大同矿区综采40a开采技术研究.pdf

摇 第 35 卷第 11 期煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报Vol. 35摇 No. 11摇 摇 2010 年11 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYNov. 摇2010摇 摇 摇 文章编号0253-9993201011-1772-06 大同矿区综采 40 a 开采技术研究 于摇 斌 大同煤矿集团有限责任公司,山西 大同摇 037003 摘摇 要简要介绍了大同矿区 40 a 来在坚硬顶板、坚硬煤层赋存条件下综采开采的顶板控制技术、 开采工艺及瓦斯防治与煤层自燃的综合防治技术等方面的主要成就。 针对煤炭资源越来越少的现 状,对大同矿区今后几年的发展方向进行了展望。 指出了应在 1郾 2 m 以下薄煤层及20 m 以上厚煤 层的开采技术、适宜残采矿井及新整合矿井实际情况的综采技术等方面取得突破,从而保障企业可 持续发展。 关键词大同矿区;综采;坚硬顶板;瓦斯治理 中图分类号TD823郾 97摇 摇 摇 文献标志码A 收稿日期2010-07-10摇 摇 责任编辑柴海涛 摇 摇 作者简介于摇 斌1962,男,黑龙江海伦人,教授级高级工程师。 Tel0352-7868878,E-mailyubin0352163. com Study on fully mechanized coal mining technology in passed 40 years in Datong mining area YU Bin Datong Coal Mine Group Co. ,Ltd. ,Datong摇 037003,China AbstractBriefly introduced the main achievements of the roof control technology,mining technique and the gas pre鄄 vention and control as well as the seam spontaneous combustion comprehensive prevention and control technology for the fully mechanized coal mining under the hard roof and hard seam deposit conditions in Datong mining area in the passed 40 years. According to the present status of the coal resources getting less and less,looked ahead on the devel鄄 opment orientation of the near several coming years in Datong mining area. Pointed out that the breakthrough should be achieved at the mining technology for the seam thickness below 1. 2 m and above 20 m,and the fully mechanized coal mining technology suitable for the coal mine with residual coal resources and the new integrated coal mine in order to ensure the sustainable development of the enterprise. Key wordsDatong mining area;fully mechanized coal mining technology;hard roof;gas control 1摇 概摇 摇 况 大同矿区赋存的煤层为侏罗纪和石炭二叠纪双 纪煤层,储量丰富,地质构造较简单,大部分都是近水 平煤层,埋藏浅,非常适合大规模的开采。 