶板条件下,采场瓦斯富集区位于煤层顶板垂直向上8~25m,回风巷向下0~30m的环形裂隙圈内.顶板钻孔或巷道的布置必须位于开采煤层顶板瓦斯富集区,抽采动力和管路要满足抽采流量的要求.

1󰀁1󰀁2󰀁循环卸压的原则

[4~6]

采动卸压是提高煤层透气性的根本性措施.淮南矿区13-1(C13)煤层为瓦斯含量大的厚煤层,为提高其透气性,选择开采其下部70m的11-2煤层上向卸压,在11-2煤层缺失的区块,开采下部150m的B8煤层上向卸压,均获得了良好的效果,形成了开采间距70~150m煤层远距离上向卸压煤与瓦斯共采技术.其中,在层间距70m,相对层间距(层间距与开采煤层采高之比)35倍条件下,开采11-2煤层上向卸压,13-1煤层透气性增大2880倍.

下向卸压的影响范围较小,当层间距较大时,需要多重开采上部煤层循环卸压才能使被卸压的煤层得到充分卸压.淮南矿区B组煤层中的B4煤层瓦斯含量最大,通过多重开采,其上部的B9,B8,B7,B6煤层循环下向卸压,B4煤层的瓦斯压力由4󰀁0MPa降低为0󰀁2MPa,煤层透气性增大数百倍.

1󰀁1󰀁3󰀁资源回收最大化的原则

选择薄煤层作为首采卸压层能够提高煤炭资源的回收率,淮南矿区通过地质勘察全面探清了薄煤层的赋存状况,凡是厚度达到0󰀁7m的可采煤层都作为首采卸压层,矿区平均采区采出率达82%.[3]

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煤󰀁󰀁炭󰀁󰀁学󰀁󰀁报

2007年第32卷

1󰀁2󰀁地面井下立体抽采瓦斯

井下抽采瓦斯必须根据瓦斯源的不同,布置不同类型的抽采钻孔或巷道.钻孔分为穿层钻孔、顺层钻孔、采空区钻孔等,抽采巷道分为高位抽采巷道、底板抽采巷道、尾抽巷等.煤层在采取卸压增透措施之后,存在一个卸压瓦斯流动活跃期率.

[3]

,在卸压瓦斯流动活跃期尽可能加大抽采力度,提高煤层瓦斯抽采

在采动卸压影响区域,可布置地面钻井抽采采动影响区域煤层瓦斯.淮南矿区试验应用了11口地面钻井,根据现场考察,在采动影响区域,地面钻井单井抽采瓦斯量最高达22190m/d,抽采瓦斯浓度达到95%,单井抽采半径达235m.1󰀁3󰀁本质安全通风技术

高瓦斯采煤工作面采用沿空留巷󰀁两进一回󰀁Y型通风技术,能够从根本上解决工作面上隅角和作业空间的瓦斯问题,减少采空区向工作面散热.这种无煤柱开采技术能够最大限度减少煤炭损失,扩大采动卸压影响范围.

采空区沿空留巷的技术关键是充填体的强度和充填材料的远程输送.一种新型的材料是混凝土膏体充填材料,其中粉煤灰用量占充填材料体积总干重的30%左右.根据现场实测,充填后1d的抗压强度值为3MPa,28d后为14MPa,材料不易风化,确保了留巷安全和长期稳定.淮南矿区采用混凝土泵远程输送的距离一般大于400m,最远可达1200m.

3

2󰀁安全高效开采集成技术

2󰀁1󰀁深厚表土层凿井技术

特厚表土层冻土的强度随围压的变化明显可分为3个区:冻土强度在第1区随围压的增大,强度随之增大;在第2区随着围压的继续增大,强度随之降低;在第3区,冻土强度随着围压的再次增大,强度又随之增加.冻结壁厚度与其水平位移量成反比,最大冻结壁水平位移位于开挖段高的1/3处.

