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煤矿特殊开采方法的应用

摘要 随着技术的不断发展，煤矿业开采技术也在发生着巨大的变化，使我们的开采量达到了前所未有的程度。本文就论述几种现在用到的开采技术。
关键词 煤矿 开采 特殊方法
1.物探方法在煤矿采空区的应用
1.1 煤矿采空区地球物理特征
由于历史多种原因,我国目前已形成的煤矿采空区或小煤窑大多集中在50~200m,煤层采厚为1~4m。地下煤层被开采厚,在地下形成了空洞,破坏了原本平衡的地下应力系统,产生局部应力集中,覆岩在应力的作用下发生了变形、断裂、位移和冒落等,并重新达到了应力平衡,在采空区上形成了“三带”, 增刊李晓斌:物探方法在煤矿采空区的应用跨落带:煤层踩空上部岩层出现塌落。断裂带:塌落带上方岩体因弯曲变形过大,在采空区上方产生较大的拉应力,两侧受到剪应力,因而岩体出现大量裂隙,岩石的整体性受到破坏。
弯曲带:断裂带以上到地面,在自重应力的作用下产生弯曲变形,而不再破裂。如果采空区较深,煤层较薄,且上覆岩坚硬,则垮塌的可能性较小,即使垮塌下身,对地面的影响也较小;反之,则对地面的影响较大,尤其是当采空区尚未充填密实,如果建造高层建筑将诱发地基继续深陷。冒落带由于塌陷作用,使其物性发生变化,增大了目标体的规模,有助于采空区探测。其发育高度与上覆岩及采厚有很大的关系,对于中硬性上覆岩的经验计算公式为:Hli=100∑M57±6·3 (中硬) (1)式中,Hli为导水裂缝带高度(m);∑M为煤层累计开采厚度;±6·3为计算中误差,与岩性有关。
1.2　采空区地球物理探测方法
一般而言,利用地球物理探测技术探测煤矿采空区,除了埋深外,采空区的探测在很大程度上依赖其上覆岩的破坏程度,应综合考虑其复杂性与多变性。①采空区上方裂隙带发育的范围与采空区面积有关。对正在进行开采的采空区,冒落带、裂中国矿业第20卷
隙带不发育,其电阻率表现为高阻特性,波速表现为低速;当采深比较大时,用地球物理方法探测具有一定的困难。②开采后废弃的采空区,其上覆岩已发生了充分的形变,并达到新的应力平衡状态,冒落带、裂隙带均已发育成熟。当采空区充水时,表现为低阻特性;当采空区不充水时,表现为高阻特征。③采空区的物理特性随时间变化的,最终在平衡后趋于稳定。在采空区冒落带、裂隙带稳定前,其电阻率随稳定程度而变化。这变化受多种因素的影响,如冒落带及裂隙带范围、围岩岩性、充填性及含水程度等。因而,在探测时,应充分考虑其复杂性及多变性。对于刚刚形成的采空区,冒落带、裂隙带等不发育,其电阻率一般为高阻特性,地震波速具有明显的波阻抗特性。对于煤层开采较深、水文地质条件相对简单的采空区,其地球物理方法探测具有一定的困难。随着时间变化,当应力趋于
新的平衡稳定,采空区的地球物理特性将发生变化,如冒落带、裂隙带等均已发育成熟,甚至采空区中充水等。这些复杂性和多变性在选用地球物理方法时要充分考虑。
1.2.1　地震探测方法
在煤矿采空区探测中应用较多的是地震探测方法,具有勘探精度较高、效果好的特点,但是成本相对较高。浅层折射法在覆盖层探测中具有技术优势,由于煤矿被采空,在地震反射记录上,形成煤层反射波的地球物理前提已不存在,因此煤层反射波的缺失是解释采空区的依据之一。另外,煤矿采空区使其在地下地质结构中形成一个物性与周围界质差异很大的不均体。因此在煤层采空区,即使在地震记录上接收不到反射波,但仍能接收到该不均匀体(煤层采空区)的背向散射波。因此散射波也是解释采空区的另一特征。
