不稳定煤层开采方法研究

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1、万志军,不稳定煤层开采方法研究,二一年四月 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： Tel：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

2、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140 km2。可采煤层23层，厚度最大194m，一般3080m，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

3、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1031m，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733m，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

4、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

5、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：

6、 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

7、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。,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

8、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

9、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

10、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

11、，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

12、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。,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

13、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

14、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70100万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

15、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

16、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2.02.2m，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

17、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48m,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长的型钢梁配合DZ22-30/100单体液压支柱支护。实践证明,放顶煤一次采全高技术对煤层厚度变化有较强的适应性，提高了工作面单产和工效,

18、平均单产由原来的7000t/月提高到1300t/月,平均采煤工效由原来的2.1t/工提高到3.9t/工,分别提高了85.7%,降低了成本,减轻了工人的劳动强度,缓和了采掘接替紧张的局面,安全状况良好,取得了显著的经济和社会效益。,三、不稳定煤层开采方法,2）与单体液压支柱相比，悬移支架稳定性强，护顶面积大，实现了移架的机械化，减少了支护工作量和减轻了工人的劳动强度；与自移液压支架相比，其价格低廉。悬移支架采煤工艺尤其是适用于煤厚变化大，地质条件复杂的缓倾斜厚煤层的开采。 郑煤大平煤矿试验工作面长65m，可采推进长度240m，煤层厚度3.021.8m，平均6.5m；煤层赋存不稳定，结构复杂。选用

19、ZH1600 /16 /24Z型整体顶梁悬移液压支架,每棚四柱,棚架中心距(1 000 20)mm,最大控顶距3 600mm,最小控顶距3 000 mm,放顶步距800 mm。回采工艺流程:打眼放炮移架采煤放顶煤移刮板输送机。 悬移支架移架操作工序：炮后护顶(前伸翻转梁超前护顶) 刷帮出煤收回翻转梁提起前后4根立柱前移整体顶梁落四柱支撑顶梁移托梁。,悬移顶梁液压支架工作面采煤工艺图,三、不稳定煤层开采方法,3）使用单体液压支柱金属铰接顶梁的工作面，在回采过程中： 工作面采用“单体液压支柱金属铰接顶梁的支护方式。 在顶板特别破碎的条件下，工作面支护一般采用“单体液压支柱金属十字铰接顶梁”的支护方

20、式。,三、不稳定煤层开采方法,（3）综采放顶煤工艺 煤层厚度大，且厚度变化较小，顶底板较平整的不稳定煤层，采用综采放顶煤开采可以取得较好的技术经济效果。 如郑州米村矿在工作面煤层厚度68m，倾角 68，工作面长78m 的条件下采用高位开天窗放顶煤综采，达到了工作面月产6.0万t，回采工效223t/工 ，工作面回果率达85.1%, 比条件相同的分层炮采工作面月产提高近2倍（炮采月产约2.1万t），工效提高4倍多（炮采工效4.290 3t/工 ）。,三、不稳定煤层开采方法,常用的还有轻型支架放顶煤工艺。 淮北临涣煤矿矿井地质构造复杂、断层多,主采煤层为7、9煤，煤厚为1.64.8 m,平均3.2

21、m。 多年来采用炮采工艺,由于煤层赋存不稳定，煤体松软，顶板破碎，造成单产低、资源回收率低,安全可靠性差。 2000年以来，试用轻型支架放顶煤开采工艺，工作面降低采高，跟底回采，矿井在安全性、资源回收和生产能力等方面均收到了较好的效果。支架型号为,三、不稳定煤层开采方法,ZF2400-16/24,为单摆杆、整顶梁、伸缩前梁、四柱式放顶煤支架结构，工作阻力为2 400 kN，采高范围1.62.4 m；采煤机为G160/375-W；前后部运输机均为SGZ630/264型。 郑州煤电集团在不稳定煤层条件下，通过对综放工艺和综放设备不断进行技术改进，工作面月产量由3万t提高到1018万，t年产量由25

22、万t提高到180万t。综采放顶煤开采技术在三软不稳定厚煤层条件下，取得了显著的经济效益和社会效益。,三、不稳定煤层开采方法,3、不稳定煤层巷道布置 （1）不稳定煤层开拓方法 开采不稳定煤层要有矿井地质资料作指导，而不稳定煤层在勘探阶段往往难以查清煤层的具体赋存情况。 在矿井开发过程中必须加强矿井地质工作，用钻探找煤，进一步查清矿井地质情况。 不稳定煤层由于可采煤层的连续性和稳定性差，必须有较高密度的巷道来控制，这是不稳定煤层开拓特点，也是巷道掘进率高的原因。,三、不稳定煤层开采方法,3、不稳定煤层巷道布置 巷道布置参数选择的原则：除像稳定煤层考虑技术经济上合理外，还要考虑客观上的可能性，如：

