关于煤层开采技术浅析.doc

采煤技术合理优化及深层采煤 围岩控制技术论文 姓名常秦兵 关于采煤技术 合理优化探讨及深层采煤围岩控制技术 摘要目前国内一些中小煤矿因管理水平等因素，一直维持简单再生产,采用落后的房柱式采煤方法，井下装备简陋、安全条件差,资源回收率低。有了合理的采煤技术不但可以保证矿井生产能力，而且还可实现安全高效开采，同时最大限度地回收资源，保证矿井安全生产，提高矿井经济效益。因此采煤技术改革势在必行。 关键词煤矿、采煤技术、合理、优化、围岩稳定性 一 、采煤技术优化的定义 煤矿井工开采的重要特点是地下作业。采用井工开采时,要开凿井筒通至地下,掘进巷道,布置采区盘区和采煤工作面,进行采煤,采掘工作面要及时支护,采煤后的采空区应进行处理,采出的煤、矸要运输并提升到地面。因此,煤矿地下开采的生产环节多,工序复杂,要以开采为中心,搞好掘进、运输、提升、通风、排水、动力供应、通讯、地面布置及生产系统等的配合,搞好生产方法及组织管理。采煤方法优化的含义就是在所在矿区采用或引进新的采煤方法或装备,对矿井的相关生产系统进行优化改造,对相关生产组织制度和作业方式进行变革,从而达到提高生产效率、经济效益和安全水平的目的。 二、采煤技术设计准则 在选择井工开采方法时,首先应考虑下列技术原则采动影响的特征与程度。根据采动影响理论的研究成果,采动影响的主要特征是地表移动与变形,设计井下采煤方法时,应考虑地表移动与变形的特征与程度,在采深较小及急倾斜煤层时,还应考虑“上三带”的特征与程度。资源回收率。为了减少采动有害影响,实现井下安全开采,有时需要采取降低回采率的开采措施。因此,如何处理资源回收率问题,是选择采煤方法的主要原则。 三、主要的开采技术 1、深矿井开采技术 深矿井开采的关键技术是煤层开采的矿压控制、冲击地压防治、瓦斯和热害治理及深井通风、井巷布置等；需要攻关研究的是深井围岩状态和应力场及分布状态的特征；深井作业场所工作环境的变化；深井巷道（特别是软岩巷道）快速掘进与支护技术与装备；深井冲击地压防治技术与监测监控技术；深矿井高产高效开采有关配套技术；深矿井开采热害治理技术与装备。 2、“三下”采煤技术 提高数值模拟计算和相似材料模拟等，深入研究开采上覆岩层运动和地表下陷规律，研究满足地表、建筑物、地下水资源保护需要的合理的开采系统和优化参数，发展沉降控制理念和关键技术，包括用地表废料向垮落法工作面采空区充填的系统；研究与应用各种充填技术和组合充填技术，村庄房屋加固改造重建技术，适于村庄保护的开采技术；研究近水体开采的开采设计，工艺参数优化和装备，提出煤炭开采与煤炭城市和谐统一的开采沉陷控制、开采村庄下压煤、土地复垦和矿井水资源化等关键技术。 3、优化巷道布置，减少矸石排放的开采技术 改进、完善现有采煤方法和开采布置，以实现开采效益最大化为目标，研究开发煤矿地质条件开采巷道布置及工艺技术评价体系专家系统，实现开采方法、开采布置与煤层地质条件的最优匹配。 实行全煤巷布置单一煤层开采，矸石基本不运出地面，生产系统要减化，同时实现中采与中掘同走发展，生产效率大幅提高的经验的同时，重点研究高产高效矿井，开拓部署与巷道布置系统的优化，减化巷道布置，优化采区及工作面参数，研究单一煤层集中开拓，集中准备、集中回采的关键技术，大幅度降低岩巷掘进率，多开煤巷，减少出矸率；研究矸石在井下直接处理、作为充填材料的技术，既是减少污染的一项有利措施，又减化了生产系统，有利于高产高效集中化开采，应加紧研究。