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第一章综采放顶煤开采方法发展趋势

特厚煤层放顶煤开采,是近十几年逐渐发展起来的一种新的开采技术,在条件适宜时,放顶煤具有高产高效,低耗安全,掘进率低,系统简单,成本低,效益好等优点,是实现矿井高产高效的主要技术途径之一。

在具有良好的煤层赋存条件,厚及特厚煤层综采放顶煤开采技术己得到全面推广应用。

随着放顶煤开采技术的发展,放顶煤的应用范围不断拓展,中硬以上煤层,通过采取一些技术措施,改善顶煤的冒放性,可取得良好的经济效益。

根据《煤矿安全规程》第六十八条第三款最新规定:

严禁在工作面内采用炸药爆破方法处理顶煤、顶板及卡在放煤口的大块煤(矸)。

对于向乌鲁木齐矿区急倾斜煤层顶煤传统爆破开采是一次挑战,由于放顶煤阶段高度高,为此寻求一种新的顶煤破碎方法,采用煤层注水软化方式逐步取消炸药爆破,矿井首先借见其它矿井对硬煤层注水软化经验,以降低硬煤层硬度和增加煤层裂隙为突破口,通过使高压水流对煤体进行预裂,破碎,破坏煤体的物理性质,同时超前预爆破方式或利用矿山压力和液压支架的反复支撑作用对顶煤进行破碎,提高顶煤冒放性,从而逐渐取消工作面钻孔爆破,实现工作面的连续生产,实现真正的安全高效生产。

第二章矿井实施注水的必要性

1、抑制粉尘产生,改善作业场所环境

煤尘的危害是多方面的,其主要构成对人体健康的危害,其次是具有爆炸性。

通过日常监测工作面平均煤尘浓度为6.49mg/m3,生产线煤尘浓度最大可以到190mg/m3。

据实验室提供的煤质资料计算得出平均煤尘爆炸指数为42.5%,为解决粉尘危害,矿井引进新的设备和工艺,如架后放煤喷雾、架前移架喷雾,电控喷雾和GE药剂防尘技术,但还是不能根本上从源头遏制煤尘产生,矿井通过煤层注水软化技术对煤体的内部预先均匀湿润,水通过孔隙对煤尘进行包裹,使其失去飞扬能力,同时煤层高压注水使湿润煤的塑性增强,脆性减弱。

当煤体受到外力作用时,脆性破坏变为塑性变形,减少了煤被破碎为尘粒的可能,降低了煤尘的产生量。

2、软化煤层

《煤矿安全规程》第六十八条第三款规定:

而矿井回采工作面采用炸药爆破方法处理顶煤及坚硬煤层,与《煤矿安全规程》相违背。

为了避免工作面采用炸药爆破方式,对工作面顶煤和夹矸实行超前预注水软化,破坏煤层的节理,使煤体的物理性质发生变化,让煤体脆性减弱,塑性增强,使坚硬顶煤容易冒落,从而达到工作面连续割煤,实现安全高效开采。

在前期试验,工作面仍然通过顶煤松动爆破方式,在后期技术成熟后将逐渐取消炸药的使用。

3、防治冲击地压

矿井随着开采深度的加大,冲击性地压就越明显,在采掘工作面经常可以听见“抬炮”声,在回采工作面经常出现煤壁突然垮落,给工作面生产带来一定的安全隐患。

矿井通过煤层注水软化煤体,改变煤体的裂隙结构,降低了煤的弹性和储蓄能量的能力,使煤体脆性减弱,塑性增强,促使煤壁前方塑性变形区变宽,应力集中带向煤壁深处移动并变宽,使煤体冲击倾向减弱,改善能量释放过程中在时间上的稳定性和在空间上的均匀性,从而防止了冲击地压的发生和产生冲击地压的强度。