另外,煤层被采空后,在其上方及周围形成了冒落带、裂隙发育带及受其影响产生的地表变形带。由于煤层采空区的存在,改变了地层的速度结构众所周知,横波速度(Vs)是反映土体力变性质的指标。天然源面波勘探是研究地下介质横波速度结构的有效方法,煤层采空区的存在将会在面波频散曲线上形成较大的“之”字型回折,而正常地层的频散曲线则较平滑。是未被采空地段的频散曲线,可见煤层未被采空区的频散曲线较光滑。图3(b)煤层是被采空后的频散曲线,在埋深130m处有一较大的“之”字型特征。天然源面波勘探(即微动勘查)是一种物探新技术,众所周知,我们生活的地球无时无刻不在震动,只不过这种震动太微弱,我们感知不到,这种震动来自两个方面:一是气压、海浪、潮汐产生的低频震动;二是各种人文活动也产生较高频率的震动。经研究得知,微动是一种平稳的随机过程,且面波占整个能量的70%以上,而面波又不同于体波具有频散现象。利用这一特征采用观测到微动的数据经处理后可得到频散曲线,并用此来解释地下的地质结构。一般而言,为了调查采空区对近地表土体的影响程度,选择多道瞬态面波勘探。
1.2.2　电法探测方法
电阻率法通过测量流过埋置在地表的电极间的电流所引起的电压的空间变化,来直接测量大地的总电阻。该类方法对孔隙流体化学含量的变化敏感,但不提供大地力学性质的直接信息,通常无法达到地震反射法所能达到的精度。然而在正常情况下,电阻率法和地震法相比,却有着极大的成本优势。电法和电磁法勘探的解释工作通常要求使用反演程序生成一个与数据相符的模型。在煤矿采空区勘探中的直流电阻率法(高密度)198
增刊李晓斌:物探方法在煤矿采空区的应用。煤矿采空区中应用广泛的另一种电法是瞬变
电磁法,电阻率法之所以被电磁法取代,是因为电磁法能更快地提供大致相当的信息,却无须使用与大地接触的电极。
2 .煤矿条带开采法的应用
2.1 基本概念及特点
对开采方法的基本要求是交建筑物下所压的煤炭开采后,使地面建筑物基本保持完好,或者不修或小修的程度,从而达到安全、经济的效果。条带式开采法,就是将开采块段划分成比较正规的条带形状,采一条,留一条,使留下的条带煤柱能承受上覆岩层的压力,而使地表产生较小的移动和变形的一种特殊开采方法,其具有以下特点:
(1)地表不形成明显的波浪形状;(2)表地最大下沉值一般不超过开采总厚度的30%; (3)开采总面积和保留煤柱之比一般小于3;(4)在采出条带上方形成拱形冒落,形成了以煤柱为支座的连续拱。
2·2　有关数据计算
条带冒落开采法的实质是采一条,留一条,其回采宽度不应使顶板冒落涉及到地面建筑物的允许变形范围内,而煤柱的宽度应有足够的强度和稳定性,以支撑上覆岩石的荷载,兹将有关数据计算如下:
(1)条带尺寸的计算
①采宽B的确定:根据经验,采宽为采深的1/4-1/8,现选1/8采深,则B=H/8=124/8=15m。
②煤柱宽度A的确定:A=6·56HM/103+B/3-B2/3·6H式中H=124m,M=1·6m, B=15m,则A=5·8m。根据经验数据,宽度不得小于采高的5倍,故本井煤柱宽度A取8m。
(2)条带煤柱强度计算
煤柱强度安全系数K即煤柱所能承受的上覆荷载与煤柱实际承受荷载之比。煤柱所能承载值按下式计算P=4Rh(A-4·92×M×H×10-3)=4×2·4×124(8-4·92×1·6×124×10-3)=8361·37t=81996kN煤柱实际承担值P1=r[H*M+B(2H-B/0·6/2)=2·4[124×1·6+15×(2×124-15/0·6) /2]=4490·16t=44035kN煤柱强度安全系数K=P/P1=1·86,经计算煤柱宽度取8m宽,开采宽度取15m宽。
3．大采高综采一次采全厚及放顶煤开采一次采全厚
3.1一次采全厚大采高长壁综采
