三軟不穩定厚煤層復采技術研究?

郭兵兵韓紅強桑培淼

(1.河南工程學院安全工程系,河南省鄭州市,451191; 2.國投煤炭鄭州能源開發有限公司,河南省登封市,452470)

三軟不穩定厚煤層復采技術研究?

郭兵兵1韓紅強1桑培淼2

(1.河南工程學院安全工程系,河南省鄭州市,451191; 2.國投煤炭鄭州能源開發有限公司,河南省登封市,452470)

國投煤炭教學三礦三軟煤層炮采后,采空區留有大量殘煤。分析了復采殘煤的方法,確定了采用雙輸送機懸移支架放頂煤機采工藝復采殘煤。在研究復采工作面礦山壓力顯現特征的基礎上,評價了懸移支架適應性。針對煤層厚度變化大的特點,采用動態放煤工藝參數。煤炭復采取得了顯著的技術經濟效益。

三軟煤層 不穩定厚煤層 煤炭復采 懸移支架機采工藝 放頂煤開采

國投煤炭教學三礦主采二1煤層,煤層厚度0～15.8 m,平均厚度為6.35 m,屬典型的三軟煤層。初次開采時,采用炮采放頂煤工藝,由于地質條件復雜,煤層厚度變化大,部分頂煤沒有放出,采空區留有大量殘煤。針對這一情況,該礦進行了復采技術研究,采用適用技術工藝復采殘煤,提高了資源回收率,延長了礦井的服務年限,取得了顯著的效益。

1 試驗工作面概況

1.1 工作面地質情況

13012復采工作面位于13采區,走向長約1000 m,傾斜長約100～130 m,殘余煤層厚度0.5～10.6 m,平均4.4 m。東部為采空區,北部為西軌道巷、西運輸巷,南部為實體煤層,西部為13軌道巷、13運輸巷。區域地質構造為向斜構造,走向321°,平均傾角9°。據原13011回采巷道資料和掘進過程中揭露巖層情況,局部頂底板起伏較大,煤層厚度不穩定。再生頂板主要是細粒砂巖,主要成分為石英、長石,硅質、泥質膠結,有交錯層理,層面含白云母片及炭質。直接底是砂質泥巖,深灰色,含砂質條帶,具緩波狀層理,含菱鐵質及黃鐵礦結核。

1.2 工作面復采范圍

13012工作面復采的范圍主要包括:

(1)因地質構造復雜,開采條件困難,初采時未采的塊段;

(2)二1煤厚度8～10 m,部分區域厚度可達15～30 m,因煤層厚度變化大,初采時的殘留煤;

(3)采區內區段間10～20 m的保護煤柱;

(4)采區內因中小型褶曲影響向斜軸部一定范圍內留有的底煤;

(5)放頂煤工藝中沒有放出的頂煤,放炮后被崩落于采空區一側的浮煤。補充勘探發現,回采后遺留殘煤厚度在2 m以下的區域占30%;殘煤厚度2 m以上的區域約為70%,0.7 m以下的不可采區域僅占10%左右。

預計整個13012工作面初采后殘余煤炭約36萬t。

2 復采技術的特殊性

對采空區原來已經丟棄的煤層進行復采,與初次開采相比,在采煤方法及工藝、工作面支護、通風、礦井水防治、煤質管理等方面有一定的特殊性。本文著重論述復采工藝及工作面支護。

一般情況下,復采的塊段比正常開采時要小,工作面形狀也不規則,一般可以采用柱式、壁式及充填采煤方法,工藝上可以采用爆破采煤工藝和機械化采煤工藝。13012工作面復采煤層厚度0.5～5.0 m,局部達到8 m,煤層厚度變化大。選擇合適的采煤方法和工藝以提高采出率是首先要解決的技術問題。

復采工作面的頂板經歷初次開采的破壞,屬再生頂板,固結情況不同、好壞不一,但大都松散破碎,難以控制,容易漏頂冒頂。工作面上覆巖層的移動規律、礦山壓力顯現特征與初次開采也大不相同。復采工作面巖層移動和礦壓顯現特征是工作面支護要面臨的主要技術難題。

3 13012工作面復采工藝

3.1 復采工藝的選擇

爆破采煤工藝技術裝備投資少,適應性強,操作技術容易掌握,生產技術管理比較簡單。

普通機械化采煤工藝對地質變化適應性強,工作面搬遷容易,適用于推進距離短、形狀不規則、小斷層和褶曲較發育的工作面,操作技術容易掌握,組織生產容易。

綜合機械化具有高產、高效、安全、低耗、勞動條件好以及勞動強度小的優點。但綜采生產優勢的發揮有賴于全礦井良好的生產系統、較好的煤層賦存條件及較高的操作和管理水平,適用于地質條件較好、構造少的煤層。

