无煤柱开采模式研究PPT课件.ppt

无煤柱绿色安全开采模式研究 2011年05月 中国科学院院士 宋振骐教授 山东科技大学 采矿工程研究院 1 2020 2 6 2 1无煤柱开采模式的内涵及意义 1 1无煤柱安全高效开采模式研究的紧迫性 1 煤炭资源开采是我国能源保障体系建设的重点 可以说是重中之重 煤炭资源丰富a已探明的可采储量超过万亿吨b远景储量超过4万亿吨 是除美国之外世界煤炭资源最丰富的国家 煤炭资源开采在我国能源结构比重中超过60 的局面将长期存在 2 2020 2 6 3 2 煤矿安全生产形势严峻 威胁民生 影响国家形象 2009年工亡人数超过3000人 是美国的100倍 顶板 瓦斯 冲击地压和水害等重大灾害事故 没有从根本上 即靠科学理论指导 靠科学技术手段预测和控制 得到控制 3 节能减排 开采环境灾害控制研究形势紧迫 工程废弃物污染环境 开采沉陷灾害严重a水资源流失b耕地用地损失c建筑物破坏 3 2020 2 6 4 煤炭开采回收率低 资源损失比例过大a护巷煤柱损失 比例超过20 b 三下 压煤损失 比例超过30 c承压水上开采损失 比例超过10 4 煤矿安全高效开采和环境控制研究的方向和重点 深化 以岩层运动和支承压力分布为核心 的实用采矿工程理论研究 以此为基础 实现煤矿安全高效开采决策和实施管理的信息化 在可靠的地理地质信息和不同开采方案条件下的覆岩运动和支承压力分布等动态信息基础上决策 智能化 在正确的采矿理论和相关结构模型建设的基础上决策 和可视化 形象化图表输出决策结果 4 2020 2 6 5 采掘工作面生产过程机械化和自动化 当前要把85 的中小型矿井作为突破的重点 寻求新的开采模式 无煤柱充填开采 解决煤矿瓦斯 冲击地压 水害等重大事故灾害和环境灾害控制 以及 节能减排 可持续发展 战略方面的问题 总之 由于开采方法不对 开采模式不当 我国煤炭资源回收率50 都不到 因此减少新建矿井和现采煤矿开采损失 以及回收已采矿井呆滞煤炭的研究必须加紧进行 5 2020 2 6 6 1 2无煤柱充填开采模式的内涵无煤柱以矸石为主体的高强材料充填 绿色高效安全开采模式建立在最充分的利用地球资源 最大限度的控制和保护人类生存环境的可持续发展理论和循环经济思想指导下的无煤柱充填安全高效开采模式的技术内涵包括 采用以井下矸石为主体的高强度材料充填护巷 实现无煤柱安全高效开采 采用以井下矸石为主体的高强度材料充填采空区 实现无煤柱控制开采沉陷和相关环境灾害 采用凝石技术 实现井下矸石等伴生资源与电厂粉煤灰等高能工程废弃物的组合 生成高强度充填材料的目标 为矿井循环经济园区建设做出贡献 6 2020 2 6 7 1 3无煤柱充填开采模式的优越性 1 资源高效益的利用 最大限度的采出煤炭资源a无护巷煤柱开采b三下煤炭资源开采 煤炭生产过程中伴生物 岩石 高岭土 油母页岩 和工程废弃物最大限度的资源化利用 2 最大限度的控制瓦斯 冲击地压 火灾等重大事故 最大限度的避免无煤柱护巷开采方案在构造应力场及采动应力场掘进和维护巷道引发的瓦斯煤层突出 冲击地压 护巷煤柱自然发火引发的火灾及瓦斯爆炸等重大事故灾害 7 2020 2 6 8 为井下超前抽放接续工作面瓦斯及老塘瓦斯创造条件 3 降低煤巷掘进和维护费用 特别是在高应力区掘进和维护巷道期间采用高强度支护多次返修的高昂费用 以及高应力区掘进 维护巷道造成的顶板事故 4 开采环境灾害控制 工程废弃物资源化实现无污染矿井建设目标 工程废弃物强化充填材料控制沉陷灾害 8 2020 2 6 9 1 发展历史开始是从减少巷道的掘进维护工作量出发 没有明确和突出重大事故控制的目标 