不稳定煤层开采方法研究

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万志军二〇一〇年四月江苏•徐州中国矿业大学教授硕士生导师矿业工程学院采矿工程系副主任中国能源学会理事E-mail:zhjwan@126.comTel:0516-83995673博士提纲云南省煤炭资源概况不稳定煤层对矿井生产的影响不稳定煤层开采方法一、云南省煤炭资源概况•云南省煤炭资源丰富,2003年全省探明煤炭资源储量252.8687亿吨,居全国第9位,在南方省(区)中仅次于贵州。第三纪褐煤全国第一。•产地265处,主要分布在滇东、滇南和滇东北地区。一、云南省煤炭资源概况-----曲靖炼焦煤矿区•曲靖炼焦煤矿区:该区资源丰富,煤炭产量占全省的一半左右,是云南省炼焦用煤的主要分布区,全省炼焦用煤的98%集中于该地区。•曲靖地区以焦煤、瘦煤为主,有少量肥煤和气煤。•全区共有大中型以上煤矿区18处,其中大型矿区2处,主要分布于宣威地区、富源地区、师宗地区。大矿区一、云南省煤炭资源概况-----昭通褐煤矿区•昭通褐煤矿区:我国已发现的最大的褐煤矿区。矿区含煤面积140km2。可采煤层2~3层,厚度最大194m,一般30~80m,已探明褐煤储量80多亿t。•煤层结构较简单,属稳定型煤层。由于埋藏浅,煤层大部分可露天开采,不利于远距离送煤,只适宜就地开发利用,建立大型坑口电站。大矿区一、云南省煤炭资源概况-----小龙潭矿区•小龙潭矿区位于开远市区北西23千米的小龙潭盆地中,面积18平方千米。•具有工业价值的煤层共有两个含煤段,即主煤层段和薄煤层段。主煤层段为巨厚煤层,最大厚度215.68米,最小厚度2.37米,平均厚度72米。煤质较好,保有储量10.3亿吨。•小龙潭煤矿坑口电站总装机容量60千瓦,占云南省火力发电的50%以上。大矿区---小龙潭矿区一、云南省煤炭资源概况•云南省煤层总体较为稳定,但也有部分矿区煤层稳定性较差,如:恩洪矿区宣威组可采厚度10~31m,平均18.04m,可采系数为7.22%,煤层单层变化厚度最大达5m;老厂矿区可采煤层厚度7~33m,平均20m,可采系数4.44%。全省也有透镜体、鸡窝状矿区,如晚古生代煤层,稳定性普遍较差。•煤炭变质程度:从低变质褐煤到烟煤直至高变质无烟煤。一、云南省煤炭资源概况•煤层数量和厚度不一,可采煤层单层厚度薄的不到1m,厚的达多米。如:恩洪煤田,可采层数多达25层,可采层总厚度才19.3m;小龙潭煤田只一层,平均厚度116.5m,最厚处达到250m。•煤层倾度不一,从近水平到80-90°,甚至有的形成倒转,但大多数为缓倾斜煤层尤其是褐煤田。•因此,对云南地区不稳定煤层开采方法的研究有一定现实意义。二、不稳定煤层对矿井生产的影响1、煤层稳定性的定义煤层稳定性是指煤层形态、厚度、结构和可采性的变化程度,以及煤类和煤质的变化情况。其中,对资源量小,连不成片,或者不能单独开采的煤类可不予考虑。二、不稳定煤层对矿井生产的影响2、煤层稳定程度的划分根据2002年的《煤、泥炭地质勘查规范》的划分,煤层稳定程度共划分为四类:(1)稳定煤层:煤层厚度变化很小,变化规律明显,结构简单至较简单;煤类单一,煤质变化很小。全区可采或大部分可采。二、不稳定煤层对矿井生产的影响(2)较稳定煤层:煤层厚度有一定变化,但无明显规律;结构简单至复杂;有两个煤类,煤质变化中等;全区可采或大部分可采;可采范围内煤厚和煤质变化不大。二、不稳定煤层对矿井生产的影响(3)不稳定煤层:煤层变化较大,无明显规律,结构复杂至极复杂;有两个或三个以上煤类,煤质变化大。包括:1)煤层变化很大,具突然增厚、变薄现象,全区可采或大部分可采;2)煤层呈串珠状、藕节状,一般连续,局部可采,可采边界不规则;3)难以进行分层对比,但可进行分组对比的复煤层。串珠状煤层二、不稳定煤层对矿井生产的影响(4)极不稳定煤层:煤层厚度变化极大,呈透镜状、鸡窝状,一般不连续,很难找出规律,可采快段零星;或为无法进行煤分层对比,且层组对比也有困难的复煤层;煤质变化很大,且无明显规律。