提高煤炭采出率的技术探索与实践设计专题报告.doc
兴隆庄煤矿1.2Mta新井设计含5张CAD图-采矿工程.zip
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兴隆
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采矿工程
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提高煤炭采出率的技术探索与实践摘要：为提升采出率并保护环境，文章介绍正常煤层赋存区的干净开采和“三下”煤层赋存区特殊开采时可供选择的几种采煤工艺。关键词：煤炭采出率；特殊开采；影响因素；地质条件；回采工艺Abstract：To enhance the recovery rate and protect the environment，the article describes several kinds of recovery methods that can be selected for the clean recovery of normal coal bed area and the special recovery at “three under” coal area.Keywords：coal mining ratio；special recovery；influence factor；geological condition；mining technique一、我国煤炭采出率标准研究自2004年来，我国煤炭原煤产量持续增长1，我国煤炭资源采出率没有得到相应提高，煤炭资源损失严重。以2007年为例，我国煤矿平均资源采出率为30，而美国、澳大利亚、德国、加拿大等发达国家，资源采出率能达到70一802国煤炭采出率低下的一个重要原因，就是我国现行的煤炭采出率标准分类简单，指导性较差。针对于此，本文系统分析了影响采出率的因素，并根据地质因素建立了新的煤炭采出率标准。1现行煤炭采出率标准分析在不同的经济发展时期，我国政府制订了不同的煤炭采出率标准。其中比较重要的有：(1)1998年3月，由煤炭部颁布的生产矿井煤炭资源回采率暂行管理办法中规定：设计能力90kta以上煤矿矿井的采区采出率，执行以下标准：薄煤层不低于85；中厚煤层不低于80；厚煤层不低于75；水力采煤不低于70。设计能力90kta以下、30kta以上煤矿矿井，采区采出率不低于65；设计能力小于30kta的煤矿矿井，采区采出率不低于503。(2)2006年1月1日开始执行的煤炭工业矿井设计规范中规定的矿井采区采出率为：厚煤层不应小于75；中厚煤层不应小于80；薄煤层不应小于85。水力采煤的采区采出率，厚煤层、中厚煤层、薄煤层分别不应小于70，75和80。可以看出，目前我国国家颁布的煤炭采出率标准，主要是依据“煤层厚度”制订的。而实际上，“煤炭采出率”既是衡量其采掘效果的重要指标，也是衡量煤矿采煤工作的综合性指标，许多因素都能影响煤炭采出率。例如，煤炭采出率会受到煤层倾角、顶底板状况等地质因素的影响。而现行的采出率标准没有对这些因素的影响予以分析，不能根据具体的地质赋存条件准确确定采出率标准。这会导致核算开采采出率产生偏差，也无法准确解释实际开采采出率偏高或偏低的现象。采出率标准不合理，就不能准确测算数据，并会给监管过程留下漏洞。以此为据进行奖惩，不能实现有效约束和激励，或者挫伤煤炭企业提高采出率的积极性，亦或导致大量煤炭资源无谓浪费4。2煤炭采出率影响因素分析若要确定准确的采出率标准，就必须分析影响采出率水平的因素。而要准确界定煤炭采出率的影响因素，必须分析煤矿生产过程中的各种煤炭损失，以及导致这些损失的原因。（1）煤炭损失总体上看，煤矿开采过程中产生的煤炭损失可分为3类：面积损失量、厚度损失量和落煤损失。而在不同的阶段，产生煤炭损失的原因也不同，归纳如下：地质勘探和矿井设计阶段发生的煤炭损失矿井设计阶段包括煤层地质勘探、划分井田边界、设计建井方案、进行采区设计等工作。