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谈我国海下采煤技术的应用 第六图书馆 以龙口矿业集团北皂煤矿为例介绍了我国海下采煤的技术水平、装备技术及生产工艺过程。以龙口矿业集团北皂煤矿为例介绍了我 国海下采煤的技术水平、装备技术及生产工艺过程。海下采煤 技术装备 回采工艺 开采方法 安全技术露天采矿技术付亚 平呼伦贝尔学院工程分院,内蒙古呼伦贝尔0210082007第六图书馆 第六图书馆 l 0 露天采矿技术 2 0 0 7 年第1 期 谈我国海下采煤技术的应用 付亚平 呼伦贝尔学院工程分院，内蒙古 呼伦贝尔 0 2 1 0 0 8 摘要 以龙 口矿 业集团北皂煤矿为例介绍了我国海下采煤的技术水平、 装备技术及生产工艺过程。 关键词 海下采煤 ； 技术装备 ； 回采工艺； 开采方法； 安全技术 中图分类号 T D 8 0 7 文献标识码 B 吱章编号 1 6 7 19 8 1 6 2 0 0 7 O 10 0 1 00 4 1 概述 海下采煤从广义上讲是属于水体下采煤范畴。 迄今为止，世界上有 6 个海下采煤国家，它们是英 国、 澳大利亚、 智利、 日本、 加拿大和中国。长期以 来， 我国也积累了丰富的水体下、 湖泊下及河下采煤 的经验， 解放了水体下宝贵的煤炭资源。 对水体下采 煤 ， 在 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与压 煤开采规程 中作了详尽的规定。 随着国民经济对煤 炭资源的需求， 海下采煤也逐渐提上了日 程， 龙矿集 团北皂煤矿是我国第一座实施海下采煤的矿井。 同一般露天开采和井工开采相 比，海下采煤有 其特殊性。除了存在一般井工开采所遇到的共性问 题之外 ， 海下采煤尚存在 ①难以取得足够的地质资 料， 勘探费用过高； ②易造成淹井事故； ③需向海底 延伸或建立海上人工岛对海底煤炭就地气化和液 化， 否则运输费用显著增加； ④通风与排水费用可能 显著增加。 但海下采煤也存在着突出优点 ①不会导 致地表破坏，无需支付昂贵的搬迁费用及耕地损失 费用；②不会造成由于地表沉陷等开采损害而引起 的农田损失和地下水资源的严重流失和环境污染； ③不受老采空区和小窑开采的影响； ④海底采煤可以 在沿海煤 田矿井的基础上实现 ， 不需另建矿井 。 正由于海下采煤具备上述优点，所以海下采煤 正 日 益受到包括我国在内的海底下煤炭资源丰富的 国家政府的重视。 2 我国海下采煤技术的应用 2 ． 1 地质勘探 同内陆煤矿相 比，海底下采煤要取得地质资料 收稿 日期 2 0 0 6 一 l l O 5 作者简介 付亚平 1 9 6 1 一 ， 1 9 8 3年毕业于黑龙江矿业 学院采煤专业， 副教授、 高级经济师， 现任呼伦 贝尔学院工 程分 院院长。 相当困难， 费用也过大， 必须通过海上钻台和打钻船 打深海钻孔取得海底煤田地质资料。 我国煤炭资源分布甚广， 不仅广大平原地区、 丘 陵和山区的地下蕴藏着丰富的煤炭资源，而且水体 下压煤量也很大。 其中邻近渤海湾的龙口矿区， 目前 是我国唯一的海滨矿区。龙口矿业集团进军海域始 于上世 纪 8 0 年代 ， 经历了勘探 、 调研 、 论证 、 设计 、 施 工阶段。1 9 8 4年开始， 多次到英国、 加拿大、 日本进 行考察 ， 并对 国内水下采煤情况进行调研 ， 收集 了大 量水下采煤的技术资料。1 9 8 9 年开始， 先后对海域 扩大区进行了单道地震勘探和二维地震勘探 ，在海 上打出了4 个钻孑 L ，完成了海域首采区三维地震勘 探 ， 探 明海域扩大区的地质储量 ， 为海下采煤 的成功 实施提供了详细的基础资料。1 9 9 8 年， 原龙 口矿务 局正式向山东省政府提出对北皂煤矿海域扩大区进 行试采技术研究与开发的立项申请， 获准实施。 