特殊煤層盾構(gòu)式“三位一體”開(kāi)采方式的研究

黃 君，劉 軍

(1.山西蘭花蘆河煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

近年來(lái)，國(guó)家大力推動(dòng)新能源的發(fā)展，減少一次性能源(尤其是煤炭)的開(kāi)發(fā)利用，但是，從國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)來(lái)看，煤炭仍然占我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)的60%左右，并在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)大幅變化[1-2]。因此，煤炭資源的安全、高效、穩(wěn)定開(kāi)采和利用是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

我國(guó)大部分淺層煤炭資源日趨枯竭，隨著開(kāi)采深度逐漸增加，面臨的諸多問(wèn)題也接踵而至，其中“三低一強(qiáng)”的特性導(dǎo)致采前瓦斯抽采困難，煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸災(zāi)害日趨嚴(yán)重[3]。行業(yè)內(nèi)的科研學(xué)者提出了多種解決現(xiàn)狀的技術(shù)措施，并構(gòu)想了我國(guó)煤炭行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向。謝和平[4]等人提出了對(duì)煤炭資源進(jìn)行流態(tài)化開(kāi)采的顛覆性科學(xué)構(gòu)想，實(shí)現(xiàn)將煤炭資源的開(kāi)采方式從固態(tài)到流態(tài)化的轉(zhuǎn)變[5-6]。王金華[7]、王國(guó)法[8]等提出煤炭資源的智能化開(kāi)采，并引入煤炭近零生態(tài)環(huán)境影響開(kāi)發(fā)利用理念。袁亮[9]等提出在傳統(tǒng)采礦基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，發(fā)展成為以安全可靠為前提的智能少人(無(wú)人)精準(zhǔn)開(kāi)采的新模式、新方法。

綜上所述，對(duì)于當(dāng)前采用的保護(hù)層開(kāi)采、無(wú)煤柱卸壓開(kāi)采和未來(lái)煤炭采用智能化(無(wú)人化)、流態(tài)化以及精準(zhǔn)化開(kāi)采方式已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。但對(duì)于有效解決松軟/薄等特殊煤層在鉆孔、采掘及支護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)施工難度大等問(wèn)題的研究仍較少，現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)和理念在特殊煤層的運(yùn)用和研究仍不太理想。

本文從理論的角度上分析了特殊煤層施工難度大等問(wèn)題的成因。結(jié)合現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)與未來(lái)的開(kāi)采理念，提出采用盾構(gòu)式開(kāi)采方式，建立了在保壓條件下進(jìn)行智能化監(jiān)控檢測(cè)、無(wú)人化盾構(gòu)掘進(jìn)以及流態(tài)化管道輸運(yùn)的開(kāi)采系統(tǒng)，為安全高效開(kāi)采松軟/薄等特殊煤層提供理論依據(jù)。

1 特殊煤層開(kāi)采現(xiàn)狀

我國(guó)松軟/薄等特殊煤層在鉆孔、采掘及支護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)施工難度大等問(wèn)題，為此，諸多科研學(xué)者開(kāi)展大量的理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等工作。

1.1 薄煤層開(kāi)采現(xiàn)狀

相對(duì)于容易開(kāi)采的中厚煤層而言，中國(guó)薄煤層分布地域廣泛，其整體可采儲(chǔ)量高達(dá)6.0 t×109t，占據(jù)我國(guó)煤炭可采總量的20%左右。但薄煤層的回采率僅為10%，主要是由于薄煤層賦存條件差、人員無(wú)法直立行走、勞動(dòng)強(qiáng)度大，全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開(kāi)采較為困難，從而使得生產(chǎn)效率低下，整體開(kāi)采成本較高。

隨著中厚煤層的開(kāi)采殆盡，薄煤層的儲(chǔ)量在大多數(shù)重點(diǎn)煤礦占據(jù)的比重逐漸增加，甚至高達(dá)85%以上。因此煤礦如何提高薄煤層的回采率和生產(chǎn)效率成為亟待解決的重要問(wèn)題。

1.2 松軟煤層開(kāi)采現(xiàn)狀

隨著開(kāi)采深度的增加，高瓦斯、煤層破碎、穩(wěn)定性差為松軟煤層的主要特征，其可采儲(chǔ)量占據(jù)我國(guó)的60%～80%。因此，松軟煤層的安全、高效開(kāi)采是我國(guó)煤炭行業(yè)平穩(wěn)發(fā)展的重要保障。

瓦斯抽采鉆孔施工過(guò)程中，由于煤質(zhì)松軟導(dǎo)致鉆孔變形量大，在地應(yīng)力、瓦斯壓力等因素作用下，使得鉆孔噴孔、塌孔、卡鉆等現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，對(duì)井下工作人員的生命安全構(gòu)成挑戰(zhàn)。