但两纪煤 层的条件又有较大的区别,侏罗纪煤层具有“两硬一 多冶的特点,“两硬冶 即煤层硬煤质坚硬,f 3郾 0 4郾 5、顶底板岩层硬多为整体性强的厚砂岩、砾岩, 层理节理均不发育,性质坚硬,f逸8、“一多冶即煤层 层数多且多为近距离煤层、分组分叉合并多,煤层 切割难度大,顶板难以维护[1];石炭二叠纪煤层厚度 大最大达 29 m、煤层结构复杂夹矸层数多、厚度 大,大多受火成岩侵入影响顶板及煤层变化大, 致使开采难度极大。 受赋存条件的影响,其煤层开采 时的瓦斯涌出和煤层自然发火等规律和其它矿区也 有很大的差别,给煤矿安全生产带来了很大困难。 自 1970 年 11 月我国第一套综采设备在大同煤 峪口煤矿 9 号煤层 8710 工作面试验开采以来,大同 矿区的综采技术已经走过了 40 a 的历程。 这些年 来,大同煤矿集团有限责任公司原大同矿务局和 第 11 期于摇 斌大同矿区综采 40 a 开采技术研究 国内外高等院校、科研院所合作进行攻关,形成了大 同侏罗纪“两硬冶特色的薄、中、厚系列综采和石炭纪 特厚煤层综放开采的专有技术,综采工作面最高单产 从 20 世纪 70 年代的 2 万 t/ 月提高到了 2009 年的塔 山综放工作面的 131郾 200 8 万 t/ 月,使企业经济效益 和社会效益大幅提高[2-5]。 2摇 大同矿区综采技术发展的主要成就 围绕大同矿区侏罗纪煤层的特点,在技术上取得 了应用“三强冶强制放顶、强力支架、强力采煤机对 “两硬冶坚硬顶板、坚硬煤层、近距煤层采空区均压 防灭火和顶煤弱化等许多重大技术突破,并通过进行 合理巷道布置,最大程度避开煤柱集中应力的影响, 优化开采工艺等解决了长期束缚生产发展,威胁安全 生产的顶板硬、煤层硬和近距煤层数目多的难题。 而 在石炭纪则主要以应用现代化综放技术,利用大功 率、大直径采煤机割煤,强阻力的液压支架支护顶板 并使顶煤及夹矸有效的破坏,取得了高效、高资源采 出率安全开采。 2郾 1摇 大同侏罗纪一次采全高综采技术 2郾 1郾 1摇 坚硬顶板中厚煤层条件下综合机械化开采的 顶板控制技术 大同矿区侏罗纪煤层的顶板岩石的抗压强度一 般为 80 180 MPa,呈整体性强、分层厚度大、致密、 裂隙节理少[6]。 由于坚硬顶板在采空后不能及时冒 落,经常形成大面积悬顶,当采空面积达一定范围超 过极限值时就会发生大面积冒落,造成剧烈的动力现 象,对支护设备产生损坏,而且把已采空间的空气瞬 时压迫排出,形成巨大的暴风,破坏力极强。 图 1 为 坚硬顶板来压时损坏的液压支架。 坚硬顶板的控制 技术是大同煤矿综采开采方法的心脏,它直接关系到 采场安全状况、资源回收和企业的经济效益。 在 20 世纪 70 年代末到 80 年代中期,原大同矿 务局与众多研究机构和高等院校合作通过大量的试 验研究,针对不同的条件采取不同的技术方法,形成 了 “大同难冒厚砂岩及砾岩层顶板注水与爆破弱化 技术冶和“两硬条件中厚煤层系列综采技术与装备冶 的企业专有技术,解决了大同矿区中厚煤层采场坚硬 顶板安全控制难题,使企业综合机械化开采得到了迅 速发展。 对于分层厚度大、整体结构强的高位顶板岩 体通过注水压裂弱化,改变岩体的物理力学性质,降 低岩体强度,变难冒顶板为可冒顶板方法进行控制。 而对于分层厚度大的低位顶板岩体16 m 以下和分 层厚度不大、层理节理相对较发育的砂岩和砂质页岩 顶板岩体则实施深孔爆破的方法加以控制。 另外,针 对大同矿区的实际情况研制了适用于坚硬顶板的强 力支架,保证了开采的安全[7],顶板注水示意如图 2 所示。 对于整体性稍差的砂岩顶板,通过不断地摸索 探讨,又试验成功了端头放顶的顶板控制方法图 3,减少了放顶对工作面生产的影响,使工作面产量 大大提高,大同矿区综采技术水平逐步步入了全国的 先进行列。 图 1摇 坚硬顶板来压时的支架立柱折断和缸体爆裂 Fig郾 1摇 Column break and cylinder burst when periodic weighting in hard roof 图 2摇 顶板注水示意 Fig郾 2摇 Water鄄infusion in roof 3771 煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 2010 年第 35 卷 图 3摇 工作面端头放顶炮孔布置与爆破参数单位m Fig郾 3摇 Layout of caving hole at the end of working face and blasting parameters 在中厚煤层综采试验成功的基础上,又试验成 功了“两硬冶条件下 5 m 大采高综采技术和 1郾 3 m 左 右的薄煤层综采技术包括刨煤机和滚筒式采煤 机,使综采技术的适用范围不断扩大,提高了企业 经济社会效益,也提高了矿井安全程度和煤炭资源的 采出率,降低了员工的劳动强度。 