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中国煤炭报:乐鱼手机版能源张矿集团官板乌素煤矿突破坚硬特厚煤层放顶煤开采难题

发布时间:2021-12-06 08:54:12 乐鱼手(shou)机版能(neng)源

稿件来源:《中国煤炭报》12月2日4版

降(jiang)低煤(mei)(mei)柱留设量(liang)  提高顶煤(mei)(mei)回收率

乐鱼(yu)手(shou)机版能源张矿(kuang)集团官板乌素(su)煤矿(kuang)突破坚硬特厚煤层放(fang)顶煤开采难题(ti)

平均煤厚12.5 米(mi)、普氏硬度系(xi)数(shu)达3.6 的特厚坚硬煤层时常(chang)“发威”——不是(shi)顶煤难垮(kua)落,就是(shi)垮(kua)落块度过大,直接(jie)导致顶煤采出(chu)率不高(gao)、采场顶板难以控制……日(ri)前,这些困扰官板乌素煤矿多年(nian)的放(fang)顶煤开采难题终被攻克(ke)。

“采区预留的(de)安全(quan)煤柱由原来(lai)设计的(de)33 米减至11 米。”该矿(kuang)董事(shi)长周晓路欣喜于创新(xin)为企业带(dai)来(lai)的(de)变(bian)化,仅2 个工作(zuo)面就多回收60 万吨煤炭资源(yuan),增加收入(ru)4 亿元。

确定沿空掘(jue)巷位置及煤柱宽度

官板乌素煤矿是乐(le)鱼手机版(ban)能源张矿集团投(tou)资(zi)收(shou)购地方民营(ying)企业(ye)、实施(shi)股份重组后成立的国有控股企业(ye)。经过10 余年的持续生产,矿井煤炭(tan)赋存量日渐萎缩,难以支撑(cheng)企业(ye)后续发展。

怎(zen)么办?一方(fang)面,他(ta)们眼界(jie)向外(wai),积极申请资源扩界(jie);另一方(fang)面,刀刃向内,瞄(miao)准(zhun)现有开采地(di)区深挖内潜(qian),调整和优化生产组织方(fang)式。

令(ling)他们头疼(teng)的(de)(de),是6号特厚(hou)坚硬煤层带来的(de)(de)综放作(zuo)业面顶煤难(nan)垮(kua)落、垮(kua)落块度大、顶煤采出(chu)率低、采场顶板难(nan)以控制等困扰。

周晓路(lu)说,官板乌素(su)煤矿井田(tian)面(mian)积不(bu)足3.5平(ping)方公里, 生产地区布(bu)置于井田(tian)深部6号煤层(ceng)。井田(tian)地质条件多变(bian),煤层(ceng)倾角扰(rao)曲部位超过15 度(du),煤层(ceng)开采(cai)厚度(du)大(da),且覆岩运移破(po)(po)断范(fan)围(wei)广(guang)、不(bu)同层(ceng)位的(de)顶板破(po)(po)碎特(te)征及(ji)矿压作用机(ji)制差异较大(da),造(zao)成大(da)空间覆岩应(ying)力分布(bu)及(ji)采(cai)场(chang)矿压显(xian)现(xian)复杂。

“采(cai)用(yong)以(yi)往回采(cai)工艺、人员组织、预留大(da)区(qu)段安全(quan)煤(mei)柱的方法,对(dui)于平均厚度为12.5 米的特厚煤(mei)层来说,煤(mei)炭采(cai)出率、矿井综合效益(yi)都(dou)不太理(li)想。”周晓路说。

从2019 年(nian)开始,该矿(kuang)与科研院校合(he)(he)作(zuo),针对(dui)611 综(zong)放(fang)工作(zuo)面6 号煤(mei)层综(zong)合(he)(he)机(ji)械化放(fang)顶煤(mei)开采,展开了项目攻关。