工程实践首先在上世纪60年代英国 德国开始 我国上世纪70年代开始引进推广使用 都因 高水材料 的强度 耐久性不足 充填工艺落后 巷道维护困难而没有得到推广 进入21世纪 随国民经济的高速发展对煤炭需求的快速增长 全国煤矿在采掘工作面推进过程中发生的重大瓦斯爆炸事故震惊全国 全国煤矿在党中央关怀下 全力探索在从根本上控制重大瓦斯事故开采技术创新之路的实施中 淮煤集团 坚持依靠科技 采用综采放顶煤等先进技术 从20世纪90年代瓦斯事故多发 安全威胁严重的阴影中走出来 成为全国煤矿安全生产的典范 1 4无煤柱开采研究和实践工作的现状 以及发展方向 9 2020 2 6 10 以此为基础 在21世纪初开始在实现充填材料更新 充填工艺及装备机械化的基础上 成功的采用了沿空留巷 实现了煤与瓦斯同采 把沿空留巷无煤柱开采推进到了一个新的发展阶段 2 取得的成果 避免了在高应力区掘巷引发瓦斯突出和瓦斯爆炸事故 解决了回采工作面推进上隅角瓦斯积聚引发的瓦斯爆炸事故 Y型通风方案的实施 3 存在的问题 认识问题 安全高效开采的可靠性 经济性及其理论基础和技术保证存在疑虑 开采设计决策和实施管理缺乏矿压控制理论的指导 安全高效开采技术和装备体系有待提高 10 2020 2 6 11 4 发展方向 加强矿压理论指导 完善灾害设计理论和技术体系 重点突破高强度 低成本充填材料制备技术和严实封闭老塘的充填墙体结构设计等关键技术 5 无煤柱开采模式目的 研究内容及重点 目的深化无煤柱充填开采模式意义及相关理论和技术体系的研究 为现场推广应用奠定基础 研究内容a无煤柱充填开采模式建设和环境灾害控制的理论和工程实践基础b无煤柱充填开采模式建设中的采空区充填技术 充填材料制备技术的理论实践和工程应用实践基础 研究方法以现场实践为基础的理论分析研究 实验室凝石技术实践研究和生产现场应用案例考察总结分析相结合 11 2020 2 6 12 2无煤柱充填开采模式应用的理论和实践基础 从理论和实践两个方面深刻的揭示深部 高应力 条件下原煤柱护巷开采模式的事故灾害根源及两种开采模式事故发生的原因和事故灾害实现的条件方面的重大差异 突破传统思想观念的束缚 认识无煤柱充填开采模式的优越性 从理论上揭示和解释当前无煤柱开采模式应用实践中出现的问题 以此为基础在以重大事故灾害控制为主要目标的 实用矿山压力控制 理论的指导下 解决针对具体煤层条件无煤柱充填最优开采方案设计和实施中的问题 是无煤柱充填开采模式推广应用的基础 12 2020 2 6 13 2 1无煤柱充填开采模式应用的事故控制研究基础 2 1 1无煤柱充填开采模式应用的瓦斯灾害控制研究基础 1 瓦斯灾害预测和控制的模型及控制准则 事故灾害原因 工作面及相关回风巷道中聚集的瓦斯浓度超限是瓦斯事故灾害的根源 事故灾害实现条件 采动空间聚集的瓦斯浓度超限 有充足的氧气和有明火引爆 三者缺一不可 是瓦斯爆炸灾害发生的条件 事故灾害预测和控制控制准则 了解和掌握不同开采模式条件下采掘工作面推进可能发生瓦斯事故的地点以及相关的瓦斯涌出量的重大差异是正确选择开采模式的基础 13 2020 2 6 14 2 掘进工作面推进过程中瓦斯事故灾害控制 煤柱护巷开采模式瓦斯事故灾害发生原因及条件a单一重力应力场中掘进回采巷道 图2 1无煤柱护巷开采方案示意图 14 2020 2 6 15 原因 掘进瓦斯浓度超限来源 掘进落煤涌出的瓦斯 取决于掘进断面大小和工作面推进速度 巷道煤壁在支承压力作用下压缩破坏释放的瓦斯 取决于压缩破坏的煤壁范围 与支承压力大小近乎正比 巷道掘进瓦斯涌出量计算式中 掘进煤断面面积 