煤矿开采ColMi.pdf

第 1 3卷 第 1期 总第 8 0期 2 0 0 8年 2月 煤 矿 开 采 Co a l Mi ni ng Te c hn o l o g y V o 1 ． 1 3 N o ． 1 S e r i e s N o ． 8 0 F e b r ua r y 2 008 海域下煤层 综采放 顶煤可行性 分析 与实践 崔 常 兴 龙 口矿业 集团有 限公 司 ，L U 东 龙 口 2 6 5 7 0 0 [ 摘 要 ] 海域 下煤层 采用 综放 开采在世界海域煤 炭开采史 上还是首次 。从 龙 口矿 区的水文地 质条件 、覆岩破坏 “ 三带” 高度预测和开采设备选 型等 方面进行 了海域开 采可行性论证，并对海域首 采面综放开采实践情况进行 了分析。 [ 关键词] 海域下煤层；综采放顶煤 ；研究与实践 [ 中图分类号]T D 8 2 3 ． 8 3 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 0 8 0 1 - 0 0 3 7 - 0 4 Fe a s i bi l i t y Ana l y s i s a n d Pr a c t i c e o f Fu l l - me c ha n i z e d Ca v i ng M i ni ng u nd e r S e a CUI Ch a n g x i n g L o n g k o u Mi n i n g G r o u p ，L o n g k o u 2 6 5 7 0 0 ，C h i n a Abs t r ac t - I t wa s t h e fir s t t i me t ha t f u l l me c ha ni z ed c a v i n g mi n i ng wa s us e d u nd e r s e a i n t h e hi s t o ry o f e o a l mi n i n g u n d e r s e a i n t h e wo r l d．Fe a s i bi l i t y o f mi ni ng u n de r s e a wa s a na l y z e d f r o m h y dr o g e o l o g i ca l c o nd i t i o n，pr e d i c t i o n o f “3 - z o n e’ ’he i g h t a nd l e c t o t y p e o f mi ni n g e q ui p me n t s ． P r a c t i c e o f f u l l me c ha n i z e d c a v i ng mi ni n g wa s i n t r o d u c e d t o o ． Ke y wo r dsc o a l mi ni n g un de r s e a；f u l l me c ha n i z e d c a v i ng mi n i n g；r e s ea r c h a nd pr a c t i c e 1 概 述 龙口矿业集团有限公司 以下简称龙矿集团 位于胶东半岛的西北部 ，是我国唯一 的海滨国有煤 炭企业 ，其矿区的北部 、西部渤海海域内赋存丰富 的煤炭资源。该矿区煤系地层为新生代下第三系地 层 ，泥岩 、黏土岩占 8 0 ％以上，属典型的 “ 三软” 岩层。煤系地层 良好的天然隔水性能 ，为实施海域 下煤层开采奠定 了基础条件。 海域下煤层 开采 以下 简称海域采煤 与一 般的井工开采不 同，开采 以前 由于海上勘探费用的 昂贵和 目前勘探技术 的影响 ，难以取得足够的地质 资料 ；另外 ，开采期间若海水溃人井下 ，灾难将是 毁灭性的，后果不堪设想 。 