20世紀90年代以來,鄭煤集團王莊煤礦和新密市超化煤礦采用單體液壓支柱配合Π型梁對棚支護條件下的炮采放頂煤回采工藝取得成功;由于三軟煤層受滑動構造切割嚴重,小塊段較多,大部分區域無法使用綜采,放頂煤回采工藝對于三軟不穩定煤層具有較好的適用性,單體液壓支柱配合Π型梁對棚的炮采放頂煤開采工藝得到廣泛應用,但該工藝存在支護不及時,支護穩定性差,工人體力勞動繁重等問題。

復采煤炭資源的主要特點是地質條件較為復雜,煤厚變化大,受初次采動的影響,煤層的頂底板更加破碎松軟。而懸移支架適應性強,穩定性強,對頂板支護好,安撤方便靈活,勞動強度低,兼具單體支柱的靈活性和液壓支架的可靠性,在許多礦區已成功應用,取得明顯技術經濟效益。

根據炮采、普采、綜采3種工藝的適用性,結合13012復采面的地質條件,選擇采用雙輸送機懸移支架機采放頂煤開采工藝,能適應復采面復雜地質條件及資源特點,工作面搬家也較容易。工作面沿底回采,正常回采期間,采高控制在2.0～2.6 m之間,平均2.3 m;如局部變薄,可沿頂破底回采,采高最低不低于2.0 m,循環進度為0.6 m。

3.2 復采工作面礦壓顯現特征

根據對現場實測數據的分析,復采煤層礦壓顯現特征如下:

(1)復采煤層工作面支柱荷載大于原始煤層。原始煤層的支架工作阻力平均值為9.39 MPa,最大工作阻力平均值為22.99 MPa;復采煤層的支架工作阻力平均值為11.57 MPa,最大工作阻力平均值為23.54 MPa。

(2)復采工作面周期來壓較明顯。原始煤層,周期來壓前平均工作阻力為9.28 MPa,來壓時為13.58 MPa,平均動壓系數為1.46;復采煤層,來壓前為10.72 MPa,來壓時為16.79 MPa,平均動壓系數為1.57。

(3)復采煤層工作面周期來壓步距較短。原始煤層的周期來壓步距9.6～10.8 m,平均10.2 m;復采煤層周期來壓步距6.4～6.7 m,平均6.5 m。

(4)復采工作面頂板強度不一,上方殘留煤體薄厚不均,壓力大小分布不均,容易形成局部壓力,造成復采工作面壓力分布不均勻。一個來壓周期內,同一時間不同的支架平均載荷不同。但原始煤層和復采煤層單個支架前后4根支柱工作阻力、最大工作阻力平均值大小相差不大,單架受力基本均衡,無明顯偏載現象。

3.3 復采面懸移支架適應性分析及配套設備選型

13012復采面計劃選用ZH2000/16/24Z型整體頂梁組合懸移支架,基于復采工作面礦山壓力顯現特征,對支架適應性進行分析。

(1)工作面支護強度。直接頂初次垮落、老頂初次來壓及周期來壓期間支架所受壓力比平時大,分別從這3個時期所需的支護強度來計算驗證,所需要的支護強度的最大值在老頂初次來壓時為32.52 t/m2,核算的支護密度為0.83根/m2,實際的支護密度為1.19根/m2。

(2)底板的控制。13012工作面底板比壓范圍在0.89～10.12 MPa之間,平均為5.12 MPa,容許比壓為3.84 MPa。工作面中部底板比壓相對較低,分布不均勻。當泵站壓力在31.5 MPa時,支架工作阻力為500 k N/根,支架配備有直徑360 mm的柱鞋,可以滿足護底要求。

(3)護頂面積。標準整體頂梁寬0.96 m、支架頂梁最長達3.5 m,護頂面積可達95%以上,對頂板實現全封閉管理,不會出現漏頂現象,支護效果良好。

(4)支架穩定性。支架通過托梁系統形成整體穩定性加強,在支撐力達到要求的情況下,可避免工作面歪架、倒架。支架液壓系統集中控制,前移動作簡單,移架速度快。

(5)采煤高度。穩定的支架結構,當配以大直徑或加長支柱時,采高可達3.5 m。

(6)切頂能力。支架支柱標配為4根,前后各兩根,當采場壓力增大時,后柱可增加到3根,加強切頂能力。

懸移支架具有的優點完全能夠適應三軟復采放頂煤工作面的礦壓特征和頂板破碎的特殊地質條件。

根據機采工作面的設備配套原則,考慮復采工作面煤層賦存條件、采高及實際生產情況等因素,確定復采面配套設備選用ZH2000/16/24Z型整體頂梁組合懸移支架、MG160/375－W采煤機、SGZ630/264中雙鏈刮板輸送機、SGB630/150邊雙鏈刮板輸送機及BRW125/31.5的乳化液泵。