龙 口矿区煤 田延伸至海底 ， 煤系地层总厚度 6 7 2 7 8 m， 一般厚度在 2 0 0 m左右， 可采煤层 6 层， 海 底主采煤层厚 1 0 m， 储量大约 1 2 ．9 亿 t ， 为新生代早 第三系褐煤 ， 是 良好的民用和动力配煤 。 海下地层特 点完全具备海下采煤的条件。 2 ． 2 施工建设 北皂煤矿海域工程是 2 0 0 1年 1 月 1日正式开 工的，施工人员克服了深部开采带来的巷道压力过 大 、地质构造复杂、支护难度增加等前所未有 的困 难 ，累计完成海域井巷工程 1万多 m，完成 6大项 1 3 个分项机电安装工程， 总投资达 2 亿多元。先后 建成了海域轨道 、 皮带、 回风三条暗斜井 ， 从陆地生 产系统延伸至海下一 3 5 0 m水平 ；架设皮带 2 0 0 0多 m； 安装了 9 8 部综采放顶煤支架； 形成了主提升、 副 提升、 运输 、 通风 、 供 电、 排水等各大系统 ， 为海域首 采面的成功投产做好了充分的准备。首采面设在海 域下 3 5 0 m， 面长 1 5 0 m， 推进度 1 4 9 m， 可采煤层厚 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 重 蚕 固 露 天 采 矿 技 术 2 0 0 7 1 期 度 4 m， 发热量在 3 3 0 0 5 0 0 0大卡 ， 储量 8 ． 9 2万 t ， 属 优质褐煤。 2 _ 3 试 生产 2 0 0 5 年 6 月 1 0日，北皂海域的2 1 0 1 工作面正 式进行海下采煤联合试运转，是我国历史上第一次 海下采煤正式开始， 这也是继美国、 英国、 加拿大、 日 本和澳大利亚国之后，世界上第六个进行海下采煤 的国家。经过 6 5 天的开采， 北皂煤矿首采面共采煤 8 ． 9 2 万 t ， 工作面回采率高达 9 4 ％。 北皂煤矿首个海下采煤工作面于 2 0 0 5 年 8 月 1 2日试开采完毕 ， 并停机撤面。 2 ． 4 技术装备 1 针对平均煤厚 4 ． 4 m、 地质构造复杂、 “ 三软” 地层巷道支护难度大等特点 ，选择我国具有 自主知 识产权的综采放顶煤开采技术，这也是世界海下采 煤史上首次使用这一采煤工艺。 2 龙矿集团 自己攻关 的“ 防止海水溃入” 、 “ 海 域下煤层开采覆岩运动规律及其控制技术” 、 “ 海域 开采灾害预警系统和安全保障体系”为进行海下采 煤提供 了安全保障。 3 该集团先后投入大量资金 ， 采用了世界最尖 端的采煤设备， 同时选用天地伟业的8 6 1 2 8 3 2 矩阵 作为生产作业监控系统的主控设备来保障生产运营 安全 。 4 该矿井采用的安全生产监测监控系统融人 了 1 O 多项国内高新技术， 达到了国内煤炭行业的先 进水平， 建成了国内一流的综合 自动化控制平台， 为 海域通风、 供电、 排水、 提升运输、 安全监测监控、 灾 害预警等系统的地面集中控制提供了数字化的操作 平台。由天地伟业矩阵为控制核心的视频监控 网络 覆盖了矿井上下所有关键部位， 配合集中控制系统的 使用 ， 实现了海域中央变电所、 中央泵房、 皮带运输 等重要场所的无人值守， 为整个系统的地面集中控制 提供 了数字化的操作平台。 5 控制室在实现对海下矿井视频监看的同时， 还将图像通过综合管理软件与各种工业监测控制信 息结合到一起显示在大屏幕投影上 ，地上控制人员 对海下采煤实时监控 ， 一旦发生不测 ， 监控系统马上 自动联系救护大队及有关负责人。 6 井上下水情在线监测系统可对矿井水量、 水 压和水温进行动态监测， 及时发出预警信息。 6 9 人员定位系统的大范 围应用 ，解决了井下人员的动 态监控问题，可实时掌握井下人员数量及区域分布 情况。 快速水质化验室和常规水质化验室的建立 ， 为 矿井全面及时地掌握水情变化 ，快速确定涌水水源 提供了科学的依据。