2郾 1郾 2摇 “两硬冶条件下综合机械化开采装备的研发 40 a 来针对大同矿区特有的开采及地质条件不 断地进行综合机械化装备的研究与开发,克服了种种 困难,最终形成了以液压支架为主体的大同特色的系 列综采设备。 大同矿区一直被认为是很好的试验场, 应用的支架工作阻力比一般同类液压支架高出 80,大同用过的采煤机功率也是全国最大的。 在液压支架方面,用过的所有液压支架中有 98是四柱支撑掩护式架型,其结构优点是工作阻力 大、稳定性好在大块岩石垮落时前梁或掩护梁能承 受较大的前后方向水平推力、抗扭性强。 另外,设 计了独创的短尾梁式架型结构,比一般同类液压支架 缩短了 33;采取立柱活塞杆内充液式和双通路大 流量安全阀抗冲击卸载系统,卸载流量比一般系统增 加了 300;大幅度提高了液压支架的切顶力,比一 般同类液压支架高出 116。 在采煤机的研发上,为满足坚硬煤质开采的要 求,采取了降低切割速度、增大截割扭矩和加大装机 功率等多种技术,研制了适用于普通综采、大采高综 采、薄煤层综采、短壁综采等一系列具有大同特色的 采煤机,并在全国得到广泛应用。 如 1MG2001987 年、MG344 - PWD 1991 年、MG250/300 - NGWD 2002 年、MG800/2040-WD2007 年等。 这些装备的研发和应用,加快推动了综采技术的 发展,取得了很好的效果。 2郾 2摇 大同“两硬冶条件的综采放顶煤开采技术 大同矿区侏罗纪特厚煤层开采由于其特殊的赋 存条件限制,顶煤不易冒落,坚硬顶板难以控制,放顶 煤开采难度大,在装备、工艺技术方面受到极大的制 约。 大同煤矿集团有限责任公司进行了 10 余年的综 放开采技术攻关,分别进行了预采顶分层及高位、中 位、低位的放顶煤试验研究,1999 年最终探索出适用 于大同“两硬冶条件的一整套综放开采综合技术,实 现了对特厚煤层的高产、高效、高采出率开采。 依据岩石分形学理论,研发了坚硬顶煤、坚硬顶 板弱化及破碎控制技术[8]炮孔布置如图 4 所示,突 破了“两硬冶厚煤层条件不能采用综放开采的观点;攻 克了硬煤冒放的理论技术难题,实现了“两硬冶特厚煤 层低位放顶煤综采。 工作面年产量达到 200 万 t,资源 采出率达到80以上,比分层开采提高4。 图 4摇 坚硬顶煤、坚硬顶板预爆破钻孔布置 Fig郾 4摇 Layout of pre鄄blasting hole in hard seam and hard roof 2郾 3摇 坚硬顶板条件综采的安全保障技术 针对大同矿区的实际情况,综采工作面的安全保 障技术主要包括瓦斯综合防治与采空区的综合防灭 火技术。 2郾 3郾 1摇 综采工作面瓦斯综合防治技术[9-11] 大同矿区侏罗纪煤层瓦斯赋存呈现不均衡性,其 瓦斯含量从 1郾 8 4郾 5 m3/ t 不等,属于局部高瓦斯。 由于坚硬顶板的影响,采空区瓦斯涌出有其独有的特 点。 工作面开采时,由于顶板冒落块度大,岩块间存 在大量空洞,可赋存大量瓦斯;在基本顶来压时,伴随 着顶板的冒落将采空区内的瓦斯压出,形成一个峰 值,由于没有左右邻近工作面和上下邻近层大量瓦斯 源的连续补给,随着涌出时间的延长,瓦斯涌出量呈 负指数规律衰减,瓦斯涌出量回到了正常涌出量的水 平上[12]。 如图 5 所示,给瓦斯管理带来了很大困难, 必须采取必要的措施加以管理。 针对瓦斯涌出规律和不同采煤方法的实际,采取 了相应的措施进行瓦斯的综合防治。 由于综放开采 瓦斯治理的难度较一般综采大,以侏罗纪煤层综放开 采为例加以说明。 首先在通风系统上,由于顶煤中事 先布置了工艺巷进行弱化顶板和顶煤,就采用了 U 域玉的通风方式,在 4 条巷的基础上再增加 1 条巷 作为专用排放瓦斯尾巷沿顶板在顶煤中布置,如 图 6 所示。 在其他方面,还采用了风幛导风和专用抽 瓦斯风机引排、本煤层瓦斯抽放等方法进行综合的瓦 斯治理,保证了工作面开采时的安全。 