煤层复采关键技术探讨

1、煤煤层层复采关键技术研究复采关键技术研究 邓康宇邓康宇20132000702013200070 当前我国煤矿平均资源回收率仅能达到30%，还不到世界先进水平的50%，其回收节能潜力非常巨大。因此，结合矿井实际情况，采取合理的技术措施进行矿井复采，有效提高煤矿平均资源回收率，对提高煤炭开采经济效益，降低煤矿企业煤炭开采综合成本等，具有非常重要工程应用研究意义。 一、引言一、引言二、残煤复采技术难点及其特征二、残煤复采技术难点及其特征(1)残煤复采技术难点复采区煤层具有顶板破碎、煤质酥松、煤层厚度呈现不规则、不连续，煤体内残存有老坑木、矸石和金属杂物等，给机采、分层开采造成困难。长期停止通风，煤、

2、岩层中涌出的有毒有害气体得不到及时排除，积聚在采空区、冒落区和盲巷中。因此，瓦斯浓度高、氧气浓度低、加上通道多，极易造成中毒窒息事故，甚至瓦斯爆炸事故。水文地质情况复杂，采空区内存在老空积水、断层水和井下奥灰岩溶水。自然发火情况。老空区漏风通道多，煤层极易发生自燃。受当时开采技术和装备条件的限制，没有计划回采剩余煤量，在开采时，未铺设假顶，顶板矸石在当初回采后，未作任何固结处理。顶板破碎，可能使开采压力传递到工作面煤壁前端，造成煤壁片帮、漏矸、工作面无法推进，给工作面安全回采留下极大隐患；矸石混入煤中，影响煤质，直接影响矿井经济效益；复采面遇到干燥松碎顶板，顶部漏冒难以控制，煤尘大，作业条件困

3、难，安全没有保障。(2)复采工作面特征根据采空区厚度煤和边角煤柱的赋存特征，残煤复采与正规工作面开采相比，有以下特点：工作面短且变化大，大多数不能等长布置，开采过程中增减支架等相当频繁，综采、综放设备难以施展，不易组织高产高效，实现高效机械化难度大。工作面推进长度短，回采率不高，可采储量小，工作面设备安装撤除、搬家移面频繁。残煤地点分散，大小不一且极不规则。大量块段边缘不整齐，多是三角形、锯齿形及梯形，还有一部分不规则形，使复采工作面巷道布置困难，生产系统不易形成。复采工作面受邻近已采区或地质破碎带的不安全因素影响大，其矿压显现有别于正规工作面。复采煤资源绝大部分被采空区所包围，其地质条件较为

4、复杂，开采将一定程度上受到构造带、水、火及瓦斯等有害气体的威胁，给工作面安全生产带来困难和问题。三、复采关键技术内容三、复采关键技术内容 技术一：采准巷道布置技术一：采准巷道布置（1）采准巷道布置形式单独布置联合布置(2)复采方法单独布置，单独开采方式（单独布置-单独开采）联合布置，联合开采方式（联合布置-联合开采）(3)复采方法的选择巷道布置形式和复采方法的选择，都与一定的煤层地质条件密切相关。残煤复采也要根据具体的煤层赋存条件，进行复采方法的选择。从安全复采、节约投入、提高资源采出率角度，应尽可能采用联合布置。由于在采空区厚度煤和边角煤多半呈连续或半连续分布，因此复采采准巷道布置方式多采用

5、联合布置，复采方法多采用联合布置分区或联合开采的复采方法。要点一：复采巷道布置形式与复采方法要点二：复采沿空掘巷(1)沿空掘巷原理沿空掘巷是随着工作面的开采，将上区段工作面的运输或回风平巷废弃，而在下区段回采时沿着上区段采空区边缘的煤体内重新掘进巷道，沿空掘巷可分为完全沿空掘巷、留小煤墙沿空掘巷和局部保留上区段巷道三种方式。残煤复采工作面布置在老采空区，大部分巷道完全是在老采空区冒落的岩体中掘进，复采工作面巷道基本不具备局部保留上区段巷道的条件。为了提高资源采出率，更多的采取不留煤墙或留小煤墙方法。随着工作面回采，采空区上覆岩层垮落，基本顶初次来压形成“OX”破断，基本顶周期破断后的岩块沿工作

6、面走向方向形成砌体梁结构，在工作面端头破断形成弧形三角块。弧形三角块断裂在煤壁内部、旋转下沉。随着远离采面和时间的延续，煤层开采沿侧向支承压力带会逐渐趋向缓和与均化，最终成为稳定的残余支承应力。经研究表明：在巷道掘进前，围岩运动已经稳定在采空区附近，处于极限平衡状态下煤体位于残余支承压力分布带。复采工作面采准巷道沿空掘进时，采空区岩体结构处于极限平衡状态下的残存支承压力分布。在采空区边缘处，为已经卸载的松弛区，煤体深部为承载的塑性区和弹性区，如图5所示。沿空掘巷在块体B下方，为卸载的松弛区，巷道在块体B的保护作用下，支承压力小，如图6所示。 沿空掘巷上覆岩层结构示意图 沿空掘巷引起煤帮应力分布