采煤方法和工艺的进步和完善始终是采矿学科发展的主题。采煤工艺的发展将带动煤炭开采各环节的变革，现代采煤工艺的发展方向是高产、高效、高安全性和高可靠性，基本途径是使采煤技术与现代高新技术相结合，研究开发强力、高效、安全、可靠、耐用、智能化的采煤设备和生产监控系统，改进和完善采煤工艺。 四、煤矿采煤技术合理优化 目前有不少矿务局正在试验离层注浆控制或减缓地面沉陷的新方法,只要具有合适的覆岩结构、选准离层带的位置、掌握好随工作面推进离层发生、发展及闭合的动态时空规律,也可取得良好的效果,但这种方法充填量大、充填水体进入裂隙带后可形成事故隐患。协调开采是利用两个煤层或分层同时开采所产生的地表移动和变形相互抵消的原理来达到减少开采对地表的影响。 1、离层注浆 （1）、离层带充填技术离层带注浆减缓地表沉降技术是通过地面钻向采空区上方覆岩中的离层带高压注入液体充填材料以达到控制覆岩下沉为途径,最终实现控制地表沉降的目的。充填浆液在离层空间中的作用主要是,充填离层空间控制覆岩下沉,充填液体脱水后能形成足够强度的“似岩体”支撑上覆岩体。离层带注浆与采空区充填方法不同,它不在井下施工,对现有的生产系统无干扰,设备比较简单投资也少,吨煤成本仅增加不超过2元。充填效果也非常明显,煤炭的回收率很高。实施离层充填技术的关键是创造有离层存在的条件,控制采空区尺寸,使之不能达到充分采动,也即要准确确定可充填离层带位置。开采尺寸是与离层分布规律密切相关的主要因素,在一定采深条件下开采尺寸直接决定于覆岩中拱梁平衡结构的形成,覆岩中达到极限拱时的最大开采尺寸为形成离层空间的最佳开采尺寸,开采尺寸直接限定离层分布范围,随工作面的推进,离层发展高度增加,并趋于定值,当工作面推进距离超过0.85倍的开采尺寸时达到充分采动,这时覆岩中的拱梁平衡结构遭到严重破坏,离层消失,此时地表将大幅度下沉。 （2）离层注浆的效果实践1991年l0月,离层充填技术被引入大屯煤电公司,并于1992年3月在该矿的7215工作面进行试验,该工作面走向长960m,倾斜长110m,煤厚4.83m,分层开采,煤层倾角为20～23,平均采深529m,采用走向长壁开采,冒落法管理顶板。通过地表观测结果,采用离层充填技术后,地表最大下沉减少了34,地表下沉速度也减少了43,表明对地表建筑设施起到了较好的保护作用。 2、条带开采 条带开采法是一种特殊的开采方法,将被开采的煤层划分为比较正规的条带形状,采一条采宽b,留一条留宽a,使留下的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量,而地表只产生较小的移动和变形。 （1条带开采设计原则 煤层开采后所留条带煤柱应有足够的强度和稳定性,能长期、有效地支撑上覆岩层,从而达到减少地表移动和变形的目的。条带的开采宽度,其尺寸应限制在不使地表出现明显的波浪状下沉盆地,而是仅出现单一平缓的下沉盆地范围内。 （2采留比的确定方法 采出宽度b的确定。采出宽度一般根据实践确定,参考国内外开采经验,采宽b可按1/4～1/8选取。 保留条带宽度a的确定。在一定的采宽条件下,无限制地加大a,也会使地表出现多个下沉盆地,因此a值应通过计算,而不能随意确定。 