4、抑制工作面瓦斯的涌出

在煤层注水过程,水从煤体的裂隙和孔隙中挤走大量的游离沼气,同时使吸附状态的沼气稀释,延迟释放的时间,大大降低了煤层开采时的沼气泄出量。

5、预防煤层自燃

煤层注水后,采空区内的遗煤含水量增大,煤体的导热系数和热容量增大,使遗煤的温度不易升高,从而延长了自燃发火时间,避免自燃火灾的发生,对防灭火工作起到一定预防作用。

6、减少回采工作工序,提高原煤的回收率

煤层注水技术成熟后,超前煤层注水软化使煤体破碎,因此,回采工作面将取消在工作面架前打眼,装药和爆破工序,为工作面生产提供充足的时间,同时该工序的取消,职工的劳动强度将大幅度减轻。

7、降低吨煤成本

煤层注水软化后,工作面将取消顶煤爆破中使用的炸药和雷管(炸药和雷管成本占总成本的1/3,大约在4元/吨)。

吨煤成本将降低,同时煤体注水软化后,煤体的物理性质发生了变化,采煤机能很容易进行切割,特别是工作面的夹矸,不在需要用爆破的手段进行预裂,这将大大降低采煤机截齿的消耗。

8、矿井安全系数提高

煤层注水软化后,顶煤冒落性将提高,工作面能实现均匀放煤,有效防止顶煤大面积突然垮落,造成大量的气体涌出,同时煤层注水能有效抑制煤尘产生、减弱冲击性地压产生,有效预防煤层自燃的发生,全面改善安全状况。

第三部分前期煤层注水软化试验实施进展情况

一、煤层注水软化项目实施情况

2007年,煤层注水软化技术在+645B1+2煤层综采工作面和+618B1+2煤层综采工作面进行二次煤层注水软化试验,其中+645B1+2煤层综采工作面注水软化试验通过联络煤门,在超前回采工作面50m,联络煤门能布置注水孔,共6个注水孔,三个孔向东(朝向回采面方),三个孔向西(背向工作面方),角度45°

,间距10m。

+618B1+2煤层注水软化试验,注水钻孔由B2进风巷向B1回风巷施工,其中每组3个注水孔,其中两个仰孔,分别与水平成40°

和60°

的夹角,注水孔斜长为31米和23米;

一个水平孔,与水平成3-5°

的夹角,注水孔斜长25米。

每组仰孔间距为10米,两水平孔间距为20米,每组仰孔与水平孔间距为5米。

每一轮注水钻孔为4个仰孔、2个水平孔,共施工20个注水孔。

二、实施煤层注水软化效果

通过两次试验数据收集,在防尘方面起到一定的成效,粉尘浓度降低了50%以上。

煤层注水后,回采工作面“抬炮”现象明显减少,工作面煤壁垮落现象减少。

由于试验过程注水孔间距不适宜和注水水量不均匀等影响,造成原煤含水量增加8%左右,煤质降低;

同时由于注水不均匀,造成部分区域煤体破坏严重,在人工钻孔施工过程中,部分钻孔变形,对装药带来一定的困难,矿井对煤层注水试验不连续性、注水压力等影响,煤体软化效果整体不很明显,在顶煤爆破后,架后大块煤炭依然存在.

三、煤层注水试验中存在的问题

1、煤层注水软化钻孔布置不合理。

注水孔由轨道巷向皮带巷钻设(穿煤层方式),由于煤层裂隙多,层理发育,注水顺裂隙泄漏,泄压。

同时部分区域为注水盲区,不能很好软化和破坏煤体。

2、设备选型不科学合理。

在是设备选型上,由于没有专用注水泵,无法实现高压力和低流量的要求。

再加上泵容易坏,煤层注水压力在5MPa左右(几乎为静压注水),致使不能很好破坏煤体。

3、煤层注水软化试验不连续性。

由于我矿人员紧张,抽调富裕人员进行连续注水试验很困难,所以矿井只能挤出人员进行试验,这使注水试验不能连续性。

4、试验中没有找到合适的软化剂。

因矿井没有寻找到合适的注水药剂,矿井仅用水进行煤层注水软化试验,这一定程度上影响注水试验效果。

以上为矿井煤层注水软化试验情况和不成功方面,在下面的试验中,将吸取失败原因,根据工作面的实际情况,利用煤层弱层理面,沿煤层的走向方向布置钻孔,采用高压注水方式,并寻求软化剂,连续进行注水试验,以发挥煤层注水软化效果,实现安全高效生产的目标。