3.4 工藝流程

采煤工藝流程為:(爆破)→割煤→伸出伸縮前探梁護頂→同時移前后兩部輸送機→移架→放頂煤→移托梁。具體如下:

(1)采煤機開始從端頭進刀割煤,伸縮前探梁處于收回狀態。局部煤層厚度小于采高時或遇到無煤帶時,需提前爆破,再開始進刀割煤。

(2)采煤機上滾筒割過后,伸出伸縮前探梁,掩護暴露頂板。

(3)滯后采煤機15 m以上,放凈頂部煤后,分別前移兩部輸送機。

(4)收回伸縮前探梁,同時前移支架,支撐好后,出后方垮落的頂部煤。

(5)工作面所有支架前移后,整體前移托梁,采煤機開始割煤,完成一個作業循環。

復采煤炭資源的主要特點是地質條件較為復雜,煤厚變化大,局部可能出現無煤帶。適用復采煤炭賦存特點,研究設計放煤方式及放煤參數是復采技術的一個難點。針對復采資源特點,通過采用動態放煤參數以提高資源采出率。

煤層厚度2～4 m時采用一采一放,放煤步距為0.6 m;煤層厚度4 m以上時,都采用兩采一放,放煤步距為1.2 m。

放煤方式主要包括放煤順序和一次頂煤放出量。煤層厚度2～4 m時,設置低位放煤口,距底板0.2 m。煤層厚度4～6 m時,間隔設置中、低位放煤口,中位放煤口距底板0.6 m,低位放煤口距底板0.2 m;煤層厚度6 m以上時,設置中位放煤口,距底板0.6 m。放煤方式均為單輪、間隔、多口放煤。

4 復采效益

(1)近3 a共復采煤炭資源41萬t,減少了動用儲量,延長了礦井服務年限。

(2)工作面推進速度加快,由1.2 m/d提高到1.8 m/d。

(3)采煤環節實現機械化, 與單體支柱放頂煤相比,采用懸移支架放頂煤,工藝過程不需要頂梁反復拆移、支柱來回搬運等,支架整體前移可快速完成,勞動強度低。

(4)頂板實現全封閉,消除局部冒頂掉矸;支架頂梁是一個整體,避免了倒架、翻架;提高了支柱的初撐力及頂板控制質量;護幫板能快速及時維護頂板,消除了爆破后空頂的安全隱患。

5 結語

鄭州礦區三軟不穩定煤層采用炮采放頂煤回采工藝已有20多年,各礦采空區殘留煤量普遍存在。懸移支架機采放頂煤的復采工藝技術對取代炮采放頂煤、單體液壓支柱配Π型鋼梁配套支護的采煤工藝,對推動鄭州礦區的三軟不穩定厚煤層復采技術革新有重要的意義,具有廣泛的推廣應用前景。

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Study on repeated mining technology for three-soft and unstable thick coal seam

Guo Bingbing1,Han Hongqiang1,Sang Peimiao2
(1．Department of Safety Engineering,Henan Institue of Engineering,Zhengzhou,Henan 451191,China; 2．SDIC Coal Zhengzhou Energy Development Co．,Ltd．,Dengfeng,Henan 452470,China)

After blasting caving in three-soft mining area of SDIC Coal No．3 Teaching Mine, a large of coal is left in goaf．On the basis of the analysis on recovery method,the residual coal recovery technology is determined which is mechanized caving mining with double-conveyor movable support．Adaptability of the movable support is evaluated after researching on the characteristics of strata behavior of repeated mining face．According to the feature of great variation in coal seam thickness,dynamic coal-caving parameters are adopted．Coal repeated mining has achieved obvious technical and economic benefits．

three-soft coal seam,unstable thick coal seam,coal repeated mining,mechanized mining technology with movable support,coal caving mining

TD823.88

A

郭兵兵(1982－),男,河南洛陽人,碩士,2009年7月畢業于中國礦業大學采礦工程專業,在河南工程學院安全工程系從事采礦工程教學與科研工作。

(責任編輯 張毅玲)

“煤礦災害預防與控制河南省高校重點實驗室培育基地”建設經費資助,河南工程學院科技創新團隊建設經費資助(CXTD2014002)