23、回采工作面倾斜长度、走向长度，首先取决于煤层可采部分在走向和倾向上的连续长度。,三、不稳定煤层开采方法,在不稳定煤层中进行开拓设计应考虑如下几点： 1)开采阶段的垂高：必须小于褶皱起伏的平均幅度，否则就会出现某段煤层在上下阶段石门之间起伏而不被阶段石门所揭露； 2)回采工作面倾斜长度：取决于切眼起点到向、背斜轴的长度；,三、不稳定煤层开采方法,3)石门间距：必须和褶曲轴的倾伏相适应，否则沿煤层的运输顺槽就可能因进人背斜顶部或向斜底部而脱离煤层； 4)在设计阶段应正确选择阶段垂高、石门间距，如设计不当，待基本巷道系统形成后再进行改造，往往是不经济的。 如垂高25m为合适阶段，但设计为35m，以后

24、不加密阶段则难以充分开采储量，进行加密，阶段高度则为17.5m，掘进量又太大。,三、不稳定煤层开采方法,（2）采区划分 不稳定煤层采区的划分是以断裂块段、不连续的煤带或煤包作为采区范围，对距离较近的零星块段，则以岩巷联通并入大块段内，这样有利于各采区形成独立通风系统，减少安全煤柱，易于封闭，防止采空区自燃蔓延到其他采区。,三、不稳定煤层开采方法,对于不稳定煤层，巷道布置时可以在一定程度上通过工程措施，将复杂条件重新分解为简单条件，使采煤准备巷道尽可能沿各种变化和构造的边缘和界线进行。 如厚薄变化的界限、倾角变化的界限、可采和不可采的界限、构造的边缘等。经过这样的切割，宏观上看来是复杂和不稳定的

25、煤层，但从被切割后的各个局部上来看就是简单和稳定的。,三、不稳定煤层开采方法,在生产中探煤时，探煤上山的位置一定要放在煤厚变化点上，跟底板顺煤层向上，揭露沿倾斜方向上煤包赋存情况，同时也可作为通风、安全出口，采煤时还可以溜煤。 探煤上山的间距、密度视揭露煤包的位置、大小、形状而定3040m布置一条，必要时，两上山间还可以布置一定数量的伪倾斜上山，进一步查清煤包赋存情况。,三、不稳定煤层开采方法,例如，新余市渝水区欧里长坡煤矿利用探煤上山探到煤后，在煤包中间沿煤层底板开掘上山作为采煤时的主干运巷，隔3040m布置一条探煤上山作下一采区的探煤巷。,三、不稳定煤层开采方法,总之，选择适当的巷道控制密

26、度，从充分开采储量和降低掘进工程量两方面综合考虑，谋求最佳的总体经济效益，对不稳定煤层的开拓设计是特别重要的；在不稳定煤层中进行采区巷道布置应针对其复杂性、不稳定性、形态各异的特点，在有利于回采并且安全、经济、提高回采率基础上因地制宜地提出巷道布置方案。,褐煤原位注热开采油气与煤质改性技术简介,地面施工群井进入煤层，通过水力压裂技术使群井沿煤层下部连通，首先选择其中若干井作为注热井，另外一些井作为生产井，沿注热井注入 600C 的高温过热水蒸气， 对流加热煤层，并使煤层热解，产出大量烃类气体和煤焦油，从生产井排到地面，然后经过换热器使油气水分离，即可进入销售环节，而换热器交换的热量变成了更低沸

27、点流体的驱动力，驱动汽轮机带动低温发电机发电， 从而使能量有了非常充分的利用和更好的经济收益。,经济分析,以乌兰察布的褐煤为例，吨煤原位热解可获得 504m3/t 烃类气体，其热值2300-2500Kcal/Nm3，按重量计算，原位注热采出了煤层重量的 65%，残留的 35%的煤，经工业分析为半焦或高变质的无烟煤。其孔隙率达 50以上，容重为 0.53g/cm3 。 由实验结果可知，对乌兰察布褐煤而言，产气率为 504.41m3/t，煤焦油为实验煤量的 5%。 以一天处理 1000 t煤计算， 每年可以生产热解气 504.411000360=1.82108 m3/a 每年可以生产的煤焦油 10

28、00 3600.05=18000 t/a 高温热解水蒸气的预热发电每年为 287.91000360=1.0365108 kwh/a 固定资产投入 14600 万元,经济分析,收益分析： 热解气年销售收入：504.4110003600.51.17=7775.5385 万元 煤焦油年销售收入：1800019501.17=3000 万元 预热发电的电年销售收入：1.03651080.81.17=7087.18 万元 年生产成本：444.95500360 +5600000=8633.2 万元 年利润：7775.5385 + 3000 + 7087.18-8633.2=9229.718 万元 收回固定资产投资期限为 1.5 年。,