第四部分+618B1+2煤层注水软化项目实施方案

第一章工作面概况

+618B1+2综采工作面为+590水平东翼采区的南采面,位于矿井工业广场保护煤柱以东,其东界为矿井井田边界煤柱,西界为工业广场保护煤柱。

工作面两顺槽巷道沿煤层顶底板布置。

工作面设计走向长度1250米(截止10月19日,剩余长度510米),工作面长度31.5米,阶段高度27米(机采2.8米,放顶高度24.2米),煤层倾角为87°

,煤的硬度系数f=1.5-3,其中B2比B1煤层较硬,同时B1与B2煤层中间夹矸4~8层,夹矸单层厚0.06~2.43米,夹矸厚度由东向西,逐渐变薄。

工作面采用综采放顶煤开采方法,全部垮落法处理顶板,该工作面配备工作面19副液压支架,其中1副ZFTZ14400/20/33型端头支架,5副ZF5600/19/35型过渡支架,13副ZF5000/19/32型放顶煤支架,工作面采用MG-250-NWD型采煤机,前后部刮板机为SGZ730/110型,SZZ730/110型转载机,PCM90型破碎机,皮带运输即为DSJ100/60/2×

75型。

同时在轨道巷安装1副ZCH9030/19/35型超前支护架。

(附+618B1+2综采工作面巷道布置图)

第二章采煤工艺

一、采煤工艺

(一)、采煤工艺流程

(二)、采煤工艺详述

1、进刀工艺:

割煤→拉后溜→移架→斜切进刀→推前溜

①割煤:

采煤机启动直接割煤,割至机头处后开始翻刀割顶煤,直接由机头割至机尾,必须保持顶板平直,到机尾后滚筒下调,开始割底煤,。

采煤机割至机头处和机尾处时在机头、机尾范围内可往复行走几次,利用滚筒将浮煤最大限度的旋至前部刮板输送机上,减少人工装煤量。

采煤机将底煤割完后停止在前部刮板输送机中部。

②拉后溜:

采煤机割煤过程中将后部刮板输送机拉回,拉溜时根据后部刮板输送机与转载机搭接情况决定由机头向机尾拉还是由机尾向机头拉移,如果搭接过多就由机头向机尾拉,如搭接不上则由机尾向机头拉移,原则上是交替进行,以保证搭接合理。

③移架:

当采煤机开始割顶煤时,滞后采煤机3m,2副支架的距离开始移架,移架时先将所移支架相邻两副支架的推移千斤伸出,将前部刮板输送机向前顶,降低所移支架的立柱,将支架推溜千斤往回收,从而将支架前移,达到规定范围后将支架升起,再移另一副支架,要求支架必须排列整齐,达到规定初撑力。

④斜切进刀:

当工作面支架全部移完后,此时采煤机也在前部刮板输送机中部,开始准备做斜切。

斜切需要做在北边,就从采煤机北侧开始推前溜;

斜切需要做南边就从南侧推溜。

溜子逐渐调斜推入,在采煤机侧10米处时推到位,溜子调斜后,采煤机开始割煤进入,正好到10米处时煤机滚筒整体进入煤壁。

⑤推前溜:

斜切做完后,根据斜切情况将前部刮板输送机推出,前部刮板输送机必须调直,成一条直线。

2、落煤工艺:

机采以外的顶煤部分采用松动爆破全垮落法落煤。

落煤工艺流程:

打爆破孔→装药→爆破→放煤

①打爆破孔:

根据目前使用的炸药性能及现场情况来看,落煤步距确定为3.6米,即工作面每推进3.6米布置一排爆破孔,爆破孔间距为3米,排距为3.6米。

爆破孔插花布置,既本次布置为2#、4#、6#、8#,下次就为3#、5#、7#、9#,这样可以保证有较好的爆破效果。

爆破孔采用岩石电钻平行煤层倾角向上打Ф100mm炮眼爆破松动煤体,钻眼深度根据分层高度确定。

②装药:

顶眼打完后,在炮眼内装药,炸药使用Ф80mm的矿用乳化炸药。

装药量根据炮孔深度进行计算。

装药时使用1寸钢管制作的炮杆将药卷往上顶,炮眼采用牛皮纸制成跟药卷同规格的纸袋装上黄土进行封堵,炮眼封堵长度不得低于2米。

炮头联接线全部短接,并用胶布包裹好,用纸壳包好塞入孔内,并作好记号,等到炮位到位时降架拉出炮线重新接线即可。

③爆破:

打完炮孔装完药后,工作面开始进刀,当炮眼位于液压支架前后立柱中间时开始放炮,每眼单独起爆,起爆前支架降架10cm,避免爆力破坏液压支架。

④出煤:

每打装完一排炮孔后,后面一排炮即可起爆,爆破将顶煤破碎,通过液压支架架后放煤口放煤,由后部刮板输送机运出。

采煤机在进刀两个循环中开始放顶煤,放煤方法采用由底板向顶板方向依次多轮间隔式放煤,即(即1#、3#、5#......2#、4#、6#......),反复多次放煤,每次放煤量不宜过大,时间不宜超过10分钟,放煤口出现矸石时应停止放煤。

3、支护工艺:

工作面采用掩护支撑式液压支架支护,支架选型必须经过计算强度是否符合要求。

采煤机割完后,及时移架,防止顶板暴露时间过长,支架移架完毕后将液压支架升起至初撑力。

在无端头支架支护情况下,采用“一”字铰接梁配合液压单体支柱进行支护,工作面每向前回采1.2米,端头及超前支护的“一”字铰接梁从后方回收一根必须向前接一根挪移1.2米,以满足当班循环进尺空间。

4、运煤工艺:

机采部分由采煤机滚筒螺旋叶片自行装入前部刮板运输机,顶煤通过液压支架尾梁摆动及后插板伸缩放入后部溜子,前、后部溜子装运的落煤通过皮带巷的转载机输送到可伸缩皮带机转运至溜煤眼再通过分层石门皮带运输机运送到溜煤眼到集中煤仓。

第三章现采煤工艺存在问题

1、回采工作面采用炸药爆破方式进行落煤,违背《煤矿安全规程》第六十八条第三款规定:

同时炸药在矿井使用过程中存在一定安全隐患,给矿井安全管理工作带来一定困难。

2、生产不能处于连续性。

由于综采放顶煤以顶煤爆破落煤为主,进刀割煤为辅。

所以在顶煤打钻孔、装药和爆破为重要工序,然而在打眼工序上需要大量时间,有时会出现工作面架后无煤,工作面正处在打眼装药工作中,这就使生产处于暂停状态,必须让该工序结束后才能进刀出煤。

3、爆破效果不均匀。

由于煤层的硬度不同,同时煤层局部有一定的变化性,炮眼布置的间排距一定,在爆破过程中常会出现块度不均匀,大块炭出现,影响架后放煤和出煤工作。

4、钻孔施工中存在一定的危险性,同时职工的劳动强度大。

钻孔必须在架前施工,由于煤壁没有防护设施,煤壁的突然垮落,给施工人员带来一定危险。

现钻孔和装药工作必须由人工作业,由于放顶煤顶眼深度较高,这给打眼和装药带来一定困难,给职工增加一定的劳动强度。

第四章煤层注水实施方案

1、注水方式

根据煤层赋存条件,节理发育,为使注水软化试验效果更好,工作面通过注水平台采取超前长钻孔高压连续注水方式,注水孔顺着煤层的走向方向布置,利用煤层弱层理面和高压水流,让煤体充分冒落和破碎,同时结合超前预爆破方式对煤体进一步破碎。