7、(2)沿空掘巷作业技术措施1）对于顶板容易冒落和易于胶结形成再生假顶、采空区内无积水、煤层倾角不大、工作面瓦斯含量较低的工作面，可以采用完全沿空掘巷，完全沿空掘巷时，应紧贴原废弃的巷道，在煤层边缘的煤体内重新掘巷。2）对于不能实施完全沿空掘巷可采取留小煤柱掘巷方案，留设小煤柱要遵循以下原则：保证煤柱及巷道处于相对较低的应力环境下，即使煤柱和巷道在侧向形成的稳定结构保护作用下，沿空巷道布置可以保持稳定。保持窄煤柱自身稳定。窄煤柱的尺寸也将直接关系到窄煤柱自身的承载能力，煤柱过窄，不但煤柱破碎，顶煤及实体煤帮也破碎，巷道围岩整体性差，承载能力小。满足隔离采空区原则。留设的煤柱尺寸应满足隔离采空区，

8、防止漏风、发火、挡矸和防水的要求。采出率高的原则。煤柱越小，采出率越大，在满足巷道围岩稳定的前提下，尽可能减小窄煤柱宽度。3）采用合理的支护形式，控制巷道的变形。在沿空巷道支护中，合理的支护形式对巷道围岩控制起着重要的作用，巷道上覆岩体结构的载荷变化和运动方式决定了巷道在回采期间大变形的必然性，这就要求巷道支护形式能够适应大的围岩变形。4）掘进施工期间，采空区顶板岩体结构为临时平衡结构，为减轻放炮对顶板的振动，造成基本顶的滑移失稳，沿空掘巷在采空区侧要放震动炮，最好是用风镐掘进。5）沿空掘巷施工，在采空区侧严禁空帮，空帮段要用矸石等装实，必要时必须进行喷浆处理。要点三：复采沿空留巷(1)沿空留

9、巷机理工作面的推进引起老顶的破断、失稳、剧烈沉降使工作面超前移动支承压力和倾向固定支承压力叠加作用在沿空巷道上，巷道变形与工作面端部来压同步，在“砌体梁”平衡结构的形成过程中，关键层岩块的回转与下沉使沿空留巷的煤帮作为支撑点承受很大的支承压力，形成了错动离层带区、二次破断区和微破裂区。进行巷旁充填（支护）后，随工作面构筑的充填体及时支护顶煤及直接顶，确保巷道内顶煤与直接顶不破碎，避免与上部老顶离层。并切断巷道靠采空区侧的顶煤与直接顶，以减小巷旁充填体所受压力，能控制顶部顶板破断位置，以保护巷道内顶板（煤）的完整性和自撑性能，进而减小顶板的前期下沉量和巷道断面收缩率。煤帮、顶板、充填体形成的力学

10、结构模型如图7所示。 沿空留巷原理图(2)沿空留巷作业技术措施在沿空留巷系统内，巷旁支护和煤帮要承受较大的应力作用，要使沿空留巷成功的关键就是要提高巷旁支护和煤帮的强度，从而使系统整体强度增强，以适应采动影响，使其在动压作用后仍能继续使用。巷旁支护材料的选择沿空留巷的关键是沿空一侧巷旁支护体的材料和性能的选择，要求增阻速度快，并具有合理的支护阻力能切落一定高度的顶板，具有较大的变形量适应沿空留巷剧烈变形。传统的巷旁支护有木垛、密集支柱、矸石带、混凝土砌块等，现在开发的新型材料有高水速凝材料及膏体材料。沿空留巷巷旁支护技术沿空留巷巷旁支护成功的关键是确保煤帮及顶板的稳定，防止巷道围岩过度变形，为

11、此，要选择支护阻力大、增阻速度快、适量可缩，巷道维护效果好的支护材料，使支护体适应顶板活动规律。技术二、复采工艺系统技术二、复采工艺系统要点一：复采工作面设备选型及配套(1)复采面设备合理配套复采工作面成套设备主要由液压支架、刮板输送机、转载机、胶带输送机及工作面供电供液设备等组成，这些设备的正确选型及合理配套，是充分发挥设备生产效能，安全生产的前提。设备选型要着重考虑设备的生产能力、主要技术指标、适应性、可靠性、安全性、经济性、配套性等因素。(2)复采面支架选型要求支架型式和参数设计要符合复采工作面的生产地质条件要求；复采面配套的液压支架最好能有伸缩梁、顶梁和侧护板，并采用及时移架方式，以及