1.3 鉆孔塌孔成因分析

防止瓦斯異常涌出與鉆孔塌孔等現(xiàn)象的發(fā)生，避免開(kāi)采難度的增加，未施工鉆孔之前，上覆巖層的載荷并沒(méi)有發(fā)生變化，煤基質(zhì)和內(nèi)部瓦斯壓力共同承擔(dān)載荷壓力，并維持平衡狀態(tài)。隨著鉆孔施工的進(jìn)行，平衡狀態(tài)被打破，上覆巖層自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性難以支撐其載荷而發(fā)生失穩(wěn)等現(xiàn)象。同時(shí)，由于鉆孔施工上方巖層應(yīng)力的遷移，使得周圍煤體所受應(yīng)力增加，煤基質(zhì)發(fā)生壓縮變形、自身煤體強(qiáng)度降低，瓦斯壓力增加，在瓦斯的推動(dòng)下，發(fā)生鉆孔塌孔、噴孔等現(xiàn)象。

為防止類似現(xiàn)象的發(fā)生，在采煤過(guò)程中，保持帶壓掘進(jìn)，通過(guò)增加輔助壓力替換由煤基質(zhì)和內(nèi)部瓦斯共同承擔(dān)的載荷壓力，輔助壓力和上覆巖層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度共同維持上覆載荷，防止鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生；同時(shí)，由于輔助壓力的作用，減小了采煤上方煤巖體應(yīng)力向周圍的轉(zhuǎn)移，避免周圍煤體壓縮變形導(dǎo)致自身強(qiáng)度的降低和瓦斯壓力的增加。

綜上可知，為了防止瓦斯異常涌出和鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，在采煤過(guò)程中，應(yīng)將作業(yè)空間進(jìn)行密閉、增壓，實(shí)現(xiàn)帶壓工作。但是，對(duì)于當(dāng)前傳統(tǒng)的開(kāi)采方法和技術(shù)手段而言還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為此，提出了采用盾構(gòu)式開(kāi)采方式，以實(shí)現(xiàn)在保壓條件下進(jìn)行智能化監(jiān)控檢測(cè)、無(wú)人化盾構(gòu)掘進(jìn)以及流態(tài)化管道輸運(yùn)的開(kāi)采。

2 盾構(gòu)式開(kāi)采裝備及工程應(yīng)用

2.1 盾構(gòu)式開(kāi)采裝備的構(gòu)成

通過(guò)分析和總結(jié)前人對(duì)當(dāng)前開(kāi)采方式的優(yōu)化和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的展望，提出盾構(gòu)式開(kāi)采方式進(jìn)行煤炭資源的開(kāi)采利用，最終形成智能化(無(wú)人化)、精準(zhǔn)化、流態(tài)化三位一體的綜合開(kāi)采方式。盾構(gòu)式開(kāi)采裝備作為該開(kāi)采方式的核心，主要包括盾構(gòu)機(jī)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控裝置、增壓艙室、調(diào)壓艙室以及與之連通的管路、封孔材料，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)及其附屬裝置

其中，構(gòu)成盾構(gòu)式開(kāi)采裝備組件的功能和用途如下：

1) 盾構(gòu)機(jī)：通過(guò)驅(qū)動(dòng)刀盤裝置和推進(jìn)油缸，不斷將前方的煤體進(jìn)行破碎，并通過(guò)輸煤管道將其輸送至地面。

2) 監(jiān)測(cè)監(jiān)控裝置：用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)周圍的瓦斯?jié)舛取毫Φ葦?shù)據(jù)，并將其傳輸至井上；同時(shí)，配置有煤巖識(shí)別系統(tǒng)和糾偏系統(tǒng)，以確保煤炭開(kāi)采效率。

3) 增壓艙室：保證盾構(gòu)式開(kāi)采裝備始終保持在高壓條件下，當(dāng)密閉空間的壓力大于瓦斯壓力，有效抑制周圍煤層中瓦斯的擴(kuò)散，從而防止瓦斯噴出(突出)現(xiàn)象的發(fā)生；同時(shí)密閉空間具有較高的壓力條件，可以在一定程度上支撐上覆巖體的壓力，減少由于采動(dòng)影響引起的塌孔。

4) 調(diào)壓艙室：在開(kāi)采工作結(jié)束后，為方便盾構(gòu)式開(kāi)采裝備的回收，通過(guò)調(diào)壓管路將密閉空間與外界連通，安全地釋放密閉空間內(nèi)的壓力；當(dāng)采掘至斷層、褶曲軸部等瓦斯積聚的構(gòu)造處，檢測(cè)監(jiān)控裝置顯示密閉空間內(nèi)的瓦斯?jié)舛取毫ν蝗辉黾樱谜{(diào)壓艙室將突出的瓦斯排出密閉空間，以確保密閉空間的穩(wěn)定。