日本历史上曾发生过 5 次海水溃人井下一次伤 3 0人 ，死亡 1 0人以上的伤 亡事故。由于海域采煤的这些特殊性 ，在国外进行 海域采煤 的国家，对海域采煤多以法规 、政府命令 和规程的形式作了严格的规定和限制。而我 国海域 采煤 ，还没有专项法规。特别是采用综放工艺进行 海域采煤在世界上还是首次 ，为保证安全 ，龙矿集 团与国内科研 院所合 作进行 了大量 的技 术研究工 作 。经过 2 0多年的精心准备 ，于 2 0 0 5年在北皂煤 矿采用综采放顶煤工艺成功地进行了海域首采面试 验开采 ，采出煤炭 8 2 k t ，采 出率达到 8 5 。 4 ％ ，成 为继英国、澳大利亚、智利 、日本和加拿大 5个国 家之后第 6个实现海域采煤的国家 ，填补 了我 国海 域采煤的空白。 2 海域采煤综采放顶煤可行性分析 龙矿集团北皂煤矿 1 9 9 7年引入综采放顶煤开 采技术 ，陆地最高月产量达到 1 9 0 k t 。近 1 0年来的 开采实践证明，在北皂煤矿 “ 三 软”地层开采条 件下，综放在提高工作面单产和原煤工效 ，提高块 煤率；降低电耗 、材料消耗 、万吨掘进率和巷道返 修率，以及减少工作面搬家次数等方面，比其他采 煤工艺有明显优势。 海域煤 田是陆地煤 田的 自然延深 ，海域地层条 件与陆地类似。在海域采用综采放顶煤开采 ，与陆 地不同的是开采煤层上方充满了海水。只要海域水 文地质条件 、导水裂 缝带高度等方 面满足综 放要 求 ，在海域下采用综放开采是可行的。 2 ． 1 海域水文地质条件 多年来 ，龙矿 集团在海 域地层 岩性组 合、含 隔水层组以及构造富 导水性方面进行了大 量探索和研究工作。通过海上打钻 、进行单道地震 勘探 、二维 地震 勘探 、三维地震 勘探 ，以及对 比 2 0多年来 近海岸 陆地开采 的经验 ，基本查清 了海 域的地层结构 、大的地质构造以及煤层赋存情况等 [ 收稿 日期 ]2 0 0 7一 O 7 3 O [ 作者简介 ]崔常兴 1 9 6 5一 ，男 ，山东龙口人 ，高级工程师 ，现任龙 口矿业集 团副总经理 、安全监察局局 长兼煤业公 司总经理。 3 7 维普资讯 总第 8 0期 煤 矿 开 采 2 0 0 8年第 1 期 地质条件。 海域地层 自下而上依次为下第三系、上第三系 和第四系。其岩性多为泥岩 、砂岩 、黏土岩 、油页 岩和煤。海域的含水层与陆地基本类似 ，在开采的 煤， 层上方有 6层主要含水层 ，与陆地不 同的是在 地表有海水覆盖。煤系地层之上普遍被第 四系地层 覆盖 ，而煤系地层上部和第四系下部有上百米厚的 泥岩和黏土岩 ，其岩性胶结致密 ，韧性大 ，隔水性 能好 ，有效地阻隔了煤系地层含水层与其上部第四 系含水层的水力联系。而各含水层之间有泥岩或黏 土岩相间沉积 ，具有 良好的隔水性能，有效地阻隔 了各含水层之间的水力联系。海域的断层构造 ，通 过海域开拓实际揭露 ，其 富水性 、导水性非常弱 ， 基本不含水 、不导水 ，与陆地类似。 综合各含水体 层水质分析结果与近海岸 陆地多年开采的实践 ，可以判定 ，除第四系含水层 水与海水水质相近外 ，煤系地层各含水层水质与海 水明显不同。因此，海域采煤过程中，海水只能通 过第 四系地层才有可能向井下充水 ，也就是说 ，防 止海水溃入 的重点是搞清不 同采煤工艺情况下的导 水裂缝带 高度 ，留足足够 的第 四系保 护煤 岩 柱，防止第 四系含水层水溃入井下而诱发海水溃入 矿井 。 2 ． 2 海域地层导水裂缝带高度预测 2 ． 2 ． 1 不同开采方法的覆岩破坏高度对比分析 科研院所与山东兖州兴隆庄矿对厚煤层分层炮 采 、分层综采和综放等不同开采方法覆岩破坏高度 进行了详细的观测研究 。