4771 第 11 期于摇 斌大同矿区综采 40 a 开采技术研究 图 5摇 工作面瓦斯涌出量与顶板周期来压的关系 Fig郾 5摇 The relationship between gas emission of working face and periodic weighting of roof 图 6摇 U域玉的通风方式 Fig郾 6摇 Ventilation mode of U域玉 2郾 3郾 2摇 坚硬顶板条件下开采的综合防灭火技术 坚硬顶板、煤层群开采的突出特点是漏风渠道 多、裂隙直通地面、风流运动复杂,给开采带来了严重 火灾隐患。 通过对矿区 29 种煤样的煤分子结构进行了红外 光谱谱图和热重实验分析,得到了煤分子中各官能团 的归属,建立了煤分子的化学结构模型,提出了以着 火活化能作为煤的自燃倾向性分类指标,为阻化剂的 选配奠定了基础。 采用密度泛函理论 DFT 在 B3LYP/6-311G 水平下对反应物、产物、中间体和过 渡态分子进行了几何优化,确定了它们之间的正确连 接,应用量子化学理论计算了煤分子结构中侧链基团 活性顺序,确定了煤的氧化自燃过程中各反应通道的 优先顺序,揭示了大同煤氧化自燃的反应机理。 根据“两硬冶煤层的自然发火特点,总结提出了 “降压减风、管风防火、堵风防漏、以风治火、惰化火 区、治灌并举冶的 24 字均压防灭火技术要领,采取了 通风系统优化、均压防灭火、工作面喷阻化物、注氮、 注浆等综合防灭火措施。 改善矿井通风外部环境,降 低采空区压能,减少了采空区氧气含量,使采空区快 速惰化,避免了采空区遗煤自燃[13]。 2郾 4摇 大同石炭纪煤层条件下综放开采技术 大同石炭纪煤层埋藏较深,煤层厚度大,开采困 难。 以开采石炭纪煤层的第 1 个矿井 塔山煤矿 为例,主采煤层厚度为 9郾 80 29郾 21 m,平均厚度 18郾 44 m,煤层结构复杂,含有 6 11 层夹石,最大夹 矸厚度达 0郾 6 m。 受火成岩侵入影响,煤层与顶板都 受到不同程度的破坏,给开采带来了极大困难。 通过 “产学研冶结合,形成了特有的大同石炭纪特厚煤层 开采专有技术,实现了安全高效高资源采出率开采, 2009 年工作面单产突破 1 000 万 t,综放工作面最高 日产5郾 8 万 t、最高月产 131郾 200 8 万 t。 2郾 4郾 1摇 石炭纪火成岩侵入条件下的特厚煤层综放工 作面顶板顶煤运移规律 针对塔山煤矿综放工作面围岩控制与开采技术 难题,采用高精度微地震监测系统和全景式数字技 术、液压锚杆观测、多点深孔位移计等多种仪器进行 工作面围岩和顶煤运移规律进行综合研究,摸清了围 岩活动和顶煤运移规律,提出并实施了具体的顶板控 制方案和综放工艺技术,指导了支架选型,为煤柱留 设及工艺设计提供了依据。 研究表明顶煤在工作面 煤壁前方 30 m 左右开始移动,强烈压缩发生在工作 面前方 10 m 左右,顶煤位移量随煤壁的靠近而逐渐 增大,深基点实测的顶煤位移变化曲线如图 7 所示[2] 图中 26郾 44,14郾 61,7郾 93 m 分别为距煤层底板高 度;下位基本顶周期断裂步距平均为 20 m,厚度为 25 m 左右,上位基本顶周期性断裂步距平均为30 m, 厚度为 75 m 左右,特厚煤层综放工作面沿走向覆岩 结构运动参数[3]如图 8 所示。 图 7摇 深基点实测的顶煤位移变化曲线 Fig郾 7摇 Measured displacement cruves of top鄄coal in deep point 根据理论研究和三维模拟研究,结合现场观测到 的试验期间的原煤产量及单口放煤时间计算结果,实 施双轮顺序放煤时顶煤的放出率均为最高。 因此,在 塔山煤矿采煤工作面的地质生产条件下,一般情况下 将放煤工艺定为双轮放煤,并根据煤块度的大小,灵 活改变放煤工艺,可采取多轮顺序放煤或间隔放 煤。 摇 5771 煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 2010 年第 35 卷 图 8摇 特厚煤层综放工作面沿走向覆岩结构运动参数 Fig郾 8摇 Motion parameters of strike overlying rock structure of caving working face in especially thick coal seam 2郾 4郾 2摇 大同石炭纪特厚煤层综放工作面安全保障技 术 大同石炭纪特厚煤层综放工作面安全问题主要 是自然发火和瓦斯的综合治理。 