5) 封孔材料：利用聚氨酯/水泥砂漿等材料，在鉆孔前段附近進(jìn)行封孔作業(yè)，以確保密閉空間具有高壓環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)保壓條件下盾構(gòu)式開(kāi)采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2 盾構(gòu)式開(kāi)采方式的工程應(yīng)用

相比傳統(tǒng)的開(kāi)采方式，采用盾構(gòu)式開(kāi)采有其特有的優(yōu)勢(shì)——將現(xiàn)有開(kāi)采方式與智能化開(kāi)采理念有機(jī)結(jié)合。在現(xiàn)有的開(kāi)采條件下，根據(jù)煤層賦存狀況，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)式開(kāi)采方式在現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用，并將其分為井下開(kāi)采和地面開(kāi)采兩種開(kāi)采方式。其中井下開(kāi)采主要應(yīng)用于埋藏較深的煤層群開(kāi)采，地面開(kāi)采主要應(yīng)用于埋藏較淺/單煤層的開(kāi)采。

2.2.1 盾構(gòu)式開(kāi)采方式與傳統(tǒng)開(kāi)采方式的對(duì)比

目前，隨著開(kāi)采深度的增加，“三低一強(qiáng)”——低壓力、低滲透率、低飽和度及非均質(zhì)性強(qiáng)的特性明顯，導(dǎo)致高瓦斯/突出礦井的數(shù)量和比重迅速增大。瓦斯的有效抽采成為煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，而抽采系統(tǒng)的布置無(wú)疑增加了煤炭的生產(chǎn)成本。同時(shí)，在煤炭的采掘過(guò)程中，為了保證井下工作人員的安全生產(chǎn)，提供足量的新鮮風(fēng)流，增大了通風(fēng)系統(tǒng)的壓力；懸浮在空氣中的粉塵時(shí)刻威脅著工作人員的身體健康，增加了患有塵/硅肺病等職業(yè)病的風(fēng)險(xiǎn)。與傳統(tǒng)開(kāi)采方式相比，采用盾構(gòu)式開(kāi)采方式可以省去防止瓦斯噴出/突出而建立的抽采系統(tǒng)，極大降低了煤炭的生產(chǎn)成本；同時(shí)，由于掘進(jìn)過(guò)程在密閉的空間內(nèi)，避免了因采掘引起的粉塵增加、瓦斯涌出，減小了通風(fēng)系統(tǒng)的供風(fēng)壓力和職業(yè)病的威脅。

對(duì)于松軟/薄等特殊煤層而言，傳統(tǒng)開(kāi)采方式除了存在上述采掘過(guò)程中的問(wèn)題，在鉆孔和支護(hù)過(guò)程中也存在施工難度大等問(wèn)題。在鉆孔和支護(hù)過(guò)程中，由于松軟煤層高瓦斯、煤層破碎、穩(wěn)定性差的特征，時(shí)常出現(xiàn)噴孔、塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，使得施工難度增加，通過(guò)采取一定的技術(shù)措施和裝備支持后，增加了生產(chǎn)成本。同時(shí)，由于薄煤層賦存條件差、人員無(wú)法直立行走、勞動(dòng)強(qiáng)度大，全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開(kāi)采較為困難，影響了采煤效率。采用盾構(gòu)式開(kāi)采方式，減少鉆孔數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，避免人員進(jìn)入工作面，實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)人化(智能化)。這樣，在工作面的密閉空間內(nèi)，較高的壓力支撐上覆煤巖體和煤體內(nèi)瓦斯，防止了噴孔、塌孔、卡鉆現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2.2 井下盾構(gòu)式開(kāi)采

煤層群的開(kāi)采過(guò)程中，由于松軟/薄等特殊煤層的開(kāi)采難度大、開(kāi)采成本高等因素的限制，對(duì)特殊煤層的開(kāi)采利用率仍較低。傳統(tǒng)的開(kāi)采方式一般通過(guò)保護(hù)層開(kāi)采等卸壓手段，來(lái)確保主采煤層的安全生產(chǎn)。井下盾構(gòu)式開(kāi)采是利用盾構(gòu)機(jī)及附屬裝置從主采煤層的巖巷向目標(biāo)煤層(松軟/薄等特殊煤層)鉆進(jìn)，并通過(guò)輸送管路將煤-瓦斯-水混合物經(jīng)巖巷輸送至地面，如圖2所示。井下盾構(gòu)式開(kāi)采方式是傳統(tǒng)開(kāi)采方式與未來(lái)開(kāi)采理念的結(jié)合體，將現(xiàn)有的煤/巖巷道和通風(fēng)系統(tǒng)充分再利用，不影響現(xiàn)有的開(kāi)采進(jìn)度的同時(shí)，利用先進(jìn)的盾構(gòu)技術(shù)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)、煤巖識(shí)別技術(shù)等裝置，實(shí)現(xiàn)智能化(無(wú)人化)、精準(zhǔn)化、流態(tài)化開(kāi)采。