研究结果表明，覆岩破坏 范 围的最大高度与开采厚度的关系最为密切。一般 随着采厚增大，破坏高度也相应增加。综放开采的 一 次开采厚度 以及 开采 强度较分层开采都 明显增 大 ，综放开采条件下的导水裂缝带最大高度与采厚 关系与分层综采工艺条件下的关系类似 ，近似呈分 式函数关系 ，但其关系曲线的上升速率却 明显高于 分层开采情况 ，即随着采厚增加，综放开采的导水 裂缝带最大高度增加较快 ，综放的裂高值远大于累 计厚度相同的分层综采裂高值 。 由于龙 口矿 区海域煤 田是陆地煤 田的 自然延 深 ，其地层 与陆地十分类似，陆地水体下开采实践 经验为海域采煤导水裂缝带高度预计工作提供 了有 益的借鉴。根据陆地开采实测结果 ，龙 口矿区覆岩 破坏具有非常典型的软弱覆岩类型的特点。一是覆 岩破坏过程较快 ，导水裂缝带最大高度形成的时间 短 ，北皂煤矿煤 综采一分层开采 1 4～1 6 d后导水 裂缝带即达到最大高度，二分层开采后 9 d 导水裂 38 缝带即达到最大高度 ；梁家煤矿煤 综采 2 0～3 0 d 导水裂缝带即达到最大高度；二是与 中硬覆岩类型 相 比，其导水裂缝带的马鞍形特征不明显 ，而裂缝 带边侧凸出采空区的距离相对偏大 ，呈现为超出采 空区范围的扁枕形。这与覆岩软弱有关 ，与矿压观 测支承压力带的分布形态基本相吻合；三是导水裂 缝带发育高度 明显小 于中硬岩层 ，其裂采 比仅为 5． 6 5 ～8． 7 5。 2 ． 2 ． 2 断层构造条件下综放覆岩破坏高度分析 在覆岩受断层构造破坏 的情况下 ，导水裂缝带 发育高度较正常地质条件要高。根据数值模拟分 析，在软弱覆岩类型综采面 采厚2 ． 8 m有高角 度正断层情况下 ，导水裂缝带发育高度较之正常地 质条件下增大 2 0 ％ ～ 4 0 ％；在低角度正断层情况 下，导水裂缝带发育高度较之正常地质条件下增大 1 8 ％ ～ 3 8 ％。并且得出了处于采空区中部 的断层 ， 采后裂缝 比采区边界裂缝 明显减少 ，许多裂缝在达 到正常高度以后又重新闭合等规律。 我国梅河三井对断层构造条件下综放覆岩破坏 高度进行 了观测。其开采煤层顶板 为深褐色油泥 岩 ，其硬度 系数 为 1 ． 9 9 ，属软弱岩层 ，底板为黑 色泥岩及灰 白色中细砂岩互层。采煤方法为放顶煤 多分层下行开采。该矿 1 1个钻孔 的观测结果表明， 正常地质条件下一分层裂采 比为 5 ． 6 ，在受断层影 响条件下 倾角6 0～ 8 0 。 ，导水裂缝带发育高度 较之正常地质条件下增大 1 6 ％ ～ 2 0 ％。 分析认为，龙口矿区煤 顶底板条件与梅河三 井类似 ，均为第三系软岩地层 ，其实测数据对北皂 煤矿有较高的参考价值。 2 ． 2 ． 3海域下首采面导水裂缝带高度预计 根据对海域下首采面附近陆地 1 - 7，1 - 2 9钻孔 和海域 B H一 1钻孔等有关钻孔资料的分析 ，首采面 附近煤系地层主要以泥质岩、含油泥岩、炭质泥岩 等泥类岩石为主，仅有少量粉砂岩等砂岩类岩石， 可以确定首采面为软弱 ～极 软弱覆岩类 型。根据 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤 开采规程 ，按照软弱覆岩类型导水裂缝带计算公 式，计算结果为 2 2 ． 2 8 m，折合裂采 比为 6 ． 2 。 根据北皂煤矿附近的梁家煤矿综采一次采全高 工作面导水裂缝带实测结果 ，北皂矿海域下煤 综 放首采面选取裂采 比为 8 ． 8 ，按采厚 3 ． 6 m计 ，可 预计其裂高为 3 1 ． 6 8 m 。以上两种预计高度均波及 不到矿区对开采影响较大的泥岩夹泥灰岩互层含水 层和泥灰岩含水层 。 