从特(te)厚煤层综放工作面(mian)(mian)实体煤侧覆岩(yan)运动规律(lv)入手(shou),该(gai)矿总工程师朱(zhu)贵祯掌握了(le)特(te)厚煤层综放工作面(mian)(mian)支(zhi)承压(ya)(ya)力(li)(li)演化规律(lv)、工作面(mian)(mian)稳定后采空区侧向支(zhi)承压(ya)(ya)力(li)(li)分布等(deng)第(di)一手(shou)资料,模拟出(chu)工作面(mian)(mian)采空区稳定后的数值,确定了(le)沿空掘(jue)巷(xiang)位置及(ji)煤柱留设量。

“为最大(da)限(xian)度(du)地减小煤柱(zhu)损失,我们沿破碎区(qu)将(jiang)掘巷位(wei)置布(bu)置在(zai)围岩完整程度(du)较好、远离侧向支承(cheng)应(ying)力(li)集中(zhong)的(de)塑性区(qu)。”朱贵祯说,从煤柱(zhu)内应(ying)力(li)场(chang)分布(bu)规律(lv)、采空(kong)区(qu)防火、煤炭资源

回收率等方(fang)面考虑,煤(mei)(mei)柱(zhu)合理(li)宽度应维持在11米(mi)左右,“ 虽然33 米(mi)大(da)煤(mei)(mei)柱(zhu)的承(cheng)载(zai)力更强, 但11 米(mi)窄煤(mei)(mei)柱(zhu)仍具有相(xiang)当承(cheng)载(zai)力,能保(bao)持巷(xiang)道围(wei)岩稳定。”

据测算, 与之前(qian)2 个工作面(mian)区段间(jian)留(liu)设的(de)33 米煤(mei)柱相比, 优化(hua)后的(de)707 米长的(de)工作面(mian)煤(mei)柱煤(mei)损回采(cai)率提升至88%。

运用大直径钻孔顶煤(mei)预裂技(ji)术(shu)

指(zhi)挥移架(jia)、推溜(liu),熟练操作(zuo)采煤(mei)机往复作(zuo)业(ye)……在井下工(gong)作(zuo)了(le)20 余年(nian),综采区班长(zhang)张春林(lin)习惯了(le)各种地质条(tiao)件下的(de)煤(mei)层开采工(gong)作(zuo)。但对于(yu)12.5 米(mi)的(de)特厚(hou)坚硬煤(mei)层,放(fang)顶煤(mei)不(bu)易垮(kua)落、顶板难(nan)管理(li)经常(chang)令他力不(bu)从心。

张春林表示,综放(fang)工作面放(fang)顶(ding)(ding)煤(mei)开采(cai)可(ke)使(shi)采(cai)煤(mei)机可(ke)采(cai)高(gao)度和顶(ding)(ding)部的煤(mei)炭同时采(cai)出。“顶(ding)(ding)煤(mei)主要在矿压作用下发(fa)生(sheng)变(bian)形(xing)后破坏(huai)性垮(kua)落(luo)。因此,放(fang)顶(ding)(ding)煤(mei)回采(cai)关(guan)键(jian)是顶(ding)(ding)煤(mei)的破碎、垮(kua)落(luo)和放(fang)煤(mei)工艺。”张春林说。

煤(mei)层强度直接影响顶煤(mei)冒(mao)放性(xing)。综采区技术员张明家(jia)对此了如指掌:“软煤(mei)最(zui)容易冒(mao)落(luo),可放性(xing)好(hao);中(zhong)硬煤(mei)次之;硬煤(mei)的(de)冒(mao)放性(xing)最(zui)差。”

据了解, 官板(ban)乌(wu)素煤(mei)(mei)矿6 号煤(mei)(mei)层煤(mei)(mei)体(ti)属(shu)硬煤(mei)(mei)层,煤(mei)(mei)层强度(du)对顶(ding)(ding)煤(mei)(mei)冒放性影响明(ming)显(xian)。现场支(zhi)架(jia)后部(bu)常有(you)悬顶(ding)(ding)的顶(ding)(ding)煤(mei)(mei),且冒落(luo)块(kuai)度(du)较大。

“611 特厚煤层综放(fang)回采(cai)工作(zuo)面(mian)机(ji)采(cai)高度3.5米,放(fang)顶煤最大厚度10 米、平均厚度9 米,采(cai)放(fang)比为1∶ 2.6, 顶煤厚度较大。中(zhong)部顶煤很难得到充分松(song)动,导致(zhi)顶煤难以冒落。” 张明家说。这不仅造成了(le)资源浪费,还(hai)会(hui)引(yin)发采(cai)空区遗煤自(zi)然发火。