此阶段发生的煤炭损失主要有：正常的设计损失量，如维护巷道所必需设置的永久性保护煤柱、“三下一上”压煤、由于地质构造而产生的永久性保护煤柱等；设计方案不合理而造成的损失，如建井方案不合理导致的面积损失、工业广场布局分散致使压煤量增加、采区设计不合理导致边角煤增多等；地质勘探报告存在偏差而产生面积损失，如对煤层赋存情况勘探不充分致使将可采储量错误地确定为不可采储量等。这3类损失中，第1类是受限于地质、开采技术因素而产生的正常损失。第2，3类是由于人为因素而造成的非正常损失。正常损失难以避免，而非正常损失则可通过加强管理、改进技术、采用先进设备等方法来加以避免。需要注意的是：保护煤柱产生的损失量非常巨大。但是，考虑到安全、技术等因素，又必须留置一定的保护煤柱。因此，必须加强矿井设计阶段的管理工作，努力提高设计方案的科学性，在保障安全的前提下，尽量减少保护煤柱损失量。另外，由于地质勘探报告和设计方案是矿井建设的基础，所以设计损失一旦发生就难以补救，而且难以追究相应责任。因此，必须加强勘探和矿井设计的管理工作，准确勘探煤层及地质情况，科学设计建井方案和采区布置方案，从源头上减少煤损失5。采区准备阶段产生的煤炭损失采区准备阶段的主要工作是采区巷道的掘进及维护，在这些工作中，可能产生的煤炭损失有：采区巷道的永久性保护煤柱；由于开掘采区巷道而实际发生的煤炭损失，如在掘进煤层上山或煤层下山时由于煤层厚度等因素而产生厚度损失；由于不正确的掘进而实际产生的煤炭损失，如错误操作导致冒顶、透水等事故所产生的煤炭损失。在3类损失中，第1类属于正常损失；第2类损失中有正常和非正常损失；第3类则是由于人为因素而造成的非正常损失。煤炭开采阶段产生的煤炭损失从工作面切眼至停采线的回采过程中，可能产生的煤炭损失包括：地质因素造成的损失，如因煤厚、顶底板稳定性差等原因造成的厚度损失，及采用跳采方法处理采煤过程中遇到的断层、褶皱等地质构造时产生的面积损失等；采煤过程中发生的落煤损失；与采煤技术和采煤设备相关的煤炭损失，如采用放顶煤技术进行开采时产生的煤炭损失；由于采煤设备选用不当产生的煤炭损失，如因受采煤设备限制无法一次采全高而丢掉的顶底煤；不正确开采造成的损失，如因违规操作引起冒顶事故产生的面积损失、因采煤机司机操作不熟练而产生的厚度损失、未到终采线就终止回采而造成的面积损失等。上述各种煤炭损失中，因地质因素所引发的损失，基本属于正常损失；因技术、设备、人为因素产生的损失，均属于非正常损失6。（2）煤炭采出率的因素基于上述煤炭损失分析，将影响煤炭采出率的因素分为3类：煤层赋存及地质条件因素、采煤方法因素、管理因素。煤层赋存及地质条件因素煤层赋存是煤炭资源的自然存在状态，煤层赋存条件是决定煤炭采出率高低的首要因素，其直接决定了开采的难易程度，并会影响回采工艺、市场需求、煤炭消费等各种因素。将影响煤炭采出率的地质因素归纳如下：煤层厚度受限于采煤技术和设备，煤层越厚，采出率越低。煤层的稳定性煤层厚度变化较大，经常出现煤层变薄、尖灭的现象，就会降低采出率。煤层倾角煤层倾角不仅对工作面布置方式，还对顶底板的支护产生影响。一般，煤层倾角越大，采出率越低。顶底板稳定程度顶底板越不稳定，就需要留置护顶或护底煤，产生的损失越大，采出率越低。煤层深度煤层埋藏越深，产生的矿压越大，开采难度越大，采出率越低。煤质结构块状结构的煤炭资源损失较少，而粉末状的煤炭损失量增大J。地质构造煤田的地质构造越复杂、越不稳定，开采的难度越大，采出率越低。采煤方法因素采煤方法包括开采方法、回采工艺、工作面布置方式等因素。开采方法对采出率的影响井工开采是我国普遍使用的采煤方法。按照回采工艺和开采设备的不同，井工开采又分为炮采、普采、高档普采、综采、水力采煤等。总体上看，开采方法越先进，采出率越高。如比较落后的炮采，其落煤损失很大，采出率非常低。由于水力采煤技术还不成熟，其采出率较低。煤层的赋存条件决定了露天开采具有高采出率，一般能达到90以上。回采工艺对采出率影响总体上看，回采工艺越成熟，采出率越高。在我国，长壁采煤方法是应用范围较广、时间较长的一种采煤方法。其中又分为单一长壁采煤法(一次采全高)、倾斜分层采煤法等。