掘进破坏的煤壁范围面积 煤层容重 落地煤相对瓦斯涌出量 支承压力作用下破坏的煤体相对瓦斯涌出量 不同护巷煤柱方案 掘进瓦斯涌出量的差异 小煤柱 内应力场范围内掘进 方案在内应力场形成和稳定前相对回采工作面推进 图2 1中1位置 15 2020 2 6 16 在内应力场稳定后滞后回采工作面推进 图2 1中3位置 大煤柱护巷方案在高应力区掘进 图2 1中3位置 在低应力区掘进b在构造破坏的复合应力场中掘进回采巷道 图2 2 图2 2构造复合应力场分布 16 2020 2 6 17 瓦斯来源 构造破坏部分聚集的瓦斯瓦斯涌出量大小 回采巷道掘进通过构造应力场煤层挤压破坏变厚部位将遭遇瓦斯突出事故灾害的危险 c小结 煤柱护巷开采模式掘进瓦斯事故灾害研究 在采场支承压力分布的高应力部位掘进引发的瓦斯涌出是掘进回采巷道瓦斯事故灾害的根源 掘进瓦斯事故灾害的可能性与掘进工作面推进速度和由开采深度 工作面长度决定的支承压力大小成正比 在复合应力场的高应力区掘进回采巷道极易引发瓦斯突出爆炸等重大事故灾害 煤柱护巷开采模式瓦斯事故灾害发生原因及条件a无煤柱充填开采模式的两种回风巷道布置形式 17 2020 2 6 18 沿空送巷U型通风方案 图2 3 即在滞后距离大于回采工作面长度的稳定内应力场部位掘进回风巷道采用充填护巷隔绝采空区 图2 3沿空送巷 18 2020 2 6 19 沿空留巷Y型通风方案 图2 4 即保留原运输巷用于接续工作面回风的充填护巷方案b无煤柱护巷掘进瓦斯事故灾害控制的优势沿空掘巷方案 图2 3沿空留巷 19 2020 2 6 20 在保证充填体结构密实隔断采空区的前提下 可以完全杜绝掘进瓦斯事故灾害的发生沿空留巷方案本方案避免了在煤层中掘进瓦斯涌出 巷道煤壁释放的瓦斯随回采风流带走从而排出了掘进瓦斯事故的可能性 避免了在构造破坏的复合应力场中掘进巷道的可能性 从而排除了瓦斯突出等重大事故的威胁 3 回采工作面推进瓦斯事故灾害控制研究 煤柱护巷开采模式瓦斯事故灾害分析a事故地点及瓦斯来源 图2 5 20 采煤通道采煤过程释放的瓦斯 与采煤速度成正比 煤壁在支承压力和顶板来压作用下释放的瓦斯 与工作面长度和内应力场范围 顶板来压强度成正比 最大瓦斯涌出量发生在周期来压期间的采煤过程中 工作面上隅角 图2 5中A位置 采煤通道未被风流带走的瓦斯 预留煤柱在两侧支承压力作用下释放的瓦斯 在采场支承压力高峰作用范围内 与预留煤柱宽度成正比 其最大值如图2 6所示 空气压差和顶板来压作用下 由采空区压入的瓦斯 既定压差下 随周期来压波动变化 如图2 7 2020 2 6 21 图2 5 21 2020 2 6 22 图2 6 图2 7 22 采空区 图2 5中C位置 回风道溢出 未被风流带走 的瓦斯 回风道预留煤柱在支承压力和顶板沉降压缩破坏过程中释放的瓦斯 与预留煤柱宽度成正比 运输巷煤壁在支承压力和顶板沉降压缩破坏过程中释放的瓦斯 与内应力场范围成正比 工作面推进到任意位置 Li 时采空区聚集的瓦斯总量QLi 2020 2 6 23 图2 8 23 回风巷道 包括排瓦斯的尾巷 位置B 回风通道瓦斯 两侧采空区瓦斯 预留煤柱在在支承压力和顶板沉降压缩破坏过程中释放的瓦斯 b事故地点及瓦斯来源 图2 5 事故地点瓦斯浓度超限煤柱压缩破坏 导致采空区漏风 为瓦斯 氧气 高温空气串流 以及煤柱自燃 采空区浮煤自燃等明火引爆瓦斯创造了条件 2020 2 6 24 24 c小结 煤柱护巷开采模式回采瓦斯事故灾害研究 风巷预留煤壁在支承压力和顶板沉降作用下压缩破坏是回采工作面瓦斯事故的根源 也是事故灾害实现的条件 