鸡窝状煤层二、不稳定煤层对矿井生产的影响3、煤层稳定性的评定指标《矿井地质规程》(1984)指出,在定量评定煤层稳定性时:1)薄煤层:以煤层可采性指数(Km)为主要指标,煤厚变异系数(r)为辅助指标;2)中厚及厚煤层:以煤厚变异系数为主要指标,煤层可采系数为辅助指标。据此,可定量划分煤层稳定类型。二、不稳定煤层对矿井生产的影响煤层可采性系数Km:表示评定区内可采煤层所占比例的参数,其计算公式如下:式中:Km—煤层可采性指数;n—评定区内所有参加评定的见煤点数;n’—见煤点总数n中煤厚大于或等于最低可采标准的见煤点数。煤厚变异系数r:反映评定区内煤层厚度变化偏离平均厚度程度的参数。'/mKnn二、不稳定煤层对矿井生产的影响二、不稳定煤层对矿井生产的影响4、不稳定煤层产生的原因由于煤层厚度变化对开采的影响最大,而且最为常见。一般来说,不稳定煤层主要是指厚度变化大的煤层。造成煤层不稳定的主要原因有:(1)煤层形成时地壳不均衡沉降造成的;(2)泥炭沉积基底不平造成的;(3)河流或海流冲蚀造成的;(4)地质构造挤压造成的;(5)石灰岩地层岩溶塌陷或火成岩侵入造成的。二、不稳定煤层对矿井生产的影响煤层厚度的变化往往不是单一地由某一种原因造成,而是由两种或几种原因综合作用的结果。在同一矿井的不同煤层或同一煤层的不同部位,引起厚度变化的原因也可能不同,有些地方可能是原生沉积造成的厚度变化,而另一些地方则可能是后期地质构造形成的厚度变化。二、不稳定煤层对矿井生产的影响5、不稳定煤层对生产的影响(1)巷道掘进率高不稳定煤层由于连续性和稳定程度差,需要高密度的巷道进行控制。二、不稳定煤层对矿井生产的影响(2)准备巷道布置困难对于结构相对简单的不稳定煤层,主要是煤层厚度和倾角发生变化。要求:按腰线开掘一条准备巷道,以探清煤炭赋存;根据己知地质资料布置好巷道后,煤层厚度变化往往需要重新调整巷道布置。如:分层开采的厚煤层,煤层变薄只能单一煤层开采;或单一煤层开采,由于煤层变厚被迫改为分层开采,需要重新调整巷道布置。对于赋存特别复杂的煤层,往往还需要一些特殊的采煤方法。二、不稳定煤层对矿井生产的影响(3)生产计划制定困难制定生产计划时需要考虑煤层赋存变化所带来的产量变化;煤层变薄会造成采煤量减少,使生产计划难以完成。二、不稳定煤层对矿井生产的影响(4)采出率降低,浪费资源不稳定煤层厚度变化造成工作面回采率下降是对矿井最严重的影响。若煤层局部变薄,且变薄区的厚度小于破煤设备和支架的最小工作高度,为保证工作面连续推进,则需采出部分顶底板矸石或将该变薄区丢弃不采。工作面煤层局部变厚时,若变厚区范围不大,不值得布置分层工作面,则只能采出破煤设备和支架允许高度范围内的煤体,而将变厚的部分作为厚度损失丢弃不采;若变厚区的范围较大,则需改用分层开采,并需改变原有的采区或带区巷道准备方式。三、不稳定煤层开采方法迄今为止,国内外尚没有一种采煤方法能够适应各种不稳定煤层的开采。原因:因为不稳定煤层往往地质条件比较复杂,煤层赋存不规则,无规律,煤层厚度和倾角变化难以预测,大型化的设备很难发挥产能空间,现有的探测技术很难适应这种复杂的地质条件等。三、不稳定煤层开采方法1、不稳定煤层的开采方法不稳定厚煤层的开采,主要方法有:分层下行开采;恒底式分层开采;炮采放顶煤开采;普采放顶煤及综放开采。一些矿区也试验一些新型的不稳定煤层采煤方法,取得了显著的效益。如,济宁二号煤矿在3下不稳定煤层将工作面分成综采区、过渡区和综放区三个部分用同一套设备进行回采以适应煤厚的变化。三、不稳定煤层开采方法(1)分层下行开采•应用最为广泛的方法。•在煤层较厚的局部地区,对煤层进行分层,布置走向或倾斜长壁工作面,用综采、普采或炮采工艺自上而下顺序开采。•但由于煤层厚度的变化大,分层厚度及工作面大小常受影响,导致工作面的产量、效率和回收率普遍偏低,同时也不适应综合机械化开采的要求,难以达到高产高效。114518391020141278221191761322115三、不稳定煤层开采方法(2)恒底分层开采•恒底分层开采方法先沿底板回采第一分层,上方顶煤和顶板自然垮落。