在首采面原设计切眼处有 1条落差为 0～2 4 m 维普资讯 崔常兴 海域下煤层综采放顶煤可行性分析 与实践 2 0 0 8年第 1期 的断层，可能会影响导水裂缝带的高度 。考虑在断 层影 响的情 况下 ，按 梅河 三井实 测增 长率 2 0 ％， 取裂采比为 8 ． 8 ，则预计其裂高小于 3 8 ． 0 2 m。 另外 ，煤炭科学研究总院开采所还首次利用非 线性 的人工神经 网络技术 ，选择采高、顶板岩石强 度 、顶板泥岩含量 、倾角 、采深与基岩柱厚度 6个 因素进行了分析量化 ，建立基于人工神经网络技术 的导水裂缝带高度预计模型 ，对北皂煤矿海域下首 采面的导水裂缝带高度进行了预计，预计裂采比为 9 ． 4 5 ，按采厚 3 ． 6 i n ，预计导高约为 3 4 ． 0 2 i n ，与传 统方法预计结果较为接近。 综合上述传统预测方法 和现代预测方法 的结 果 ，北皂煤矿海域下首采面综放选择裂采 比 6 ． 2～ 8 ． 8较为符合一般性规律 。根据梁家矿煤 综采 的 实测数据，选择裂采 比 8 ． 8则相对较为安全可靠 ， 即在正常地质条件下首采面导水裂缝带预测高度为 3 1 ． 6 8 m左右 ，在断层 构造 影响 条件 下为 3 8 ． 0 2 i n 左右。 2 ． 3 首采面留出了足够大的防水保护岩柱 在海域采煤首采面位置选择上 ，龙矿集团借鉴 国外海域 和国内水体 下采煤 的经验 ，采取 了 “ 先 深后浅，先易后难” 的原则，将首采 面选在 了埋 深较大的区域 。首采 面距 离海平 面 3 5 9 ． 5 i n ，首采 工作面基岩柱厚为 2 5 0 m左右 ，且基岩柱上部主要 为泥岩，具有很好的隔水性 。即使 裂高为 3 8 ． 0 2 i n 时 ，保护层 的厚度仍有 2 1 1 I n之多 ，能够有效阻隔 Q十 N含水层与导水裂缝带之问的水力联系。 综上所述 ，海域首采面采用综放开采不会将第 四系水和海水导入井下 ，综放开采是可行的。 3 海域采煤的主要安全技术措施 通过可行性分析 ，在海域采用综采放顶煤开采 是安全的，但海域开采毕竟在我国还是首次 ，为保 证万无一失 ，龙矿集 团采取了可靠 的安全措施。 I 在海域 3条延深暗斜井上部分别设立 了 防水 闸门，实现了陆地与海域的分区隔离开采。 2 在 一 3 5 0 m海域采煤水平设置 了水仓 、泵 房进行排水 ，正常排水能力 为 3 5 5 i n ／ h，应 急能 力可达 7 1 0 i n ／ h ，是正常涌水量的 3倍 。主控机实 现了无人值守 ，可在矿地面集控室进行开 、停 ，提 高了应对突发事故的反应能力 。 3 建立了 I J 9 5安全生产监测 系统。实现 了 井下所有掘进头 、工作面的瓦斯及井下重要地点 的 通风 、温度 、风门 、风机等安全环境参数的实时监 测 ，实现了矿井各类生产 、机电设备运行状况的实 时监测。同时，对开采煤层上方 的两个主要含水层 的水压 、水量进行 了在线监控。 4 建立 了快速 和常规水质化验室 。试采前 通过对海水及海域各含水层的水质化验 ，得出不同 含水层的特征离子模板，开采期间进行定期水质化 验 ，结合水情监测实现对海水溃入的早期预警。 5 建立 了 I J 6 9井下人员定位系统 。该 系统 在井下设置近 3 0个接收站 ，将全矿井划分为 2 0多 个 区域 ，对下井人员进行实时监测监控 ，实现了井 下所有人员数量的实时统计及分布情况的监测 ，为 安全生产和灾害处理提供了有力保障。 6 建立了海域采煤灾害预警和安全保 障体 系。为保证海域试采的安全和一旦 出现紧急情况 ， 能够最大限度地降低灾害危害程度 ，龙矿集团与科 研 院所合作编制 了 北皂煤矿 海域首采面试采灾 害预警体系及应急预案 ，并 多次进行了演练 ，大 大提高了矿井的抗灾救灾能力 。 