12、时封闭煤帮，防止工作面漏矸窜矸，支架应有一定的支护强度，保证支架能够承受煤柱的压力和顶板正常垮落时来压。要点二：工作面旋转和调斜(1)调斜和旋转原理复采工作面形状不规则，面长变化大。在回采过程中，根据复采资源的赋存状况，需要动态调整回采工作面长度。旋转角度在 45以下时，工艺难度较小，平巷采用折线方式布置，习惯上称这类小角度旋转为采面调斜或调采；大于 45的旋转，工艺难度加大，通常称为采面旋转。工作面调斜分为实中心调斜和虚中心调斜。实中心调斜旋转中心 O1点停移输送机，另一端移够一个截深，将输送机调成一直线割煤，如图 7-8所示。由于顶板反复支撑，O1处顶板和煤壁管理困难，适用于顶板稳定，调斜

13、角度小的条件。虚中心调斜工作面两端都有一个前移量，把调斜角 分成若干个小角 ，采煤机割过一组通（长）刀和短刀后工作面转过 角，完成了一个调斜循环，如图 7-9 所示。 (2)调斜和旋转作业技术要点合理选择旋转中心的位置，除要注意旋转中心处地质条件以及中心的形式外，要保证平巷的每一条折线段有合理长度，以利选用适合的平巷输送机。每循环的转角 不能过大，一般在 11.5，过大时，操作管理难度大，容易损坏设备。调斜中，严格掌握进度，严格按各点标的进度调采。严格保证工程质量。拐点的确切位置、支架与辅送机的转角、推进长度都应从严掌握。每循环长刀时，工作面必须到达预定位置，并做到三直（煤壁、输送机、支架都排

14、成直线），调整好支架，为下一循环打好基础。为防止输送机下滑、上窜，增加调斜难度，应严格掌握推移与调直输送机的顺序。调斜时，最好以输送机机头端为中心，旋转机尾端。技术三：复采安全技术技术三：复采安全技术要点一：复采破碎顶板控制（1）复采破碎顶板管理技术 减小控顶距 提高支架初撑力 及时支护，缩小端面距 优化作业参数（2）注浆固结破碎顶板 静压注浆与高压注浆 复采炮采工艺工作面注浆工艺：钻孔设计、浆液配比、注浆影响 半径、注浆压力控制要点二：煤尘综合防治复采工作面煤体破坏严重，开采时煤尘大，必须采取防尘措施降低高浓度粉尘对作业人员的身体健康和对煤矿安全生产造成严重的威胁。除了复采工作面回采前的注水

15、湿润煤体可以降尘外，还可以在采煤工作面转载点设置喷雾，放炮前后洒水喷雾、进、回风巷内安装水幕、放顶前向老空洒水等措施。通过注水湿润煤体，使煤体呈塑性变化，降低煤尘量，降低瓦斯涌出量，减少自燃发火等。另外，采空区注水还能软化采空区冒落的矸石，将岩石中水溶性的粘结物融化，提高胶结程度等用。要点三：老采空区水防治要作好井下防水工作，必须详细了解和掌握矿井水文地质资料171。井下掘进工作面离可疑水源 75150m 以外时，即必须用探水钻探水，必须认真执行有掘必探、先探后掘的原则。探水钻孔的深度一般为 40m 左右，其超前距离不小于 20m，钻孔数目不少于 3 个，如图 7-10 所示。探到水源后，把水

16、有计划地放出来；留足够尺寸的防水隔离煤柱，把水源与回采区域隔开；在适当地点建立水闸门或水闸墙，防止井下局部地点透水时影响其它地区；用水泥浆或化学浆液注入钻孔堵水等等。总之，要详细研究旧采空区分布，并结合矿井水文地质特征，动态分析采空区水文地质特征如水源及通道、积水量、水头压力和相互联通关系等，坚持有疑必探、先探后掘的原则，采取措施疏放采空区积水，保证安全生产。要点四：残煤自燃防治（1）提高采出率，加快回采进度尽量提高工作面煤炭采出率，在采空区少遗留煤炭资源。同时，加快回采进度，使煤层暴露时间减少，不为煤层自燃创造条件。（2）防止漏风除了加强通风系统优化调整外，残煤复采，要注意封堵复采工作面边界采空区漏风通道、加强老空区边界支护，减少巷道变形。 封堵老空区漏风通道 加强老巷或老空区附近巷道的支护强度（3）预防性灌浆、注液要点五：老空区瓦斯排放在存有积聚瓦斯的老空区，在掘进和复采过程中，会揭露瓦斯积聚区的老巷，老空区瓦斯受围岩压力作用，一般呈“压缩包”状。一旦揭露瓦斯积聚区老巷，由于压差的存在，瓦斯会在短时间快速的涌向作业空间，造成瓦斯超限，影响生产，也埋下事故隐患。因此，必须采取措施彻底排放老空区瓦斯，消除瓦斯隐患。老空区瓦斯排放措施一般为超前钻探释放瓦斯、