谈我国海下采煤技术的应用.doc

GAOJIAOLUNTAN 高 教 论 坛 谈我国海下采煤技术的应用 付亚平 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 - 41 - 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。 作者简介付亚平1961一，1983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。 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80年代，经历了勘探、调研、论证、设计、施工阶段。1984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。1989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。1998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67～278 m，一般厚度在200 m左右，可采煤层6层，海底主采煤层厚10 m，储量大约12．9亿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2001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13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一350 m水平；架设皮带2000多m；安装了98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350 m，面长150 m，推进度149 m，可采煤层厚度4 m，发热量在33005000大卡，储量8．92万t，属优质褐煤。 2．3 试生产 2005年6月10日，北皂海域的2101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65天的开采，北皂煤矿首采面共采煤8．92万t，工作面回采率高达94％。 北皂煤矿首个海下采煤工作面于2005年8月12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8612832矩阵作为生产作业监控系统的主控没备来保障生产运营安全。 （4）该矿井采用矗勺安全生产监测监控系统融入了10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施监控，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。KJ69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，可随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入矿井的实例，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。2101工作面煤层顶板与海水底界相距350多m，一般情况下海水不会溃入井下。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，为防海水溃入提供预报。 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2101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。由于海下怍业风险高，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 210l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、F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。 2．10 通风 北皂煤矿东风井工程于2004年5月1日破土动工，经建设者的艰苦努力，2005年4月6日，东风井12iE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。 2．11 掘进 煤炭生产掘进先行。2004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。2005年4月，海域综掘机进尺达到135．4 m，折合单进203 m。海域掘进实现了革命性的飞跃。 2．12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24 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2101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。 2．13 工作环境 （1）文化走霄、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32_Ic 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175 m，罐车提升人员。 乘罐笼先到175 m地下，再乘载人地铁15 min到达250 m井下，然后坐倒“T”字形猴车，下至海下350 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550伏高压明线），井下巷道高约3m、宽约4m，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U25700棚距喷栅支护到最后U36全同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2101工作面位于300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10 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350m的2101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19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。 2．14 第二个海下采煤工作面 2006年8月15日开采的第二个海下采煤工作面，煤炭储量为35万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3 800 kN提高到5 200 kN，采煤人员已从首采面的100人减少到50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要小。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 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