智能瓦斯巡检系统的成功投入 使用大大提高了瓦斯检测的真实性和有效性。海下 采煤应急救援体系的建立，进一步增强了矿井的抗 灾救险能力。 7 井下人车、 海域索道的装备解决了员工远距 离作业的体力消耗； 海域人员定位系统， 实现了海域 劳动组织全方位监控。 2 ． 5 海水溃入的防止 陆上采煤要负担厚土层的压力，海下采煤则要 承受海水和海底岩土的双重重负 ，解决不让海水意 外溃涌渗入巷道是海下采煤安全的基本保证。 为此实行了以砌碹为主的复合加强支护，进行 了导硐施工 ， 棚距喷棚支护和全圆、 全封闭壁后充填 支护， 提高了巷道的承载能力， 使巷道支护走在了世 界的前列 。 在海水与地基之间以特殊材料增添了加 固层和 防渗层 ， 其强度用斧头砍都砍不动。 北皂煤矿海域煤 系地层的岩性结构与陆地基本相同。 根据 日本 、 美国 等 国家海下采煤造成海水溃人矿井的实例，海水溃 入主要是由涉及煤层上限与海底的安全距离、断层 带导水、 海水与第 四系冲积层及含水层的联系 、 海域 特殊的地质构造。2 1 0 1 工作面煤层顶板与海水底界 相距 3 5 0多 m， 一般情况下海水不会溃人井下。 而且 采用了井上井下施工水位观测孔，并与地面水位孔 进行水位和水质监测， 为防海水溃人提供预报。 2 ． 6 开采顺序 与陆地采煤不同， 海域下要先深后浅。 2 ． 7 回采工 艺 北皂矿采用综采放顶煤技术， 采掘速度快、 用人 少、 安全系数大。 在 2 1 0 1 工作面， 采掘工人轻按电钮 开关，综采放顶机巨大的机刀快速旋转将煤炭切割 下来 ， 随着机刀的前移 ， 震动后 的顶层煤炭落下 。纵 向的煤层采完后，液压支架会推动机刀和溜子横向 延伸， 继续开采下一个存煤面。 2 ． 8 作业方式 海下采煤有大班、 小班之分 ， 小班连续工作 4 h ， 大班连续工作 8 h 。 海下采煤与普通采煤没有太大的 区别 ，只是作业面的矿工很少。由于海下作业风险 高， 所以， 采用了世界最尖端的采煤设备， 以减少作 业人员 。 2 ． 9运输 2 1 0 1工作面有材料巷 、 风巷 、 大巷 、 运输巷 。材 料巷负责运输综采支架、 电机及其他消防设备 ； 风巷 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 1 2 露天采矿技术 2 0 0 7 年第1 期 不停地往井下送风， 降低温度、 送走瓦斯； 大巷是主 干道， 职工从这里乘地铁、 猴车进出工作面， 上井、 下 井、 休息、 等车； 而工作面上采下的煤炭则通过运输 巷到达地面。 综采机采下的煤直接落入溜子， 先由海 域 3 号胶带提升， 进入煤位集中， 然后进入海域 2 号 胶带再集中， 最后进入海域 1 号胶带， 由提升罐笼运 往洗煤厂， 洗选后外运。 2 ． 1 0通风 北皂煤矿东风井工程于 2 0 0 4年 5月 1日破土 动工， 经建设者的艰苦努力， 2 0 0 5 年 4 月 6日， 东风 井工程正式竣工并投入运行，彻底解决了海域开发 的远距离通风问题 ，成为海域开发史上具有里程碑 意义的标志性工程。 2 ． 1 1 掘 进 煤炭生产掘进先行。2 0 04 年开始， 加大了现代 化生产设备在海域掘进工作中的应用，积极探索提 高海域掘进效率的方式方法， 通过小改小革和技术 革新， 成功应用了现代化综合掘进机。 2 0 0 5 年4月， 海域综掘机进尺达到 1 3 5 ． 4 m， 折合单进 2 0 3 m。海 域掘进实现了革命性 的飞跃。 2 ． 1 2 监控 实时监控井下的温度 、 瓦斯浓度 、 水压 、 风量 以 及采出煤量， 数据详细。 海下中央泵房、 变电所、 海域 胶带机、 海域水仓都实现了地面远程 自动化控制 、 无 人值守。监控中心 2 4 h 值班 ， 发现井下有意外情况 ， 立即采取应急措施 。