“顶(ding)煤高效回收,取决于顶(ding)煤破碎(sui)机理(li)和(he)散(san)体(ti)顶(ding)煤流动规律2 个关键因素。”朱贵(gui)祯深谙(an)降低顶(ding)煤强(qiang)度的各类手段, 却(que)止步于深孔爆破、超(chao)前(qian)注水软化等(deng)传(chuan)统方(fang)法(fa)给工(gong)作面(mian)带来的危险(xian)和(he)隐(yin)患。

直到大直径钻孔顶煤(mei)(mei)(mei)预裂技术的出现(xian),他们(men)从(cong)根(gen)本上找到了弱化(hua)特厚坚硬(ying)顶煤(mei)(mei)(mei)安全高效的方(fang)法。“向顶煤(mei)(mei)(mei)中(zhong)施(shi)(shi)工大直径钻孔,对(dui)坚硬(ying)顶煤(mei)(mei)(mei)实(shi)施(shi)(shi)预裂。”朱贵祯说。此工艺简单,受(shou)煤(mei)(mei)(mei)层条(tiao)件影响小(xiao)、利于(yu)工作面(mian)连(lian)续生产,可节约大量生产和技术成(cheng)本。

在接下(xia)来的实验(yan)中,张明家发现,随(sui)着大直径(jing)钻孔在煤(mei)体(ti)(ti)中的开挖,煤(mei)体(ti)(ti)的应力场平衡状态被打破(po),在重新分布的应力作用(yong)下(xia)发生弹塑性(xing)(xing)变形(xing),并从(cong)孔壁向煤(mei)体(ti)(ti)深(shen)部发展,由孔壁向煤(mei)体(ti)(ti)深(shen)处依次形(xing)成了破(po)裂(lie)区(qu)、塑性(xing)(xing)区(qu)和弹性(xing)(xing)区(qu)3 个区(qu)域。

“增大钻(zuan)孔直(zhi)(zhi)径(jing),塑性(xing)区便会扩大。”实验中,张(zhang)明家逐步扩大了(le)钻(zuan)孔直(zhi)(zhi)径(jing)。在减(jian)少钻(zuan)孔巷道(dao)围岩变形(xing)量、综(zong)合(he)考虑技术(shu)因素和(he)经济(ji)因素情况下, 他最终将(jiang)钻(zuan)孔直(zhi)(zhi)径(jing)尺寸(cun)确(que)定为150毫(hao)米。

优化(hua)工(gong)作(zuo)面回采工(gong)艺设计(ji)

在实(shi)施大直径钻(zuan)孔(kong)工艺(yi)后,特厚坚硬(ying)顶煤(mei)逐步弱化,破碎(sui)为具(ju)有冒放性的(de)流动(dong)散(san)体煤(mei)。“散(san)体煤(mei)的(de)高效回(hui)收,仍然受制于放煤(mei)方式、放煤(mei)步距等(deng)因素。”朱贵祯接下来的(de)任务,是(shi)结(jie)合放煤(mei)工艺(yi),采取合理有效的(de)放煤(mei)步距,提高顶煤(mei)放出量、减(jian)少放煤(mei)损失(shi)。

在611 工作面(mian)3.5 米采高条件下,朱贵祯和(he)(he)技术(shu)人员(yuan)分别实验了不(bu)同放(fang)煤(mei)(mei)步(bu)距(ju)、放(fang)煤(mei)(mei)方式对顶煤(mei)(mei)放(fang)出(chu)规(gui)律的影响(xiang)。他们进而得出(chu):煤(mei)(mei)矸混杂区形成(cheng)时间和(he)(he)空间形态、顶板(ban)冒落形式和(he)(he)块(kuai)度(du)、支(zhi)架选型和(he)(he)放(fang)煤(mei)(mei)步(bu)距(ju)等(deng)是(shi)造成(cheng)放(fang)煤(mei)(mei)损(sun)失(shi)的主要因素。