2、注水平台工程施工

在+618B1+2煤层工作面距离石门300米为位置,施工两个注水平台,人为把27米的阶段高度划分为3个小分层,每个分层为9米,具体为:

由B2皮带巷向北施工一个天槽,在天槽上方施工一个注水平台,第一平台标高为+627m,在第一个注水平台上向东施工一个天槽,在天槽上方施工第二个注水平台,第二注水平台的标高+636m.为解决注水平台上的通风问题在B2轨道巷向平台各施工一个Φ300mm孔。

3、主要设备选型

注水钻机:

根据煤层的硬度,施工钻孔长度、钻孔角度和试验场地空间的大小等因素,选取ZY-200型全液压钻机

主要技术参数:

钻孔直径:

(mm)φ36φ65

钻孔深度:

(m)200 

150

钻杆直径:

(mm)φ33φ43

钻孔倾角:

0-360度

钻机动力:

(kw) 

22

钻机重量:

主机238kg 

支柱40kg;

操作台86kg 

动力车288kg

注水泵:

由于静压注水方式无法对硬煤层进行破坏,为破坏煤层机理必须采用高压注水方式进行。

因此选取BZW50/40型高压低流量注水泵

驱动功率:

45KW

额定排出压力:

40MPa(可调节压力)

额定流量:

3.42m3/h,57L/min

封孔器:

煤层注水效果的好坏,封孔是关键。

考虑到封孔器与钻孔相匹配,同时能够承受一定的压力。

因此选取ZF-A38型封孔器

内径:

38±

0.8mm

外径:

54±

2mm

适用外径:

65mm

膨胀范围:

71—83mm

自由状态压力:

4mpa

实验压力:

12mpa

4、注水各项参数确定

(1)、钻孔布置

钻孔布置是在考虑到综放厚煤层的特殊条件下来制定的,布置是根据煤层层理、节理、裂隙及孔隙分布等情况,根据B1与B2煤层中间夹矸位置,煤层弱层理面等因素,钻孔沿煤层走向方向布置,分别布置在B1和B1煤层较硬处及在煤层夹矸中,每个平台施工6个注水孔(其中3个孔向东,3个孔向西),注水孔与水平成3°

(在施工中,注水孔尽量水平,孔内煤末能倒出即可),注水孔水平长度70米,间距6米。

①、钻孔长度。

钻孔长度取决于工作面长度、煤层透水性及钻孔方向,根据实际情况钻孔水平距离70米。

②、钻孔间距。

煤层厚度、煤层倾角、煤层硬度、煤层弱层理面和夹矸位置等因素。

钻孔布置B1和B2煤层中,其间距约6米(具体情况根据平台的煤层情况)。

③、钻孔倾角。

确定钻孔倾角的基本原则是使钻孔始终保持在煤层之中。

同时考虑到煤层阶段高度和距离施工中排煤末等因素,倾角3°

(附煤层注水软化钻孔布置图)

(2)、注水各项参数

①、注水水量

工作面防尘用水静压能达到2.5MPa左右,矿井通过BZW50/40型注水泵加压注水。

注水参数。

单孔注水量Q按下式确定:

Q=KLBhγδ 

=1.1*70*5*1.3*0.025

=12.5m3

式中:

Q—单孔注水量,m3;

 

K—注水系数,取1.1;

L—钻孔长度,m;

B—钻孔间距,m;

h—煤层厚度,m;

(煤层软化半径5m)

γ—煤密度,t/m3;

δ—吨煤注水量,m3/t,取0.025m3/t。

②、注水时间

每个注水孔直到注水压力没有大的变化,煤体全部被水浸泡(根据苇煤实验数据,需要7——8天的时间,煤体的水分不会增加,在小红沟煤矿根据现场实际情况而定)

③、注水压力。

矿井注水为软化硬煤层,使其产生裂隙,固采用高压注水方式,目前,矿井水的静压为2—3MPa,无法破碎煤体,所以需要进行加压,根据煤层情况,选取注水压力为≥12MPa。