针对综放工作面具体情况,采取的防火技术主要 有淤 采用自然发火预测预报技术观测采空区“三 带冶分布;于 对氧化带实施埋管注氮;盂 在上下端头 采取堵漏风措施;榆 停采期间进行针对性灌浆和采 空区预灌。 从而形成了一套以“注氮为主、灌堵为 辅冶的综合防火技术,确保了安全开采。 在瓦斯防治方面,开采初期,矿井相对瓦斯涌出 量为 1郾 12 m3/ t,绝对瓦斯涌出量为 8郾 1 10郾 8 m3/ min,并未达到高瓦斯矿井的标准。 但是随着综采工 作面开采的逐渐深入,产量的逐步提高,工作面瓦斯 问题逐渐凸显,尤其是上隅角及后部刮板输送机尾超 限频繁,严重影响到矿井的安全生产。 在结合理论分 析和现场实际经验的基础上,得出影响塔山煤矿工作 面瓦斯超限的原因淤 高强度综放开采工艺造成的 瓦斯瞬间大量涌出;于 放顶煤工艺对采空区造成扰 动致使瓦斯从采空区溢出。 针对工作面的瓦斯超限的问题,采用上隅角构筑 封堵墙法、风幛引导风流稀释法、上隅角插管强化抽 放法以及顶板高抽巷封闭抽放法的综合治理方法。 在各种手段中,采用顶板高抽巷抽放瓦斯的方法在现 场应用中效果明显。 2郾 4郾 3摇 大同石炭纪特厚煤层综放装备研究 在特厚煤层综放工作面装备方面,开发研制了国 内工作阻力最大15 000 kN、割煤高度最高2郾 8 5郾 2 m的 ZY15000/28/52 支撑掩护式低位放顶煤液 压支架;生产能力超过 3 000 t/ h,总装机功率达到 1 915 kW的高效高可靠性电牵引采煤机;装机功率 2伊1 000 kW、输送能力3 000 t/ h、过煤量2 000 万 t 的 专用后部刮板输送机;运输距离 2 800 m、装机功率 1 6803伊560kW 的回采巷道带式输送机;生产能力 3 500 t/ h、可掘最大断面30 m2,且具有机载锚杆钻机 功能的重型掘进机;55 t 重载框架式支架搬运车;装 机功率不小于 8 000 kW 的大采高综放工作面供电系 统。 塔山8105 工作面总装机功率10 720 kW,正进行 工业性试验。 至今,塔山煤矿安全生产已 4 a 多,实现了生产 煤炭 4 000 万 t 无人员死亡事故的优异成绩,取得了 较好的社会经济效果。 3摇 大同矿区综采技术发展的展望 随着开采强度的加大,大同矿区煤炭资源越来越 少,开采技术也将会向更高的难度发展。 最近几年将 在以下几个方面的进行攻关,并取得技术突破,保障 企业的可持续发展。 1侏罗纪“两硬冶煤层开采中,已经成功解决了 1郾 2 5郾 0 m 的一次采全高综采技术和 6 m 以上煤层 的综放开采技术。 但由于“两硬冶特点的限制,高强 度的支架与小尺寸的采煤空间矛盾突出,造成了薄煤 层开采困难[14];采煤空间的加大导致的顶板压力增 大与支架稳定性降低的矛盾突出又造成了5 6 m 厚 煤层大采高综采的开采困难。 今后将立项攻克 1郾 2 m以下薄煤层和 5 6 m 厚煤层的综采高效安全 开采技术,进一步加大“两硬冶条件下综采适应范围。 2石炭纪煤层开采中,受国内外开采设备和技 术的制约,现在只能开采厚度在14 m 以下的煤层,正 在进行“十一五冶国家支撑项目 5 m 大采高综放开采 的研究,已经在进行工业性试验中,可开采厚度在 20 m以下的煤层,对于厚度在 20 m 以上的厚煤层还 6771 第 11 期于摇 斌大同矿区综采 40 a 开采技术研究 要继续攻关研究,以全面解决大同石炭纪煤层的开采 问题。 3随着侏罗纪煤层的开采储量日益减少,残采 矿井的边角煤回收问题日益严重。 虽然已研制成功 了短壁综采技术,但对于形状不规整的边角煤和尺寸 小的煤柱仍不能进行很好的开采。 要加大力度,研发 适宜于残采矿井复杂条件煤层的综采技术,实现安全 高效高采出率开采。 42009 年以来,同煤集团新整合了许多的矿井 资源,这些资源受过去小煤矿开采的影响,造成了诸 如开采程序反向上行开采、煤层厚度破坏等很多 的人为破坏,给开采带来了困难。 要力争研发适宜于 新整合矿井实际情况的综采技术,以保证矿井的安全 生产。 参考文献 [1]摇 王金安,尚新春,刘摇红,等. 采空区坚硬顶板破断机理与灾变 塌陷研究[J]. 煤炭学报,2008,338850-855. 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