我国倾斜分层采煤工艺尤为成熟，其采出率比放顶煤工艺要高10左右7。放顶煤开采产生的采出率差别较大，但整体上低于倾斜分层采煤工艺。房柱式采煤要预留大量的支撑煤柱，因此，其采出率相当低，最高可达5060，回收煤柱时可以提高到7075。管理因素既包括煤炭企业内部开展的煤炭采出率管理工作，也包括上级管理部门对煤炭企业采出率的监管工作。员工素质对煤炭采出率的影响采煤工作是一项具有危险陛而专业性较强的工作，所有员工都要具备较高的专业素质。一方面要端正工作态度，从地质勘探、采区设计、布置巷道，到工作面现场开采，每一个职工都要具备吃苦耐劳的精神和一丝不苟的工作态度；另一方面专业人员要熟练掌握专业技能，只有熟练掌握专业技能的工人，才能灵活处理采煤工作中出现的一些问题，以避免危险，减少浪费。煤矿企业应从2个方面提高员工素质：加强员工的素质培训工作，建立科学的培训体系，持续培训员工的专业技能，以减少误操作带来的煤炭损失；建立健全考核制度，以考核促进培训。监管工作对煤炭采出率的影响现实中，提高采出率往往会增加生产成本，因而会阻碍煤炭企业选择高采出率的开采方案。这就需要加强煤炭采出率的监管工作，通过权力干涉提高采出率。首先，无论是煤炭企业内部，还是上级主管部门，都要形成科学的煤炭采出率核算方法和核算制度。其次，煤炭企业内部要成立专项管理部门，并要明确各部门任务和责任。最后，要形成公正的奖惩制度，通过奖优惩劣减少人为因素产生的浪费。上述煤炭采出率影响因素可归纳为表18。表1煤炭采出率影响因素汇总表1也可用作煤炭采出率评价指标体系。煤矿企业可用此评价指标体系，分析本单位影响煤炭采出率水平的原因，以制定最有效的提高煤炭采出率的措施。3建新的煤炭采出率标准煤层赋存及地质条件是客观影响因素，同时还直接或间接影响采煤方法和管理工作。而制定煤炭采出率标准的目的，就是为了约束和激励生产行为，以达减少资源浪费的目的。因此，应以煤层赋存及地质因素为依据制定煤炭采出率标准。在进行了大量调研和数据建模分析的基础上，建立了新的煤炭采出率水平标准8。如表2、表3所示。表2井工开采工作面及采区采出率要求表3井工开采矿井采出率要求二、提高煤炭采出率技术1煤层赋存区干净开采技术加大采区走向长度和倾斜长度，以减少采区煤柱。因地质条件限定两翼推进距离短时，可布置单翼开采。对于工作面布置，可根据断层产状和煤层赋存形态，灵活布置走向长壁、伪斜长壁。煤层倾角小的，也可布仰采或者俯采；煤层倾角小于l2度的，可布置对拉工作面或背拉工作面(即二面三巷)10。采取跨上山方式和无煤柱方式开采。实行跨上山方式开采，能大幅度减小上山煤柱煤量的丢失。无煤柱开采，实行工作面问无断层相隔的沿空布巷或留3m小煤柱布巷。为避免送道受采动动压影响，可布置跳采。推行词面、伸长面、缩短面的技术，以适应复杂的地质构造。合理选择采煤方法，对中厚(1335m)煤层提倡综合机械化开采。煤厚大于35m而小于45m时，优先采用大采高一次采全高综采技术；对于50m左右煤层，随支架设计和制造水平提高及现场对大采高管理技术的掌握，不应一味考虑综放，而应推广一次采全高；煤厚大于50m时，宜在综合考虑生产效率和煤炭资源采出率基础上择优采用分层综采技术，采用综放开采技术；对于10以上的厚煤层，应先沿顶板采一层并铺设底网，再沿底板进行综放开采，铺网能起到隔矸的作用。研究断层、边角煤回收与残采技术。对于复杂地质条件下的断层、边角残余块段煤柱应探索断层等地质构造与水灾害、煤与瓦斯突出间的关系，减少断层煤柱留设，同时，可能采用联合开采方法，采用灵活性大、适应性强的高效开采技术，合理配采，减少永久煤柱。放顶煤开采时的提高采出率措施。提高采放比。放煤高度的采出率远低于采煤高度的采出率。加大采高而担心片帮问题可以用支架的护壁板解决。对于节理异常发育且有片帮威胁的煤层，可将工作面推进方向调成略带俯角以减轻片帮对安全的威胁。进行排头架放煤。排头架处受后部运输机驱动装置的制约空间较小，排头架的选型上要选择放煤口尽可能大并带液压千斤顶的架型。顶煤不能自行冒落时，可用液压钎捣动来破碎落煤。采用合理放煤步距。根据顶煤强度、直接项冒落的难易程度及工作面的推进速度选择适宜的放煤步距。