在确(que)定放(fang)煤(mei)(mei)步(bu)距方面, 他们分别实验了0.6 米(mi)、1.2 米(mi)、1.8 米(mi)和连续单轮多轮、间隔单轮多轮放(fang)煤(mei)(mei)工(gong)艺,分别模拟煤(mei)(mei)矸流(liu)场动态变化的过程, 分析顶煤(mei)(mei)损失特征、采出率(lv)和含(han)矸率(lv)。

朱贵祯发现,当放(fang)(fang)(fang)煤(mei)(mei)(mei)步(bu)距(ju)为0.6 米(mi)时(shi),顶(ding)(ding)煤(mei)(mei)(mei)放(fang)(fang)(fang)出(chu)量呈(cheng)“少—多(duo)—少”循环(huan)(huan)形式,放(fang)(fang)(fang)煤(mei)(mei)(mei)口放(fang)(fang)(fang)出(chu)的矸(gan)(gan)(gan)石以“采(cai)空区矸(gan)(gan)(gan)石—顶(ding)(ding)部矸(gan)(gan)(gan)石—采(cai)空区矸(gan)(gan)(gan)石”循环(huan)(huan)形式出(chu)现,顶(ding)(ding)煤(mei)(mei)(mei)回收(shou)率达(da)76.13% ,含矸(gan)(gan)(gan)率6.76%;当放(fang)(fang)(fang)煤(mei)(mei)(mei)步(bu)距(ju)为1.2 米(mi)时(shi),采(cai)空区内矸(gan)(gan)(gan)石和顶(ding)(ding)板(ban)矸(gan)(gan)(gan)石同时(shi)冒落至(zhi)放(fang)(fang)(fang)煤(mei)(mei)(mei)口。相比0.6米(mi)放(fang)(fang)(fang)煤(mei)(mei)(mei)步(bu)距(ju),顶(ding)(ding)煤(mei)(mei)(mei)损(sun)失较小,总(zong)体回收(shou)率达(da)到79.88%, 含矸(gan)(gan)(gan)率5.75%; 而放(fang)(fang)(fang)煤(mei)(mei)(mei)步(bu)距(ju)增(zeng)大至(zhi)1.8米(mi)时(shi),采(cai)空区附近矸(gan)(gan)(gan)石留置于采(cai)空区内,顶(ding)(ding)煤(mei)(mei)(mei)损(sun)失加大,顶(ding)(ding)煤(mei)(mei)(mei)回收(shou)率仅为74.57% ,含矸(gan)(gan)(gan)率6.74%。

“放(fang)煤(mei)步距为1.2 米时, 顶煤(mei)回收率(lv)较高(gao),含矸率(lv)最低。”朱贵祯(zhen)说(shuo)。

在优化放煤(mei)工艺方面(mian),张明家先(xian)后对特厚煤(mei)层顶(ding)煤(mei)在“两放一采”工艺条件下的(de)单(dan)轮顺序、双(shuang)轮顺序和(he)三轮顺序工艺的(de)顶(ding)煤(mei)损失(shi)规律进(jin)行了实验。

“单轮顺序放煤(mei)原煤(mei)回(hui)收率为74%至78% ,双轮间(jian)隔原煤(mei)回(hui)收率79%至82%。”张明家说。三轮间(jian)隔放煤(mei)的顶煤(mei)损失最少(shao),回(hui)收率能达到82%至84%。

“随着放煤(mei)(mei)轮次的(de)增加(jia),顶煤(mei)(mei)回(hui)收(shou)率依次增高,同时也伴随着工艺(yi)复杂(za)程度的(de)提(ti)升。工作(zuo)(zuo)面(mian)放煤(mei)(mei)方(fang)式(shi)(shi)的(de)选择(ze),还要考虑两者间的(de)平衡。”周晓(xiao)路说。间隔多轮放煤(mei)(mei)是611 工作(zuo)(zuo)面(mian)较为合适的(de)高效放煤(mei)(mei)方(fang)式(shi)(shi),“采用‘两放一采’、三轮放煤(mei)(mei)工艺(yi),顶煤(mei)(mei)回(hui)收(shou)率达到82.27%,较以往提(ti)升近45%。”(王(wang)海(hai) 梁树清 王(wang)帅)