煤礦采煤技術(shù)的合理優(yōu)化探討

楊志

（貴州省水城縣煤炭管理局，貴州 水城 553040）

1 采煤技術(shù)優(yōu)化的定義

煤礦井工開(kāi)采的重要特點(diǎn)是地下作業(yè)。采用井工開(kāi)采時(shí)，要開(kāi)鑿井筒通至地下，掘進(jìn)巷道，布置采區(qū)(盤區(qū))和采煤工作面，進(jìn)行采煤，采掘工作面要及時(shí)支護(hù)，采煤后的采空區(qū)應(yīng)進(jìn)行處理，采出的煤、矸要運(yùn)輸并提升到地面。因此，煤礦地下開(kāi)采的生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，工序復(fù)雜，要以開(kāi)采為中心，搞好掘進(jìn)、運(yùn)輸、提升、通風(fēng)、排水、動(dòng)力供應(yīng)、通訊、地面布置及生產(chǎn)系統(tǒng)等的配合，搞好生產(chǎn)方法及組織管理。采煤方法優(yōu)化的含義就是在所在礦區(qū)采用或引進(jìn)新的采煤方法或裝備，對(duì)礦井的相關(guān)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，對(duì)相關(guān)生產(chǎn)組織制度和作業(yè)方式進(jìn)行變革，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益和安全水平的目的。

2 采煤技術(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

在選擇井工開(kāi)采方法時(shí)，首先應(yīng)考慮下列技術(shù)原則：采動(dòng)影響的特征與程度。根據(jù)采動(dòng)影響理論的研究成果，采動(dòng)影響的主要特征是地表移動(dòng)與變形，設(shè)計(jì)井下采煤方法時(shí)，應(yīng)考慮地表移動(dòng)與變形的特征與程度，在采深較小及急傾斜煤層時(shí)，還應(yīng)考慮“上三帶”的特征與程度。資源回收率。為了減少采動(dòng)有害影響，實(shí)現(xiàn)井下安全開(kāi)采，有時(shí)需要采取降低回采率的開(kāi)采措施。因此，如何處理資源回收率問(wèn)題，是選擇采煤方法的主要原則。

3 煤礦采煤技術(shù)合理優(yōu)化

目前有不少礦務(wù)局正在試驗(yàn)離層注漿控制或減緩地面沉陷的新方法，只要具有合適的覆巖結(jié)構(gòu)、選準(zhǔn)離層帶的位置、掌握好隨工作面推進(jìn)離層發(fā)生、發(fā)展及閉合的動(dòng)態(tài)時(shí)空規(guī)律，也可取得良好的效果，但這種方法充填量大、充填水體進(jìn)入裂隙帶后可形成事故隱患。協(xié)調(diào)開(kāi)采是利用兩個(gè)煤層或分層同時(shí)開(kāi)采所產(chǎn)生的地表移動(dòng)和變形相互抵消的原理來(lái)達(dá)到減少開(kāi)采對(duì)地表的影響。

3.1 離層注漿

3.1.1 離層帶充填技術(shù)：離層帶注漿減緩地表沉降技術(shù)是通過(guò)地面鉆向采空區(qū)上方覆巖中的離層帶高壓注入液體充填材料以達(dá)到控制覆巖下沉為途徑，最終實(shí)現(xiàn)控制地表沉降的目的。充填漿液在離層空間中的作用主要是，充填離層空間控制覆巖下沉，充填液體脫水后能形成足夠強(qiáng)度的“似巖體”支撐上覆巖體。離層帶注漿與采空區(qū)充填方法不同，它不在井下施工，對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)無(wú)干擾，設(shè)備比較簡(jiǎn)單投資也少，噸煤成本僅增加不超過(guò)2元。充填效果也非常明顯，煤炭的回收率很高。實(shí)施離層充填技術(shù)的關(guān)鍵是創(chuàng)造有離層存在的條件，控制采空區(qū)尺寸，使之不能達(dá)到充分采動(dòng)，也即要準(zhǔn)確確定可充填離層帶位置。開(kāi)采尺寸是與離層分布規(guī)律密切相關(guān)的主要因素，在一定采深條件下開(kāi)采尺寸直接決定于覆巖中拱梁平衡結(jié)構(gòu)的形成，覆巖中達(dá)到極限拱時(shí)的最大開(kāi)采尺寸為形成離層空間的最佳開(kāi)采尺寸，開(kāi)采尺寸直接限定離層分布范圍，隨工作面的推進(jìn)，離層發(fā)展高度增加，并趨于定值，當(dāng)工作面推進(jìn)距離超過(guò)0.85倍的開(kāi)采尺寸時(shí)達(dá)到充分采動(dòng)，這時(shí)覆巖中的拱梁平衡結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，離層消失，此時(shí)地表將大幅度下沉。

3.1.2 離層注漿的效果實(shí)踐1991年l0月，離層充填技術(shù)被引入大屯煤電公司，并于1992年3月在該礦的7215工作面進(jìn)行試驗(yàn)，該工作面走向長(zhǎng)960m，傾斜長(zhǎng)110m，煤厚4.83m，分層開(kāi)采，煤層傾角為 20°～23°，平均采深529m，采用走向長(zhǎng)壁開(kāi)采，冒落法管理頂板。通過(guò)地表觀測(cè)結(jié)果，采用離層充填技術(shù)后，地表最大下沉減少了34%，地表下沉速度也減少了43%，表明對(duì)地表建筑設(shè)施起到了較好的保護(hù)作用。