钢筋钢纤维高强混凝土井壁具有很高的承载力.如将目前井壁中使用的混凝土强度等级从C40~C50提高到C70,则井壁的承载力可大大提高,可以合理地解决500~700m特厚表土层中煤矿井筒的支护难题.对于深厚特殊沉降地层,可采用一种冻结井竖向可缩性井壁接头形式,当作用在井壁上的竖向附加力达到一定值时,可缩性井壁接头便产生压缩变形,使积聚在井壁内的竖向应力得以释放,从而可防止井壁破坏.

特厚表土层冻结法凿井可采用3圈孔冻结方案,中圈孔为主冻结孔,内圈孔为辅助孔、长短腿差异冻结,外圈孔为辅助孔,全深冻结能够保证冻结壁的强度和厚度.实践证明,对于淮南矿区特厚表土层(400m以上)井帮温度应控制在-8󰀁0󰀁以下,每百米井筒深度的井帮温度下降梯度为1󰀁5~3󰀁0󰀁,冻结壁的井帮温度较低,冻结壁的强度高,方可控制冻结壁变形,确保外壁施工质量.

在现场施工过程中,应测量特厚表土层的冻结压力、井壁内力和冻结壁温度,实现信息化施工,为井筒顺利通过特厚表土层提供决策依据.淮南矿区实现穿越最深表土层530m,最深冻结深度565m,特厚表土层综合成井每月80m.2󰀁2󰀁围岩控制与支护技术

煤矿典型冒顶现象主要表现为松脱型垮冒和挤压型垮冒.对于极易离层破碎型围岩,有效的支护方法如图1所示,以巷道肩角稳定区域岩石作为内锚固支撑点,通过桁架连接装置将两根钢绞线对拉,形成可靠的护顶结构,控制顶板的离层,防止顶板加固区整体垮冒.在实践过程中,锚杆的预拉力为50~150kN,通过机械张拉实现高预拉力,形成了不同类别煤巷的合理支护技术方案和参数,分别应用于厚层松散煤层顶板的巷道(f值仅为图1󰀁顶板离层控制原理

Fig󰀁1󰀁Principleoftheroofseparatecontrol

[7,8]

第1期袁󰀁亮:淮南矿区现代采矿关键技术

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0󰀁51,顶煤厚度2~5m)、极软散煤层沿空掘巷(f值仅为0󰀁21)、大断面双沿空掘巷、厚层复合顶板(厚度6~8m)松散煤层综放煤巷,从而解决了极易离层破碎型顶板(Ⅳ,Ⅴ类)煤巷支护难题.

对于高应力极软岩巷道围岩,可采用锚注一体化、锚封一体化技术

[9,10]

.根据现场考察,在注浆锚杆

1󰀁8m的条件下,锚注在巷道围岩0󰀁5~1󰀁5m深处,能够形成扩散半径约1m的注浆加固圈,从而有效控制高应力极软岩巷道围岩的损伤和变形.2󰀁3󰀁大功率自动化高可靠性机械化采煤技术

为了提高综采工作面生产能力,实现矿井高产高效,厚度5󰀁0m以下的󰀁三软󰀁厚煤层可采用一次采全高综合机械化开采技术.采煤工作面配备适应󰀁三软󰀁特点的综采成套设备,选用高工作阻力液压支架、大功率电牵引采煤机,运输设备亦配套大功率、大运量、高强度设备.工作面巷道辅助运输采用连续牵引绞车可实现长距离快速直达运输,从而减少工作面接替时间,提高工作面效率.由于采煤工作面配备标准高、设备能力大、设备故障率低,从而有效地保证了工作面单产和效率的大幅度提高.淮南矿区实现了采高4󰀁5m󰀁三软󰀁厚煤层采煤工作面年产原煤363万.t2󰀁4󰀁地质保障技术

淮南矿区广泛开展了二维地震、高分辨率三维地震勘探技术,探测面积达到145km,并利用无线电坑透技术对回采煤层的中小断层及裂缝发育带进行精确预测,成功实现了查清落差3m以上的断层,为瓦斯治理和采掘生产提供了可靠的技术保障.