煤柱护巷开采模式回采工作面瓦斯事故灾害发生的可能性及危害程度与回采工作面推进速度以及由开采深度和工作面长度决定的支承压力和顶板沉降压力成正比 无煤柱充填护巷开采模式的优势及实现前提a开采方案 2020 2 6 25 沿空送巷U型通风 25 2020 2 6 26 沿空留巷Y型通风 b瓦斯灾害控制优势 避免了预留煤柱造成的瓦斯聚集超限的可能性 避免了煤柱压缩破坏造成的老塘透风引发火灾及瓦斯事故灾害的可能性 26 c实现的前提和关键充填护巷墙体结构设计要保证在采场支承压力向煤壁转移和裂断拱内岩层沉降全过程中实现严密封堵老塘 防止老塘透风的功能 为此 墙体充填材料凝固后的强度及破坏前的支承压力 即阻抗力 足以控制平衡直接顶作用力的需要 墙体结构压缩变形能力 即允许的压缩量 适应 裂断拱 内岩层沉降稳定的要求 2020 2 6 27 27 2020 2 6 28 2 1 2无煤柱充填开采模式应用的冲击地压 煤与瓦斯突出 灾害控制研究基础 1 煤柱护巷开采模式冲击地压原因及实现条件 冲击地压概念 冲击地压是采动空间周边煤岩在矿山压力作用下以煤岩突出为特征的矿山压力动力显现 是煤矿重大事故灾害 冲击地压发生原因 在储存高强度压缩弹性能的煤岩中 特别是能量聚集的部位开掘巷道和推进回采工作面 引发弹性能的释放 冲击地压的动力源及其影响因素 28 2020 2 6 29 a煤层压缩弹性能开采深度愈大 覆岩强度愈高 即允许的悬露面积愈大 受压煤层储存聚集的高强度压缩弹性能的可能性将愈大 b顶底板岩层弯曲 压缩 弹性能 29 2020 2 6 30 重力弯曲弹性能随支托岩层的强度和随动层的厚度成正比 构造弯曲弹性能受采深和顶底板岩层强度所决定的应力保持和释放条件控制 岩层强度愈高 埋深愈大 可能聚集和保持的弹性能的量级将愈高 冲击地压的动力源及其影响因素 a已采空间周围煤岩中聚集的压缩弹性能达到了足以产生煤岩冲击破坏的量级 b采动 包括采掘工作面推进 爆破 顶板断裂等震动性破坏 改变了相关部位煤岩的受力条件和极限平衡状态 c采动空间周围没有足够的缓冲体 包括已破坏的煤岩和柔性支护等构筑物等 把煤岩弹性能释放可能动力显现控制到安全的范围内 30 2020 2 6 31 掘进工作面推进冲击地压原因及条件 在有冲击地压危险的煤层条件下掘进巷道 冲击地压发生和实现的条件如图所示 31 2020 2 6 32 a留小煤柱 内应力场 范围内 掘进 在 内应力场 形成和稳定之前开掘巷道 图中1位置 存在冲击地压危险 采深大于300m 在 内应力场 形成稳定后 图中2位置 开掘巷道可以避免冲击地压发生 在未经采动释放的构造应力场中掘进巷道 将有瓦斯和煤层同时突出的危险 b大煤柱护巷方案 高应力区开掘巷道 采深大于300 400m 时 存在冲击地压危险 在低应力区开掘巷道 在采深小于600 800m时 将避免冲击地压的发生 32 2020 2 6 33 回采工作面推进过程中冲击地压发生原因及实现条件 a 回采工作面内冲击地压发生和实现的条件 单一重力场冲击地压将发生在坚硬岩层顶板第一次裂断开始到采场第一次来压阶段完成 推进距离接近工作面长度的时的范围内 内应力场 形成之后的采场推进全过程中 出现冲击地压的可能性将很小 33 2020 2 6 34 临近构造应力场应力高峰区掘进开切眼至坚硬岩层裂断来压完成期间时 始终存在冲击地压的威胁 进入出现 内应力场 的正常推进阶段后 冲击地压事故灾害出现的可能性同样将很小 34 2020 2 6 35 b 回采巷道冲击地压实现的条件 在采场推进全过程中 伴随坚硬顶板裂断 始终存在诱发冲击地压的威胁 35 2020 2 6 36 