一般采取二采一放，采出率较高。当周期来压或放慢了推进速度时，可缩小放煤步距。尝试开停两线放煤。白开采线到初次放项之前，多数工作面为防止冲击地压而不放这段顶煤，甚至有的直到采空区冒落矸石接顶才开始放顶煤。这不但降低了采出率，还遗留了大量的浮煤在开采线上，给自然发火留下隐患。对于直接项较厚而又易冒落的煤层，应该尝试放煤。2三下”煤层赋存区特殊开采技术采用宽条带技术高效开采建筑物下压煤。开采村庄下压煤是全国普遍存在的难题。我国还有2000个左右压煤村庄。由于村庄的压煤，造成开拓布置不合理、接替紧张和煤种搭配不理想。宽条带小变形与大采高中小采出率。在传统条带开采方法的采出条带宽度设计中，对采出宽度限制较严。采出宽度一般不大于开采深度的七分之一。它要求条带开采后的地表下沉盆地内不出现波浪形起伏，即静态“零”变形，使井下生产效率得不到提高。采动过程中，“零”变形并不存在。即使不出现静态变形，动态变形仍然存在：因此，引入“小变形”概念11。提出了在保证地面构筑物安全前提下，允许出现小于构筑物抵抗能力的小变形。这样，就放宽了采出条带宽度的限制，既能保证构筑物的安全，又能充分发挥生产效率。该法基于减少村庄采动损害前提下，克服了传统条采对采宽的过分限制，能实现村庄群下压煤的高效开采。深化近水体煤层开采技术研究。近水体采煤分为河流下、水库和湖下、含水层下、岩溶体下、海下和承压水体下采煤。只要按照因地制宜、综合治理的防治水方针，通过对水文地质条件及防治方法研究，近水体压煤还可能得到进一步的解放。扩大铁路下压煤试采范围对于矿区铁路专用线，由于线路的运输量小，行车速度慢，技术标准较低，压煤开采比较容易。至今，开滦、阜新、北票和平顶山等矿区已在矿区铁路专用线下安全采出了大量煤炭，并在兖州、鸡西、鹤岗等矿区成功进行了铁路下放顶煤综采试验。在一般采矿地质条件下，我国铁路支线下的采煤问题，技术上也已基本解决。对铁路干线，由于过往车辆多、维护间隔短、要求高，在鸡西矿区林密铁路干线下已进行了采煤试验；在本溪彩屯煤矿进行了沈丹铁路干线下采煤试验。应总结和推广开采经验，扩大铁路下压煤试采范围9。统筹煤炭开采与新城镇新家居建设。对于多煤层重复开采和厚煤层开采的一些矿区地表塌陷严重，村庄搬迁开采是适宜的技术方案。在村庄搬迁地选择上，有向煤田外迁和内迁2种外迁时，要搬迁到露头以外，并留设安全采动影响半径；内迁时，前提是不再压煤或不压好煤，避免2次搬迁。应避免主采煤层活跃期的采动影响，减少建筑成本。若考虑潜水影响，采用矸石回填，抬高地基；采取抗变形结构房，就地重建或异地翻建，增加抗采动变形措施，确保建筑物安全可靠。为减少搬迁难度，提高效率，应着重解决煤炭开采和当地农村新城镇建设关系问题，把村庄搬迁与当地小城镇建设规划结合起来，与其他受护体(如水体和铁路等受护体)保护结合起来，把分散的多个保护体整合为新的规划小区，创建新城镇新家园。矸石不出井绿充填开采。利用井下矸石不出井充填在地下的采空区，置换成永久煤柱的煤炭，既减少地面开采沉陷，又避免矸石山占地污染。充填全柱开采建构筑物下压煤新技术。条带开采的最大缺点是采出率较低。通过对地表移动与变形的分析研究，提出了利用宽条带实现全柱开采的构想。宽条带全柱开采技术，通过条带开采中采出率的调整以控制地表变形量值，将地表变形过程分解为2个阶段，即宽条带开采阶段与后期的部分充填全柱开采阶段。通过对不同阶段变形值的控制，达到保护地面、实现全柱开采的目的。三、提高煤炭采出率技术实践以鹤岗八矿为例，为了提高矿井煤炭采出率，对鹤煤八矿3101工作面沿底推进过程中造成的上下端头留设三角煤的回采技术进行了探索性的改进和应用。通过绞架、落底等方式，对工作面上下端头留设三角煤厚度和长度进行控制，同比情况下大大提高了原煤产量，实现了安全、高效发展。鹤煤八矿属于煤与瓦斯突出矿井，位于鹤壁矿区南部，井田南北走向长525km，东西倾向宽1719km，面积约79km，开采历史近50a。矿井开拓方式为立井、斜井混合式开拓。随着开采的延伸，现正在生产的工作面已经全部处于三水平一区段(一460m标高)，瓦斯压力、含量均较大，矿压13益显现，导致支护困难，井下现场整体出现劳动强度大、施工难度大的趋势。