矿灯电池除 了为头上的矿灯供 电外， 上面还安装了一个信号发射器， 各个巷道都安 装了监测仪， 实时监测下井人员的位置、 数量及分布 情况。 北皂煤矿是 国内第一个井下工业“ 以太环 网” 系 统， 形成了“ 煤炭工业电视监视” 、 “ 安全生产监测监 控” 、 “ 井下人员定位” 、 “ 瓦检员巡检管理”等4 大系 统， 已将2 1 0 1 工作面打造成国内第一个数字化工作 面。第二、 三个工作面将要建成全 自动化 的工作面。 2 ． 1 3 工作环 境 1 文化走廊、 矿灯超市和洗浴 矿办公楼走廊 两边是各种安全宣传画和标语 ， 充满 了温馨和亲情 。 走廊左边是矿灯超市。 矿灯超市旁边是浴室， 矿工上 井放下矿灯和 自救器后 ， 就可 以免费洗澡 有池浴 、 淋浴、 桑拿浴 、 按摩浴 。 2 井 口 。 矿井口是在离矿灯超市不远的室内， 下井坐罐车 ， 竖井深 1 7 5 m， 罐车提升人员 。 乘罐笼先到 1 7 5 m地下 ，再乘载人地铁 1 5 rai n 到达 2 5 0 m井 下 ， 然后坐倒“ T ” 字形猴车 ， 下至海下 3 5 0 m的中国第一个海下采煤工作面。 3 巷道 井下巷道顶上是架空线 ， 架空线是矿 车的电线 5 5 0 伏高压明线 。井下巷道高约 3 m、 宽 约 4 m， 修建得像隧道， 还有墙裙。 巷道里很干爽， 如 果不到采煤面完全可以不穿水鞋。巷道的地上是矿 车轨道， 上面是输风管和输水管， 墙壁上有安全操作 规程 和宣传语 “ 您是企业 的主人 ，安全是您 的责 任” 、 “ 留一份平安给 自己， 送一份美满给亲人” 等等。 巷道里矿车拉煤和施工材料、 人车拉人。 从区域构造应力分析到各岩层的物理力学性 质， 结合矿压显现规律， 以科学的手段分析巷道难以 维护的原 因， 从砌碹为主的加强复合支护， 到导硐施 工工艺；从 U 2 5 7 0 0 棚距喷棚支护到最后 U 3 6 全圆 全封闭壁后充填支护的成功，北皂人在海域巷道支 护方面趟 出了一条新路。 为了降低瓦斯密度，井下多处都安装了大功率 的吹风机 ， 直接把风吹向井上 ， 进行空气流通。 4 行人 行人乘坐倒“ T ” 字形的猴车与“ 运人 车” ， 每节车厢只能坐 4 个人 。 5 工作面 北皂煤矿海域首采 面 2 1 0 1 工作面 位 于 3 0 0多 m深 的海平面下 ， 下井者头盔、 水靴、 围 脖再加上束在腰 间的电瓶 。 采煤机长达 1 0 m， 滚筒转动割下的煤块以及碎 煤落在输送机上， 输送机运到地面， 进入选煤厂， 洗 选后外运。如图 1 所示。 图 1 位于海下 3 5 0 m的 2 1 0 1 工作面的综采放顶采煤机 6 调度指挥 中心 井上的调度指挥中心有 l 9 个小屏幕显示井口、井下巷道和采煤作业面的即时 情形， 调度人员可随时与各个作业点的矿工联系， 可 监控井下的水 、 瓦斯 、 一氧化碳等指标 ， 有情况可 以 及 时指挥处理 。通过显示屏看到， 采煤面的人很少 ， 煤被采煤机切下 ， 随即被输送带运走 ， 采煤工人的劳 动强度大大降低。 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 露 蚕 固 露 天 采 矿 技 术 2 0 0 7 - g 1 期 1 3 2 ． 1 4 第二个海下采煤工作面 2 0 0 6 年 8 月 1 5日开采的第二个海下采煤工作 面， 煤炭储量为 3 5万 t ， 是首采面的 4倍 多 ， 继续使 用在世界上首次应用的综采放顶煤开采技术并加以 完善， 采煤工作面综采支架将实现远程控制， 支架工 作阻力将由 3 8 0 0 k N提高到5 2 0 0 k N， 采煤人员已 由首采面的 1 0 0 人减少到5 0 人以内， 工作效率和安 全生产水平大大提高。 