随采场推进和坚硬顶板跨落 以及支承压力的增加 伴随坚硬顶板裂断 回采巷道破坏的范围将进一步加大 进入正常阶段将达到最大化 36 2020 2 6 37 受两侧坚硬顶板悬露 支承压力叠加的影响 回风巷道冲击地压破坏的范围远比运输巷道大得多 37 2020 2 6 38 2020 2 6 39 2 煤柱充填护巷控制冲击地压的优势 沿空掘巷 U 型通风方案a 实现了在稳定内应力场掘进 从而避免了掘进中冲击地压和瓦斯煤层突出事故的可能性 b 排出了护巷煤柱聚集高强度压缩弹性能的条件 使回风巷道始终处于已破坏的煤壁缓冲保护之下 39 2020 2 6 40 沿空留巷 Y 型通风方案a 避免了在应力高峰区 高强度压缩弹性能的部位开掘回风巷道引发冲击地压的可能性 b 避免了回采工作面推进回风巷道发生冲击地压灾害的可能性 40 2020 2 6 41 2 1 3无煤柱充填开采模式应用的水害控制研究基础 1 顶板透水事故的预测和控制相关信息基础 41 2020 2 6 42 2 底板突水事故的预测和控制相关信息基础 保护煤柱留设示意图 42 2020 2 6 43 留煤柱与不留煤柱与突水的关系图 a b 43 2020 2 6 44 针对煤炭高效安全开采 特别是重大事故预测和控制需要在广大现场工程实践基础上 逐步发展和完善的 实用矿山压力控制 理论研究的相关成果 包括采场推进上覆岩层运动和应力场应力大小分布发展变化规律的研究 以及以此为基础的用于指导事故灾害预测和控制决策的采场结构模型建设的研究 为无煤柱安全高效开采优化设计和实施奠定了理论基础 2 2无煤柱充填开采模式方案设计的工程理论基础 44 2020 2 6 45 涉及无煤柱充填开采模式优化设计和有效实施的工程理论基础包括以下三个部分 1 采场推进覆岩运动和支承压力分布发展规律及采场结构模型建设的研究 以重大事故和环境灾害控制为目标的采场覆岩运动及支承压力发展变化规律的研究 及以此为基础的采场结构模型建设的相关研究成果 充分论证了无煤柱充填开采模式推广应用的重要意义 采场推进实现垮落的岩层和保持向煤壁前方传递作用力联系的裂断岩梁 传递岩梁 运动和相关的支承压力分布发展规律 如图1所示 包括推进至工作面长度 L0 时 裂断岩梁发展到最上部 最大裂断拱高 时的第一次来压阶段和保持相对稳定的拱高 所有岩梁进入周期性裂断的正常推进阶段 45 2020 2 6 46 达到工作面长度时 沿工作面长度方向切割揭示的裂断拱内岩层和两侧煤壁上的支承压力分布状况如图2所示 图1推进方向采场裂断拱发展变化示意图 46 2020 2 6 47 图2采场推进距离 L0 时采场结构模型 47 2020 2 6 48 采场结构模型建设与相关事故发生原因条件及事故控制的关系采场及准备巷道推进产生的促使围岩向已采空间运动的矿山压力及其显现是煤矿顶板 瓦斯 冲击地压等重大事故的根源 研究不同采动条件下矿山压力大小 分布及覆岩运动破坏的规律 包括受采动影响运动和破坏的岩层范围和受采动影响重新分布的应力场范围及其应力大小分布的特征 以及他们在形成和发展过程与相关事故和环境灾害间的关系 是煤矿重大事故和环境灾害控制的基础 48 2020 2 6 49 我们把描述不同开采深度和覆岩情况等既定条件的煤层 在不同采动条件 包括采高 工作面长度及开采程序等 下覆岩运动破坏和矿山压力大小 分布及其随采场推进发展规律的模型定义为采场结构力学模型 针对具体煤层条件和采动条件 包括工作面长度 采高和开采程序等 科学正确的建立起该结构模型和确定相关结构参数 是实现该工作面推进过程中事故 环境灾害控制 相邻采场回采巷道掘进准备 