4 海域首采面开采实践 4 ． 1 海域首采面概况 海域首采面位于北皂煤矿海域 一3 5 0 m水平井 底车场以东 、东一采区的南部 ，处于海域首采 区煤 层埋深最深 的块段。海域首采面区域上部海水平均 深度 4 ． 4 m，工 作 面布 置在 平均 海下 3 5 9 ． 5 in处 ， 基岩净岩柱 2 5 0 m。工作面设计切眼长 1 4 6 m、推进 度 1 4 9 m，储 量 9 6 k t 。开 采 的 煤 层 平 均 煤 厚 4 ． 1 8 i n ，倾角平均 3 。 ，硬度系数f1 ． 5，直接顶板 为浅棕褐色 ～灰色含油泥岩 ，局部为泥岩 ，厚度为 1 5～1 7 m，底板为泥岩夹黏土质砂岩，局部为黏土 质砂岩夹黏土岩 ，厚度为 1 5～ 2 0 i n 。煤， 上覆岩层 至 Q十N底界 ，除泥灰岩和钙质泥岩外 ，8 0 ％以上 为泥质类岩石 ，隔水性能 良好。 4 ． 2 综放开采设备选型 4 ． 2 ． 1支 架选型 科研 院所通过详细论证 ，结合海域实测巷道底 板 比压 1 ． 5 8～4 ． 8 MP a ，选 择 采 用 底 板 比压 为 1 ． 1 MP a 、支护强度 0 ． 6 1 MP a ，矿区现有 的四柱支 掩式综放支架 ，其 支架 主要参数 为端头架型号 Z T Z 1 0 0 0 0 ／ 1 8 ／ 2 8 ，初撑力为 7 8 8 8 k N，工作阻力为 1 0 0 0 0 k N；过 渡 架 型 号 Z F G 4 8 0 0 ／ 1 7 ／ 3 0 ，初 撑 力 3 9 4 6 k N，工作 阻力 4 8 0 0 k N；基 本架型号 Z F 3 8 0 0 ／ 1 6 ／ 2 7，初撑力 7 8 8 8 k N，工作阻力 1 0 0 0 0 k N。 4 ． 2 ． 2采煤机、输送机及转载机选型 采煤机根据选定的支架型号，结合煤 及夹矸 松软 、硬度小 、节理发育 、易碎易割的特点，选用 3 9 维普资讯 总第8 0期 煤 矿 开 采 2 0 0 8年第 1期 MX G ． 1 5 0 ／ 3 5 0 D型双滚筒 采煤机，其功率 3 5 0 k W， 截深 0 ． 6 3 m，滚筒 直经 1 ． 6 m，齿轮销 排式 牵引 ， 牵引速度 0～ 6 ． 6 m ／ m i n 。 前、后部输送机按照架型和采煤机的生产能力 选用 S G D - 7 6 4 ／ 4 0 0型可弯 曲刮板输送 机，其 电机 功率 2 2 0 0 k W，运输能力为 9 0 0 t ／ h 。 运输巷选用 1部 长度 4 0 m，S Z Z 7 6 4 ／ 1 6 0型号 的转载机 ，运输能力 1 1 0 0 t ／ h 。运输巷利用 已有 的 S D J ． 1 5 0胶带 输送 机 ，其 电机 功 率 1 6 0 k W，带 宽 1 0 0 0 mm，带速 1 ． 9 m ／ s ，运输能力为 6 3 0 t ／ h 。 4 ． 3 回采 工 艺 首采面采用伪倾斜长壁后退式综采放顶煤采煤 法 ，自然垮落法控制 顶板 ，该面煤层 总厚度 平均 4 ． 1 8 m，其 中 机 采 高 度 为 2 ． 6 m，放 煤 高 度 为 1 ． 5 8 m，采放比为 1 0 ． 6 。循环进度为 0 ． 6 m，放煤 步距 0 ． 6 m，顺序放煤 ，采放平行作业。回采时拉 基本架 、推出前部输送机后进行放顶煤，放完煤后 拉后部输送机。 4 ． 4 首采面试采情况 海域首 采工作面 于 2 0 0 5年 6月 1 0日开始 试 采 ，8月 1 3日顺利结束。实际生产中，经过统计， 煤层平均采放厚度 为 3 ． 6 m，工作面推进 1 3 4 ． 