该矿3101工作面掘进完成后，及时实施了本煤层抽放，抽放时间在11个月以上。2010年，国家新的防治煤与瓦斯突出规定开始实施后，由河南理工大学对工作面进行了消突认证，各项专业指标和技术参数均符合国家规定，在报批上级单位允许后T作面开始沿底板进行推进回采。但由于工作面按照顶分层开采设计施工，运输巷、回风巷均沿顶板掘进，这就造成了在回采过程中，工作面上下端头不得不留设三角煤的情况，为了保证安全施工和提高煤炭采出率，该矿开展了对此专项技术的研究。1工作面概况3101工作面位于鹤煤八矿南翼三水平，地面标高140m，工作面标高一370一441m，主采煤层属山西组二煤层，平均煤厚65m。采高预计控制在1719m，煤层赋存稳定，地质构造简单，直接顶为砂质泥岩，基本顶为中粒砂岩，直接底为黑色砂质泥岩，基本底为黑灰色中细粒砂岩。2三角煤回采技术方案(1)严格控制替棚高度及长度，使其满足回采推进要求。在两巷替棚时通过绞架、落底的方式，尽量减小上下端头与工作面沿底回采处搭接的坡度，从而减小工作面上下端头留设三角煤的厚度。(2)严格控制上下端头到工作面沿底回采处的距离。为了缩短此段回采长度，此段采煤过程中按照35。4O。的大坡度(工作面煤层倾角平均28。)施工，这样就最大程度地减小工作面上下端头留设三角煤的长度。3回采工序设计及技术参数(1)3101工作面运输巷、回风巷用160mm以上长3m木料配单体柱，采用“一梁四柱”将u型棚提前35m替出，每个梁头打2根柱，单体柱与木料面接触，由里向外逐棚进行。(2)替棚后由里向外按“#”字形绞架：上下安全口处及外沿走向分别在巷道两帮(距两帮各05m)用24m型梁配单体柱，架2架“一梁三柱”支架，两型梁头对齐，单体柱柱窝深不少于02m，型梁上空1012m高，然后在n型梁上绞架，沿倾斜放置28m的木料，走向放置1m的木料，绞架1012m高后升紧支柱(支柱打在距n型梁梁头03m处)。(3)绞架木料要上下对齐，四角上下分别成直线，形成受力稳定状态，所用木料规格为160mm以上、长28m和10m两面呈平面的硬杂木或红松木，在上下端头放尾巴时可将木料及时回收复用。绞好架眼后将架眼下的浮煤清净，高度不低于16m。上下端头绞架落底处往外沿巷道方向将底板坡度平整一致，便于行人、通风；运输巷绞架段的刮板输送机平缓过渡，保证正常运行。(4)工作面机尾必须落到底板上，上安全口第1棚与工作面机尾的距离严格控制在12m左右，坡度控制在3540(根据煤厚变化及时调整，沿丁作面倾向)。此12m距离放煤时，要求在采空区侧铺1趟滑槽与工作面机尾搭接，可将煤放净。(5)对于工作面上端头至工作面沿底处形成的大坡度段(即上端头留设三角煤处)加强工程质量管理：采煤前必须先掏梁窝护顶，护好顶后方可放炮；采煤后及时用板梁配网将帮背好，采高控制在175m，严禁支架超高、夹斜，并且在支架中间打1趟木梁配单体柱对接抬棚(木梁不低于160mm)；煤壁侧面出现片帮、流煤空顶时，要求用木料将顶板刹实；所有支柱必须迎山有力，初撑力不低于50kN，严禁缺梁少柱；在人行道侧横放一板梁(板梁规格：140mm的半圆木，由长13m的硬杂木一分两半)，以方便行人、运料。(6)对于下端头往上距T作面沿底处(即上端头留设三角煤处)加强工程质量管理：工作面下安全口往上15m范围内坡度不得大于15。，此段丢底煤长度不得大于15m(沿工作面倾向)；此段采煤前先掏梁窝护顶，护好顶后方可放炮，采煤后，及时用板梁配网将帮背好，此段采煤时，严禁超高；煤壁侧面出现片帮、流煤空顶时，要求用木料将顶板刹实。4其他安全管理措施(1)瓦斯管理。加强运输巷、回风巷的瓦斯管理，尤其是端头绞架上方高顶处在T作面放炮放煤期间，必须加大瓦斯检查力度。当瓦斯超限时，能够及时断电，停止工作面生产，及时处理瓦斯。处理时可用风幛引风、风帘导风等办法稀释或吹散瓦斯，杜绝局部瓦斯超限情况发生。通风区每班派专职瓦检员巡回检查
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