3.2 條帶開(kāi)采

條帶開(kāi)采法是一種特殊的開(kāi)采方法，將被開(kāi)采的煤層劃分為比較正規(guī)的條帶形狀，采一條(采寬b)，留一條(留寬a)，使留下的條帶煤柱足以支撐上覆巖層的重量，而地表只產(chǎn)生較小的移動(dòng)和變形。

1）條帶開(kāi)采設(shè)計(jì)原則

煤層開(kāi)采后所留條帶煤柱應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，能長(zhǎng)期、有效地支撐上覆巖層，從而達(dá)到減少地表移動(dòng)和變形的目的。條帶的開(kāi)采寬度，其尺寸應(yīng)限制在不使地表出現(xiàn)明顯的波浪狀下沉盆地，而是僅出現(xiàn)單一平緩的下沉盆地范圍內(nèi)。

2）采留比的確定方法

采出寬度b的確定。采出寬度一般根據(jù)實(shí)踐確定，參考國(guó)內(nèi)外開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，采寬b可按(1/4～1/8)選取。

保留條帶寬度a的確定。在一定的采寬條件下，無(wú)限制地加大a，也會(huì)使地表出現(xiàn)多個(gè)下沉盆地，因此a值應(yīng)通過(guò)計(jì)算，而不能隨意確定。

煤柱強(qiáng)度不僅與煤柱試塊的單軸強(qiáng)度、煤柱長(zhǎng)度、寬度和高度有關(guān)，還與煤柱弱面、頂?shù)装鍘r性和煤柱側(cè)應(yīng)力等圍巖體系有密切關(guān)系。在一般條件下，條帶煤柱的強(qiáng)度計(jì)算，推薦采用Wilson方法。Wilson通過(guò)對(duì)煤柱加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在加載過(guò)程中煤柱的應(yīng)力是變化的，從煤柱應(yīng)力峰值到煤柱邊界這一區(qū)段，煤體應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)，稱這區(qū)域?yàn)榍^(qū)。其寬度為Y，邊界峰值內(nèi)的煤體變形較小，應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)屈服點(diǎn)，大致符合彈性法則，稱這區(qū)域?yàn)槊褐藚^(qū)，寬度用s表示。實(shí)驗(yàn)證明，屈服區(qū)寬度與開(kāi)采深度H和開(kāi)采厚度M有關(guān)。條帶煤柱的留寬。滿足下列關(guān)系

a≥2Y+S

Y=0.005MH

式中，s：核區(qū)寬度(m)

Y：屈服區(qū)寬度(m)

保留的條帶長(zhǎng)煤柱是沿走向或傾向所留設(shè)的完整煤柱，當(dāng)保留條帶煤柱寬度a>0.0lMH時(shí)，煤柱承受荷載的計(jì)算公式：

極限荷載：長(zhǎng)煤柱Pl=40RH(a－4.92MH×10－4)實(shí)際承受荷載：

長(zhǎng)煤柱P2=10R[Ha十b/2(2H-b/0.6)]

式中，P1：保留煤柱能承受的極限荷載(KN/m)

P2：保留煤柱實(shí)際承受荷載值(KN/m)

M：煤層采厚(m)

R：上覆巖層平均容重(KN/m)保留煤柱應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，其安全系數(shù)K必須滿足K=P1/P2>1。

我們?cè)趯?shí)例部分設(shè)計(jì)條帶開(kāi)采參數(shù)時(shí)，就是通過(guò)對(duì)具體的地質(zhì)、采礦條件分析，按照上述原則進(jìn)行的，最終得到的是采出率高、煤柱穩(wěn)定、地表移動(dòng)變形小的優(yōu)化方案。

3）條帶開(kāi)采地表移動(dòng)和變形預(yù)測(cè)根據(jù)實(shí)測(cè)資料可得，條帶開(kāi)采的地表移動(dòng)和變形規(guī)律與正規(guī)工作面回采相似，條帶開(kāi)采的地表移動(dòng)和變形可用概率積分法求解，但它的下沉系數(shù)、主要影響角正切、水平移動(dòng)系數(shù)比正規(guī)工作面回采的小。

4 煤礦采煤技術(shù)合理優(yōu)化實(shí)踐的評(píng)價(jià)

條帶開(kāi)采法是一種局部開(kāi)采方法，它將開(kāi)采區(qū)段劃分為比較規(guī)則的條帶形狀，采一條，留一條，留下的條帶煤柱能夠充分支撐上覆巖層的載荷，在整個(gè)開(kāi)采條帶采完后，地表形成一個(gè)單一均勻的下沉盆地，產(chǎn)生微小的移動(dòng)和變形，該方法與全部開(kāi)采方法相比，回采率較低，但能有效控制地表的沉陷，實(shí)現(xiàn)井下安全開(kāi)采。條帶開(kāi)采法不需要額外的設(shè)備投資，管理較為簡(jiǎn)單，是一種較為理想的煤層下采煤方法。對(duì)于井下開(kāi)采，有時(shí)采用一種方法達(dá)不到理想效果時(shí)，可以輔用其它方法，各種方法相互配合，達(dá)到減小地表移動(dòng)和變形的目的。

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