圖2 井下盾構(gòu)式開(kāi)采方式

其中，井下盾構(gòu)式開(kāi)采方式主要分為3個(gè)階段，分別為：

1) 準(zhǔn)備階段：在主采煤層的巖巷內(nèi)尋找合適的掘進(jìn)位置，盾構(gòu)機(jī)在巖體內(nèi)朝特殊煤層方向鉆進(jìn)。為防止在揭煤過(guò)程中出現(xiàn)瓦斯噴出/突出，當(dāng)鉆進(jìn)至特殊煤層的安全距離附近時(shí)，利用聚氨酯/水泥砂漿等封孔材料進(jìn)行封孔工作。待封孔材料凝固后，盾構(gòu)機(jī)及附屬裝置處于一個(gè)密閉空間內(nèi)，通過(guò)增加艙室和增壓管路向密閉空間增壓。盾構(gòu)機(jī)在高壓的密閉空間內(nèi)繼續(xù)向特殊煤層方向掘進(jìn)，直至進(jìn)入煤體。

2) 采煤階段：當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入煤體后，利用煤矸識(shí)別系統(tǒng)和糾偏系統(tǒng)進(jìn)行采煤軌跡的實(shí)時(shí)調(diào)控，以確保采煤工作的有效性。在采煤過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)監(jiān)控裝置中顯示密閉空間內(nèi)的瓦斯?jié)舛取毫ν蝗辉黾樱瑒t表明采至“瓦斯包”等瓦斯積聚的構(gòu)造處，需要利用調(diào)壓艙室將涌出的瓦斯排出密閉空間，以確保密閉空間的穩(wěn)定。

3) 后處理階段：采煤工作結(jié)束后，將盾構(gòu)機(jī)及其附屬裝置撤至封孔位置，利用調(diào)壓艙室和調(diào)壓管路降低密閉空間的壓力與外界巷道壓力一致，并將其完全撤出。重新封孔作業(yè)并留有抽采管路，該采空區(qū)為鄰近煤層提供卸壓條件，利用抽采管路對(duì)涌入采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行抽采工作。

2.2.3 地面盾構(gòu)式開(kāi)采

相對(duì)于煤層群開(kāi)采，當(dāng)松軟/薄等特殊煤層為單煤層開(kāi)采時(shí)，則采用地面盾構(gòu)式開(kāi)采方式。利用盾構(gòu)機(jī)及附屬裝置在地面進(jìn)行鉆孔作業(yè)，并通過(guò)輸送管路將煤-瓦斯-水混合物輸送至地面煤-瓦斯-水分離裝置，實(shí)現(xiàn)煤、瓦斯、水三者的分離，見(jiàn)圖3。

圖3 地面盾構(gòu)式開(kāi)采方式

與井下盾構(gòu)式開(kāi)采方式相比，地面盾構(gòu)式開(kāi)采在3個(gè)階段的差異為：地面盾構(gòu)式開(kāi)采方式在準(zhǔn)備階段，是在地面尋找合適的掘進(jìn)位置，盾構(gòu)機(jī)從地面朝著特殊煤層方向鉆進(jìn)；在采煤階段，與之相同；在后處理階段，由于特殊煤層為單煤層開(kāi)采，周圍無(wú)鄰近煤層，只需利用抽采管路對(duì)采空區(qū)周圍因卸壓而釋放的瓦斯進(jìn)行抽采即可。

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 分析了當(dāng)前松軟/薄等特殊煤層在鉆孔、采掘及支護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)施工難度大的開(kāi)采現(xiàn)狀以及將其充分利用的必要性。

2) 提出了在保壓條件下進(jìn)行智能化監(jiān)控檢測(cè)、無(wú)人化盾構(gòu)掘進(jìn)以及流態(tài)化管道輸運(yùn)的盾構(gòu)式開(kāi)采系統(tǒng)。

3) 根據(jù)煤層的賦存條件，將盾構(gòu)式開(kāi)采分為井下盾構(gòu)式開(kāi)采和地面盾構(gòu)式開(kāi)采，并闡明了盾構(gòu)式開(kāi)采3個(gè)階段的操作流程。