④、注水流量

根据试验经验,动压注水时应为0.3~2.0m3/h。

⑤、封孔长度

根据巷帮煤体的破碎带,封孔深度至少6m。

⑥、药剂

前期(东侧)注水孔采用水做药剂,而后期(西侧)注水孔采用药剂。

第五部分煤层注水软化项目实施计划

为保障煤层注水软化项目实施顺利,矿井成立科技项目实施小组,同时对主要参与的科区进行分工,项目制定制定的实施计划,在项目实施不同阶段对各项数据的进行采集,以为后期实验提供科学的依据。

第一章煤层注水项目实施组织结构

以保证项目实施的顺利,矿井成立以矿长为组长的科技项目实施小组,同时对项目实施过程中相关科区职责进行划分,具体为:

一、科研项目小组:

组长:

祃连兴

副组长:

吴浩、赵凯、白合提亚尔、薛天山

成员:

达力汗、刘志辉、杨振军、桂成杰、尹新平、何建江、武建国、马本勤、周长喜及相关科区工程技术人员。

煤层注水科研项目实施办公室设在生产技术办公室

主任:

达力汗

生产技术办相关人员

二、科研项目科区的主要职责和任务

生产技术办:

协助总工程师组织人员对研究项目编制具体实施方案和项目实施计划,组织召开科技会议,做好在实施过程中的技术指导和监督工作,对科研项目资料进行收集和整理工作。

通风队:

按照项目设计要求,负责对注水钻孔施工和钻孔的注水工作,同时在整个注水软化过程中,保证工作面生产和注水项目所需的供水。

在煤层注水过程,对每个注水孔注入的压力、水量进行记录。

在注水区域回采过程中,每班对工作面气体进行检测,每3天对粉尘浓度进行监测,以上收集数据,每月按时对采集数据上报生产技术办。

综采一队:

对煤层注水后,每班对工作面煤壁、工作面压力情况、超前支护区域压力情况和顺槽巷道围岩变化情况进行观测,并进行记录。

对顶煤爆破孔施工位置、深度、间排距、装药量等数据进行收集,按时对数据上报生产技术办。

设备办:

对煤层注水软化项目设备进行采购,按期到货,保证项目实施顺利。

机运队:

对科技项目实施过程的设备定期进行维护和保养。

洗煤厂:

负责对煤质进行全程测试和监控,每天对煤质进行监测,特别是煤的水份和大块率,并记录,按时上报生产技术办。

地测站:

做好项目实施区域的地质预报工作,定期在地面对试验区域的塌陷区进行观测。

调度室:

负责项目实施过程中人员协调工作。

安全科:

负责项目对项目实施中井巷工程和注水软化工程的安全管理工作。

第二章煤层注水项目实施计划

根据工作面回采情况,制定煤层注水软化各个工程的实施计划,同时为保证项目实施的安全顺利,每一阶段由相应的分管领导进行负责,具体为:

10月20日——11月4日,(15天)施工煤层注水井巷工程。

(负责人吴浩、白合提亚尔)

11月5日——11月11日,(7天),施工煤层注水软化钻孔。

(负责人赵凯)

11月12日——11月23日,(12天),对注水孔进行注水或药剂。

11月24日——12月3日,(10天),施工爆破孔和装药。

(负责人吴浩)

12月4日——顶部超前预爆破。

12月5日开始对煤层注水区域进行数据监测。

第三章项目观测内容

在煤层注水软化项目实施过程中,矿井将对试验期间的各项数据进行收集工作,为煤层注水试验进一步优化完善奠定基础。

下面根据实验不同阶段进行划分:

1、项目试验前各项参数。

对试验工作面煤质含水量、块煤率、回采率、炮眼间排距、炮眼装药量等数据重新进行统计。

2、煤层注水钻孔施工各项参数。

对钻孔施工的位置、角度和长度进行记录,并绘制在图纸上。

(附煤层注水钻孔施工表)

参数位置

角度

(°

水平长度

(m)

斜长

填写人

备注

十八米平台1#孔

十八米平台2#孔

……………

九米平台1#孔

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