我国从1978年起，从德国引进TG320.20/37型、GB20.23/45型等型号的大采高液压支架及相应的采煤运输设备，与此同时也开始研制和试验国产的大采高液压支架和采煤机。经过20多年的努力，现已取得了明显的进展。到目前为止，对于厚度为3.5一4.5m的缓倾斜厚煤层，大采高一次采全厚综采己取得了成功，与倾斜分层综采相比，己在技术经济上体现出明显的优越性和发展潜力，并为降低掘进率，缓和采掘关系、简化生产环节和保证安全生产提供了条件。据统计，大采高综采工作面的单产水平要比同一煤层条件下的倾斜分层综采工作面高1.18一2.62倍，而回采工效则要高.058一1.22倍。虽然大采高综采设备的投资和设备折旧费比分层综采高3.4倍。但由于其产量大，效率高以及减少回采巷道，不铺设假顶和减少工作面搬迁等因素，其综合经济效益明显高于分层综采。但由于国产大采高设备不够完善及缺乏管理经验，大采高工作面的生产能力未能全面充分地得到发挥。
目前，我国部分生产矿井己经采用大采高综采进行厚煤层的开采，并取得了良好的经济效益。但因工作面配套设备的不同，工作面单产存在明显的差距，采用国产设备的工作面产量仅为全引进设备大采高工作面产量的1/3~1/4。工作面全部采用进口设备的矿井主要有神华集团神东公司下属的矿井及晋城寺河煤矿。如神华集团神东公司的大柳塔矿，设计采高.53m，工作面月平均产量达到75万t，最大月产量为90.7万t;神华集团神东榆家梁矿，采高为.42m，工作面月平均产量达到89万t:晋城寺河煤矿大采高综采工作面，支架最大高度可达.55m，每天平均割煤10刀，最多日进16刀，平均日产量1.4万t，工作面月平均产量达到40万t。采用国产设备的大采高工作面，如沈阳矿务局三矿综采一队，采高为.45m，单面年产量达到191.4万t:开滦范各庄矿综三队，采高为4m，单面年产量达到100.85万t。邢台东庞矿大采高综采工作面采高sm，年产达到220万t。大采高综采由于配套设备能力的不断加大，对于条件适宜的厚煤层矿区，己成为高产稳产的主要途径。
3.2厚及特厚煤层放顶煤开采
放顶煤采煤法最早应用于欧洲，如法国、南斯拉夫、罗马尼亚、原苏联等国。上世纪80年代初我国才开始试验，引进国外放顶煤液压支架，自20世纪90年代起综放开采得到了迅速发展，出现了潞安、充州、阳泉等以综放开采为主的大型高产高效矿区。目前综放队最高年产量己超过600万t，2003年充矿集团已有3个综放队实现年产600万t以上。放顶煤采煤法与其他厚煤层长壁开采工艺相比具有以下优点:(1)由于放顶煤工艺可以实现采放平行作业，l个工作面至少可相当2个普通工作面，单产和效率可提高80~120%;(2)巷道掘进率低，一般要比分层开采低50一60%，这就可以大大缓和采掘接替的矛盾，减少巷道维护工程量，同时生产也相对集中;(3)工作面搬家次数较分层开采至少减少一半以上;(4)节省电力消耗，因放顶煤开采的顶煤是靠自然矿山压力来破碎放出的，无须外加动力，与分层机采相比，吨煤可节约用电巧~20度。(5)减少材料消耗，与分层机采相比，可大大减少坑木消耗、金属网消耗(假顶)、截齿和油脂消耗。根据估算其节约的材料费用约可使工作面吨煤直接成本降低5~10元。(6)对地质条件、煤层赋存条件有更大的适应性，实践证明，放顶煤可通过调节采放高度比(缓倾斜煤层)适应厚度变化，便于通过落差较小的断层连续开采。在不稳定厚煤层条件下，其回采率可略高于分层开采。放顶煤采煤方法的缺点:()l工作面煤炭采出率较低、丢煤多;(2)煤尘大，对人员健康、安全危害严重。放顶煤工作面出煤点增多，且支架上方为己破坏的顶煤体，在工作面割煤、放煤及移架过程中煤尘大;(3)放煤时煤、研线难以区别，使含研率增高影响煤质;(4)两巷上方的顶煤及采煤工作面采空区遗煤易自燃，增加了“一通三防”的难度。由于放顶煤开采对不稳定煤层适应性强，工作面出煤点多，且容易实现高产，在
我国厚及特厚煤层中应用最为广泛，己成为厚煤层矿区实现高产高效的重要途径。
参考文献：
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