2󰀁5󰀁信息化技术

矿井信息化建设将改变传统的行政结构和管理模式,通常分为两个层次:上层管理系统直接与矿区信息网接口;下层综合自动化系统可实现矿井安全、生产扁平化调度指挥,通过覆盖全矿的高速可靠的工业以太环网,把矿井的各个子系统全部接入到此网络中,网络的中心站设在全矿统一的生产和安全调度中心.再配以完善的矿井工业电视监视画面,可做到地面和井下的各个子系统(除地面副井绞车房和井下掘进头等必须要求现场操作外)均能在调度中心进行集中控制和监视,逐步做到现场无人值守,仅有巡检工进行统一巡视.通过此系统能够在调度中心收集到全矿的生产和安全参数,建立统一的数据库,用来指导生产和对灾害进行预测预防.

淮南矿区已规划并逐步完善矿区信息网,实现集团公司内全方位的语音、数字、图像双向传输.在逐步实现和完善矿井各子系统自动化的同时,统一规划建立矿区、矿井二级信息平台,建设数字化矿山,实现设备现代化、系统自动化、管理信息化.

2

3󰀁绿色开采技术

3󰀁1󰀁瓦斯综合利用技术

瓦斯利用的主导技术是民用燃气、瓦斯发电和瓦斯锅炉.淮南矿区民用燃气的储配能力达到20万m,改造瓦斯锅炉6台,瓦斯发电装机规模24232kW.利用低浓度瓦斯细水雾输送技术可实现低浓度瓦斯发电,淮南矿区间成立低浓度瓦斯发电机组,利用的瓦斯浓度为7%以上,额定功率500kW的瓦斯发电机组运行功率可达到450kW以上.3󰀁2󰀁矿井降温技术

除通风散热和控制外部热源措施外,矿井降温的有效措施是建立集中降温系统和使用局部制冷装置,淮南矿区应用了单套制冷量1200kW的移动式大气降温机组,工作面干球温度最大降幅5󰀁2󰀁,湿球最大降幅5󰀁18󰀁,湿度最大降幅10%,感觉温度最大降幅8󰀁7󰀁,工作面中部温度降温2󰀁6󰀁,湿球温度下降3󰀁42󰀁,湿度下降7%,工作面中部感觉温度下降5󰀁,工作面温度环境得到明显改善.

瓦斯发电余热制冷是矿井降温的先进技术,淮南矿区正在建设一座6000kW瓦斯发电余热制冷装置.3󰀁3󰀁环境治理与修护

主要措施是不建矸石山,利用煤矸石发电,利用粉煤灰、煤矸石生产建材.矿井水重复利用,选煤厂3

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2007年第32卷

煤泥水闭路循环,实现污水零排放.塌陷区土地实现城乡统筹综合治理,恢复生态环境.

淮南矿区已实现矿井水处理利用率达80%,煤矸石发电建设装机总规模141万kW.利用煤矸石制砖已建成4󰀁3亿块/a的全矸石砖生产线.采煤沉陷区初步建成了生态环境综合整治示范区和循环经济型生态矿区.对煤矿塌陷区域进行土地整治和开发.

4󰀁结󰀁󰀁语

高瓦斯矿井现代采矿的基本内涵是本质安全、高效集成和绿色开采.1998年以来,淮南矿区推广应用高瓦斯矿井现代采矿技术,获得了显著的经济效益和社会效益,2005年与1997年对比:同样是10对矿井,瓦斯抽采量由1000万m增加到1󰀁5亿m;煤炭产量由1000万t增加到3000万;t综采工作面最高年产60万t增加到363万,t瓦斯抽采率由5%提高到70%;控制了重特大瓦斯爆炸事故的发生,百万t死亡率由4󰀁01人降低到0󰀁5人.

随着矿井进入深部开采,瓦斯、地压、地温等重大技术问题日益严重,特别是防治煤与瓦斯突出技术成为高瓦斯矿区的重大技术难题.因此,应继续全面系统研究现代采矿技术,实现矿井安全、高效、绿色开采.参考文献:

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1~4.

2004,24

2003,31(11):

2004.

2004,33

3

3

2006,31(2):174~178.

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2004,23(z2):4790~4794.

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