煤柱强度不仅与煤柱试块的单轴强度、煤柱长度、宽度和高度有关，还与煤柱弱面、顶底板岩性和煤柱侧应力等围岩体系有密切关系。在一般条件下,条带煤柱的强度计算,推荐采用Wilson方法。Wilson通过对煤柱加载试验,发现在加载过程中煤柱的应力是变化的,从煤柱应力峰值到煤柱边界这一区段,煤体应力超过屈服点,称这区域为屈服区。其宽度为Y,边界峰值内的煤体变形较小,应力没有超过屈服点,大致符合弹性法则,称这区域为煤柱核区,宽度用s表示。实验证明,屈服区宽度与开采深度H和开采厚度M有关。条带煤柱的留宽。满足下列关系a≥2Y SY0.005MH式中 S核区宽度m Y屈服区宽度m 保留的条带长煤柱是沿走向或倾向所留设的完整煤柱,当保留条带煤柱宽度a0.0lMH时,煤柱承受荷载的计算公式 极限荷载长煤柱Pl40RHa-4.92MH10-4实际承受荷载 长煤柱P210R[Ha十b/22H-b/0.6] 式中P1保留煤柱能承受的极限荷载KN/m P2保留煤柱实际承受荷载值KN/m M煤层采厚m R上覆岩层平均容重KN/m保留煤柱应有足够的强度,其安全系数K必须满足KP1/P21。 我们在实例部分设计条带开采参数时,就是通过对具体的地质、采矿条件分析,按照上述原则进行的,最终得到的是采出率高、煤柱稳定、地表移动变形小的优化方案。 （3条带开采地表移动和变形预测根据实测资料可得,条带开采的地表移动和变形规律与正规工作面回采相似,条带开采的地表移动和变形可用概率积分法求解,但它的下沉系数、主要影响角正切、水平移动系数比正规工作面回采的小。 五、煤矿采煤技术合理优化实践的评价 条带开采法是一种局部开采方法,它将开采区段划分为比较规则的条带形状,采一条,留一条,留下的条带煤柱能够充分支撑上覆岩层的载荷,在整个开采条带采完后,地表形成一个单一均匀的下沉盆地,产生微小的移动和变形,该方法与全部开采方法相比,回采率较低,但能有效控制地表的沉陷,实现井下安全开采。条带开采法不需要额外的设备投资,管理较为简单,是一种较为理想的煤层下采煤方法。对于井下开采,有时采用一种方法达不到理想效果时,可以辅用其它方法,各种方法相互配合,达到减小地表移动和变形的目的。 六、深层采煤围岩控制技术 传统的巷道支护技术主要包括木材支架、工字钢为主的刚性支架、U型钢可缩性支架。巷道中常用的木材支架是梯形棚子。它重量轻,具有一定强度,加工容易,特别适应于多变的地下作业条件。其缺点是强度有限,不能防火,服务年限短。目前煤炭工业中木支架的使用量也越来越少。 矿用工字钢刚性支架的架型主要有梯形、拱形和封闭形,其中使用最多的是梯形。刚性支架只能使用在围岩比较稳定、变形较小,压力不大的巷道中。梯形刚性金属支架有一梁二柱和加设中柱两种形式,梁腿之间有各种接榫结构,支架与围岩之间一般使用背板。 U型钢可缩性支架包括拱形、梯形和封闭形。其中拱形可缩性支架是国内外使用最广泛的一种架型,它具有结构简单、承载力大、可缩性能好、适应性强等优点。特别在以下条件下使用更为适宜围岩压力较大的巷道;顶压较大侧压较小、倾角较小的煤层巷道受采动影响的大巷和石门;有煤层自燃发火趋势的巷道。 锚杆支护已经广泛用于各个工业部门及各种地下工程中,但对锚杆支护作用原理的认识仍不完善,需要以工程实践为基础。通过实验和模拟方法,使认识不断深化,使锚杆支护理论进一步完善,使锚杆支护分析与设计由经验法进入理论分析阶段。 