5 m， 采 出煤量为 8 2 k t ，首采 面采 出率 达到 8 5 ． 4 ％ 。试 采期间各大系统运转正常 ，实现了安全生产。 5 结 论 海域首采面开采前 ，龙矿集团与科研院所合作 对工作面制定了水情 、矿压 、导水裂缝带等观测详 细方案 ，并在工作面开采过程中进行了认真观测。 1 通过对工作面 中部测 区 4 1 ，4 8 架 开采 全过 程 观 测 ，前 柱 缩 量 4～1 3 3 mm，平 均 缩 量 2 7 ． 9 m m；后 柱 缩 量1 ～ 1 2 6 m m， 平 均 缩 量 2 2 ． 6 m m。Z F 3 8 0 0 ／ 1 6 ／ 2 7支架能够对控 顶区暴露的 顶、底板给予可靠 的支护。 2 观测表 明 ，海域 下 “ 三软 ”地层 开采 ， 无上覆关键层 的破 断给工作 面带来强烈 的矿压显 现 ，即来压规律不 明显。但 由于煤 层顶板的稳定 性极差 ，工作面试采之后煤层顶板便急剧下沉。 在下位岩层沉降后，上位岩层在较短的时间内追随 下位岩层而沉降 ，覆岩弯曲下沉运动的范围随时间 的变化而逐渐扩展， 使支架受力一直十分明显，受 载强度大，且工作面推进速度愈慢，支架受力愈明 显。针对此状况 ，建议在今后开采 中改为单排双立 柱支撑掩护式架型支架 ，采用小阻抗力 的 “ 轻型” 放顶煤支架，提高移架操作速度和支架阻力利用 率 ，以便加快工作面推进速度 。 3 工作面推过 3 0 m后 ，超前支承压力在工 作面前方传播最大距离同为 3 0 0 m以上 ，压力 “ 显 现明显” 区为 1 7 0 m，两巷矿压显现非常明显 ，超 前动压影响范围及影响程度在国内也是空前的。建 议两巷超前支护长度不小于 1 5 0 m，同时在保证合 理空间的情况下 ，力所能及地加大两巷支护强度。 4 首采面开采前后 ，中国矿业大学 北京 采用双端堵水器井下钻孔法观测导水裂缝带 ，共施 工钻孔 1 9个 ，其 中 6个导高观测孔测出了导高上 限，创出单面导高观测钻孔数量之最， 测得海域下 煤层综放开采的覆岩导水裂缝带高度为 3 0 m，裂采 比8 ． 3 倍，与综放可行性论证预测值基本一致。开 采过程 中没有波及开采煤层上方 4 0 m处和 6 0 m处 的两个主要含水层 ，工作面开采过程中也没有发现 新的出水点 ，开采前后的工作面涌水量基本没变。 综上所述 ，海域首采面采用综采放顶煤试采是 成功的，意义是重大的。它不仅为龙矿集团的可持 续发展奠定了基础 ，对开发蓬莱海域下 ，以及我国 其他大型水体下煤炭资源将起到很好的促进和示范 作用 ；另外 ，海域下煤层采用综放开采还填补了世 界海域综放开采煤炭的空白，大大提高了我国水体 下采煤的综合技术水平。 [ 参考文献] [ 1 ]煤炭科学研究总院北京 开采所 ．煤 矿地表 移动与覆 岩破坏规 律及其应用 [ M]．北京 煤炭工业出版社 ，1 9 8 1 ． [ 2 ]薛忠臻，张文．龙口矿区近海含水层下采煤实践 [ J ]． 煤 矿开采 ，2 0 0 0 2 1 3 1 4，2 1 ． [ 3 ]陈佩佩 ，刘鸿泉 ，何世 达，等 ．首个 海域下 综放工作 面试采 可行性研究 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 0 6 4 1 - 5 ． 4 李文平，常颖 ，孟凡和，等 ． 海域开采巷道矿压显现分析 与支护对策 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 0 6 4 7 3 - 7 4 ． [ 5 ]孟凡和．龙口 矿区海下采煤技术研究与实践 [ J ]．煤炭科学 技术 ，2 0 0 6 2 1 9 2 2 ． [ 责任编辑邹正立] 维普资讯