回采推进过程中的事故和环境灾害控制的基础 49 2020 2 6 50 图3为近水平煤层当工作面推进到工作面长度后采场进入正常推进阶段平行工作面切割的采场结构力学模型 显然 如果该工作面长度条件下形成的破坏拱沟通上部含水层 采场透水事故即不可避免 同样 如果上部存在有高含瓦斯的煤层或者着火的煤层与之沟通 采场推进过程中就有发生瓦斯和火灾等重大事故的可能性 图3采场结构模型图 50 2020 2 6 51 图中1 2 3为该工作面的相邻接续采场回风道可能的位置 显然 如果巷道选择在煤层已经破坏的 内应力场 中 即图中1的位置 且其是在涉及内应力场受力大小的破坏拱内岩层完全稳定之后开掘 则冲击地压 瓦斯爆炸和瓦斯突出等重大事故就可以避免 该巷道支护需要考虑控制的岩层 仅仅是老塘已经垮落的部分 即直接顶 因此支护受力很小 维护也比较容易 相反 如果该巷道开掘在采场应力高峰的部位 即图中2的位置 在煤层存在着瓦斯突出 冲击地压倾向的条件下 不采取特殊解危措施 则相关重大事故将不可避免 在该位置开掘巷道 其变形破坏如果将波及到下部承压水源的断层破坏区 底板突水事故即有可能发生 显然 在高应力区开掘和维护的巷道 即使开掘的时间在上部采场稳定之后都会是困难的 接续工作面推进时叠加的支承压力将达到难以承受的限度 巷道维护将极其困难 51 2020 2 6 52 在采用煤柱护巷条件下 回采工作面推进产生冲击地压 瓦斯突出事故时 煤柱保护的风巷破坏范围要比机巷大得多 此时在预留同样煤柱宽度的位置3掘进下区段回风巷引起相关的事故将不可避免 相反 如果采用在图4中4的位置实施在稳定的内应力场中送巷 则上述事故灾害即可完全避免 图4冲击地压与采场支承压力分布关系 52 2020 2 6 53 在有冲击地压和煤层突出危险的工作面发生的相关事故与覆岩运动和应力场分布发展间的关系如图5所示 即工作面推进至接近工作面长度 内应力场 产生事故发生的可能性很大 进入正常推进的平稳阶段 有足够宽度的内应力场缓冲 工作面很难出现灾害性的事故 图5正常推进阶段冲击地压发生的规律 53 2020 2 6 54 在生产现场针对具体煤层条件 建立用以预测和控制相关事故发生的采场结构模型 包括模型组成和相关结构参数的确定 一般包括以下三个步骤 应用理论模型 针对具体煤层地质条件和采场条件推断模型结构组成和相关结构参数 即理论推断阶段 通过对 建模 的试采工作面的实测研究 校验理论模型和相关结构参数计算数学模型 以及所用岩石力学参数的正确性 即现场实测研究阶段 在实测研究的基础上调整相关计算数学模型和相应的力学参数 完成适用于本煤层不同采深和不同条件事故预测和控制决策的 采场结构模型 建设 54 2020 2 6 55 2 在 内应力场 掘进和维护巷道的矿压控制理论研究 图6采场推进 内应力场 范围煤层压力和压缩过程 55 2020 2 6 56 采场两侧煤壁上承受的压力随工作面推进发展变化的规律如图6所示 其中工作面从推进开始至 a b 处范围表达了该区间破坏前后 在采场支承压力作用下受力变化的过程 由此继续推进至工作面长度L0范围的压力曲线 则表达了已破坏的煤壁 即已形成的 内应力场 中 在裂断拱内岩层沉降运动作用下受力大小变化的过程 图中相关曲线分别表达了裂断拱内垮落矸石在裂断岩梁下沉压力作用下压实过程中 内应力场 煤壁上承受的压力进入稳定的发展过程 56 2020 2 6 57 显然 等到工作面推进至Lmax 即岩梁沉降稳定后开始沿空送巷并保持一定的滞后距离 巷道承受的压力将很小 不超过垮落的直接顶作用力 同样 如果采用沿空留巷方案 在工作面推进Lmax后再让巷旁充填材料承