顶煤和顶板经过一段时间活动稳定后再沿底板回采第二分层,并用同样的方法顺序采完各个分层。但是,恒底分层开采的条件是上部煤层垮落后能够胶结为再生煤层,对煤层条件要求高,且最后分层工作面由于垮落顶板影响,煤质灰分高。三、不稳定煤层开采方法(3)一次采全厚放顶煤开采•该法是沿厚煤层的底板布置回采巷道,在采用走向长壁采煤方法回采底层煤的同时放顶煤,一次采全厚。•巷道布置简单、效率高、产量大、生产安全、回采率高等优点,能够很好地解决缓倾斜不稳定厚煤层的开采问题。•我国在开采厚煤层中先后有炮采放顶煤采煤法、普通机采放顶煤采煤法和综采放顶煤采煤法等。三、不稳定煤层开采方法滑移顶梁液压支架铺顶网低位放顶煤双输送机液压支架工作面三、不稳定煤层开采方法•一次采全厚放顶煤采煤法的工作面始终沿底板推进,这样煤层厚度变化不会影响工作面的正常生产,不存在丢顶煤和丢底煤的问题。•在煤层厚度变化较大的厚煤层中,采用放顶煤采煤法比分层开采可以取得较高的采出率。•此方法被认为是解决缓倾斜不稳定厚煤层开采的最好方法。三、不稳定煤层开采方法•对于急倾斜不稳定厚煤层的开采,一般采用仓储式放顶煤采煤法。•对于较薄不稳定厚煤层开采,目前国内有少数矿井采用轻型放顶煤支架进行综采放顶煤开采,工作面年产量一般为70~100万t。三、不稳定煤层开采方法(4)不稳定煤层其它开采方法开采倾斜不稳定煤层还有有水力采煤法等;开采急倾斜不稳定煤层有水平分层采煤法、斜坡采煤法、巷道长壁采煤法、水平巷柱采煤法、深孔爆破采煤法、水力采煤法等。三、不稳定煤层开采方法2、不稳定煤层的开采工艺•开采不稳定煤层的工艺应有较强的适应地质条件变化的能力。•对于薄及中厚煤层的一次采全高及厚煤层分层开采主要有摩擦支柱+金属铰接顶梁、单体支柱+金属铰接顶梁/∏型钢梁、整体顶梁悬移支架等炮采工艺,普采和高档普采,炮采/普采铺网和综采放顶煤工艺以及轻型支架放顶煤工艺等。•以厚煤层放顶煤为类介绍不稳定煤层的开采工艺。三、不稳定煤层开采方法(1)普采放顶煤工艺•普采成本低,对地质变化的适应性强,工作面搬迁容易。•对推进距离短、形状不规则、小断层和褶曲较发育的工作面,采用普采较综采可取得较好的效果,而且普采操作技术较易掌握,组织生产比较容易。•普采是我国中小型矿井发展采煤机械化的重点。三、不稳定煤层开采方法•普采放顶煤工作面采用金属摩擦支柱/单体液压支柱+金属铰接顶梁/∏型钢梁进行支护,采煤机采煤,顶板铺金属网,综合了普采适应性强和放顶煤效率高、产量大等优点,在生产中得到了广泛的应用。•如盘江矿务局山脚村矿121215高档面,采用DZ25单体柱配合HDJH--1200铰接顶梁,铺金属网护顶,MG15022滚筒采煤机,沿底割煤,采高2.0~2.2m,回柱放顶时人工破网回收护顶煤,创造了良好的效益。三、不稳定煤层开采方法(2)炮采放顶煤工艺炮采放顶煤工艺在不稳定厚煤层一次采全高开采中应用最为广泛。1)单体液压支柱∏型钢梁支护操作简单、管理方便、安全可靠、经济效益显著,是解决难采厚煤层的一种实用技术,是一种技术上可行,经济上合理的新支护方法,是高档普采和炮采设备的新发展,值得推广使用,尤其适合地质构造复杂的工作面。单体液压支柱∏型钢梁支护在地质多变的情况下有更大的适应性。∏型梁属刚性支护,放炮后及时移主梁,能及时有效地支护顶板,阻止顶板离层。过破碎带时,炮后即便炮道上方出现漏顶,只要∏型梁插入煤壁,用网和背板封顶,支架仍有一定的稳定性。三、不稳定煤层开采方法•义马煤业集团陕渑煤田主采二叠系山西组二1煤层,煤层赋存极不稳定。石壕13111试验试验工作面煤层厚度4~8m,平均5m。该工作面分上下两段,上段走向长220m,倾斜长75m;下段走向长350m,倾斜长70m,工作面总长度145m。工作面采用2.4m长的π型钢梁配合DZ22-30/100单体液压支柱支护。实践证明,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