锚杆支护理论的经典内容是以各种假说为基础的理论。这些假说或以实验为基础,或以特定围岩条件下的工程实践为依据,经过简化假设,从不同侧面反映了锚杆支护加固围岩的作用机理,而且力学模型简单,计算方法简明易懂,得到了广泛承认和应用。但是,这些理论往往过于简单,并且多数是将锚杆的加固围岩作用与岩体自稳效应分离开,因此理论分析和实际情况差别很大。 另一方面,有人将锚杆的作用等效为围岩力学参数的改善。例如,认为锚杆刚度限制了围岩分离和滑动,相当于改善了围岩力学特性,然后应用工程力学原理进行理论分析。这种方法虽然可以得到实验室试验的部分验证,但试验并不能真实模拟实际情况,并且等效加固圈的力学参数根难确定,因此,不仅证据不足,而且难以定量分析。 从工程力学角度,端头锚固锚杆的作用可以简化为一对集中力,全长锚固锚杆的作用可以简化为分布力,并考虑锚杆介质对围岩力学参数的改善,考虑支架与围岩相互作用,利用解析解或数值解进行分析。但是,由于岩体力学发展的水平还不足以提供分析所要求的精确初始条件、边界条件和力学参数等,因此,尽管各种工程数值计算方法已发展到了较高水平,仍不足以对地下工程的锚杆支护提供足够精确的解答。总之,目前锚杆的支护理论尚不成熟,可以认为仍处于理论探索与对支护机理的定性认识阶段。 七、有待于发展的技术 综合以上分析,要完善深层采煤围岩控制理论、扩大锚杆支护技术的应用范围,将其推广应用到恶劣围岩条件的巷道支护中,还应开展大量的工程试验及理论研究工作,其中理论研究工作包括 1、深层采煤围岩矿压显现规律的研究。力学性质及结构特征是巷道围岩产生变形、破坏的内因,载荷特征大小及作用方式是巷道围岩产生变形的、破坏的外因。所以,应深入研究不同载荷条件下巷道围岩的变形、破坏规律。分析围岩在不同变形、破坏阶段的平衡结构特性,研究巷道围岩强度破坏与工程破坏之间的差异及相关规律,揭示围岩稳定一失稳的本质。 2、深层采煤围岩控制理论的研究。大量工程实践证明,不同自然条件和生产技术条件下巷道围岩将会具有不同的矿压显现特征,对具有不同矿压显现特征的巷道应遵循不同的围岩控制原则并采取不同的支护措施,不同巷道在不同支护条件下将会表现出不同的稳定性特征。因此,应深入研究不同支护条件下的支护一围岩相互作用原理,完善不同条件下的围岩控制理论,为扩大锚杆支护的应用范围创造条件。 3、锚杆作用机理的研究。进一步研究现有锚杆支护方法中锚杆的加固机理。揭示不同锚固形式的锚杆在不同使用条件下的作用本质,研究不同锚固形式所形成的锚固体力学特性,使现有锚杆理论更加完善。 4、锚杆变形机理的研究。研究锚固体处于不同物性状态时的变形机理、最大允许变形量等,掌握不同形式锚固体的变形特性及其适用范围。 5、锚固体结构特性研究。进一步研究顶、帮锚固体所形成的不同形式的锚固结构的性能特点及其适应性,探索适合恶劣条件下巷道围岩控制的锚杆支护整体结构形式,为回采巷道乃至全煤及软岩巷道围岩的锚杆支护设计提供可靠的理论依据。 6、进一步研究不同护巷煤柱时,煤柱的受力和破坏,为保护煤柱的留设提供合理的理论基础。 【参考文献】 [1]王卫东,彭小林.亭南矿井采煤方法之浅见。 [2]罗行志,张世良.浅析石嘴山一、二矿改扩建设计重点问题的解决方案[J].煤炭工程,2005,11 [3]张宝银,李春明.古交地方煤矿采煤技术的改革 [4]柴久茂煤层采煤方法适应性分析