3 海下采煤见评 海下采煤第一个工作的实践为中国今后制定和 完善海下采煤法律、法规和规程提供不可或缺的宝 贵资料。 对今后海下采煤提出以下建议 1 对于新从事海下采煤的公司 ， 最大的问题是 如何运送海下煤炭。 使用深海型的自动采煤机器人， 将煤炭通过管道传送到采矿船或海上采油使用的半 下潜式平台 ， 就能够解决煤炭的运送问题。 由于上世 纪七、 八十年代， 国际上投入了 6 亿多美元用于海底 锰结核矿开采技术的研发 ，深海采矿技术得到了很 大发展 ， 而且深海机器人已经是成熟的工业技术 ， 广 泛使用于海上石油开采和海下搜救中，今后必将使 用于海下采煤中。 2 从事“ 黑烟囱” 研究的目的， 主要是因为陆地 的金属硫化沉积物与海底非常相似，将其作为研究 陆地沉积物的一种途径。我们希望通过了解海洋地 质， 能为我们研究陆地上的沉积物带来一些启发。” 3 、 海下采煤对环境的影响比陆地采煤耍小。 海 下采煤可以避免陆地采煤带来的许多问题。 比如， 海 下采煤也不会触及活跃的黑烟囱 ，即不会威胁到活 跃黑烟囱附近聚集的各种海底生命。 4 海下采煤是一个经济、 社会、 环境和技术相 结合的综合性难题，必须在偏重于安全和防止环境 污染的基础上，在技术可行的条件下寻求综合经济 效益最佳。 进行中国的海下放采煤， 借鉴国外的成功 经验很重要， 同时必须结合我国海域具体地质情况， 建立具有中国特色的海下采煤技术及安全体系。 参考文献 [ 1 ] 刘天泉． 澳大利亚海下采煤经验[ J ] ． 矿山测量， 1 9 8 2 ， 3 4 8 5 1 ． [ 2 ] H． F ． 华特森 英 ． 英国东北部海底[ J ] ． 世界煤炭技术 ， 1 9 8 0， 3 4 0 4 3 ． [ 3 ] 刘天泉． 露头煤柱优化设计理论与技术[ M] ． 北京 煤炭 工业出版社 ， 1 9 9 8 1 - 5 ． [ 4 ] 邹寅笙． 水休下安全开采 2 0 年的实践和认识[ J ] ． 煤炭 科学技术， 1 9 9 8 ， 1 5 3 5 5 ． [ 5 ] 中国废旧物资网， 深海采矿时代即将来临， 2 0 0 6 ． 4 ． 3 ． [ 6 ] 煤炭科学研究总院北京开采研究所， 孙洪星撰写的 中 国海下采煤展望 论文． 呋六六六六六六六呋六呋呋呋呋六六六六呋呋呋六 六毋六六六六六 呋呋呋六六毋毋六呋呋六六六六 上接第 9页 [ 3 ] Y u ． A ． S h r e i d e r E d ． ， M e o d o f s t a t i s t i c a l T e s t i n g M o n t e C a r l o me o d [ M] ，1 9 6 4 ． 5 结 语 [ 4 ] 徐钟济 ．蒙特卡罗方法[ M] ． 上海 上海科学技术 出版社。 应用M o n t e C a r l o方法 ，把产生的随机分布数作 为结构面迹线的确定参数 ，可 以较为准确地模拟出 岩体二维结构面网络图，解决了因大多数结构面深 埋于岩体 内部而无法观测 的巨大限制 ，由局部到整 体、 由表及里 ， 较为准确地描述岩体内部的结构面分 布情况。应用计算机模拟结构面网络是一种比较先 进的研究方法 ， 不仅能够准确把握岩体的内在规律 ， 而且能够极大地提高工作效率。 参考文献 [ 1 ] W． M e t r o p o l i s a n d S ． U l a m， M o n t e C a d o m e o d[ J ] ， J ． A m e r ． S t a t ． As s ，4 4， 3 3 5 3 41 ，1 9 4 9 ． [ 2 ] A ．S ． H o u s e h o l d e r E d ． ， Mo n t e C a 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