厚及特厚煤层放顶煤开采方法的应用

厚及特厚煤层放顶煤开采方法的应用

水体下采井的保护对象主要是井本身。其主要任务是防止水源、污泥、砂井和溢流，确保安全生产。另一方面则是对有经济价值的水体及其附属设施进行保护,以免遭受井下开采的不良影响。由于放顶煤开采方法一次开采厚度加大,开采强度增加,致使采动破坏性影响程度明显加剧,对实现水体下安全采煤十分不利。经过近年来的努力,在水体下成功地应用了放顶煤开采方法,至今已安全采出水体下压煤数千万吨,取得了显著的经济效益和社会效益。1放顶煤开采技术厚及特厚煤层放顶煤开采方法可分为综采放顶煤、普采放顶煤、炮采放顶煤等多种类型。综采放顶煤开采20世纪80年代初我国开始试验,90年代以来发展迅速,在国有重点煤矿得到了普遍应用。普采、炮采放顶煤是近几年在综采放顶煤技术取得成功的基础上从生产实践中涌现出的一种革新的采煤工艺,在国有地方煤矿得到了广泛应用。此外,在地方小煤窑中,高落式放顶煤开采方法(俗称“放大院”)的应用也相当普遍。这些放顶煤开采方法在水体下采煤领域都得到了不同程度的应用,其中水体下综放开采的应用约开始于90年代初,应用较普遍,如兖州、邢台、龙口、淄博济北、大屯、淮南等矿区,在留设防水、防砂及防塌煤柱等条件下都成功地实现了综放安全开采;而炮采放顶煤以及高落式放顶煤开采在水体下采煤领域的应用则要晚一些,主要是在枣庄、河南的一些矿区以及某些地方小煤矿等有所应用。1.1研究在综放开采中的利用价值所谓顶水采煤,就是在采煤工作面上方存在水体并且不对其进行疏降处理的前提下进行顶水作业。其具体做法主要是留设合理的防水煤岩柱。综放一次开采厚度增大,致使覆岩破坏高度加大,所需留设的防水煤柱尺寸更需增大,此时能否在矿井原设计防水煤柱条件下实现综放安全开采以及如何确定的合理回采上限等问题都亟待解决。20世纪90年代初,首先针对兖州矿区兴隆庄煤矿的具体情况,进行了特厚煤层(平均厚度8.65m)中硬覆岩条件下综放开采合理确定回采上限的观测研究和工业性试验,先后在全煤厚综放最小防水煤柱垂高78m,68m以及网下综放最小防水煤柱垂高66m条件下实现了顶水安全开采。不但未增大原设计垂高为80m的防水煤柱,反而将其缩小了12m(全煤厚综放)或24m(网下综放)。已安全采出水体下压煤382万t,取得了良好的经济及社会效益。接着又在兖州煤田的太平煤矿实现了3煤首采工作面在最小防水煤柱垂高60m、煤厚8m、中硬覆岩、存在底粘条件下的综放顶水安全开采,工作面无水,获得了良好的经济效益。地处海滨的龙口矿区属“三软”地层条件。北皂煤矿煤4平均厚度8.12m,经济可采厚度平均5.6m。原设计为分层开采,改用综放开采后其回采上限需要重新确定。面对当时软弱覆岩条件下综放开采的覆岩破坏高度预计无实测数据可依,北皂煤矿煤4综放首采工作面也是龙口矿区“三软”地层条件下应用综放开采技术的第1个工作面,同时存在着“三软”地层条件下放顶煤开采能否成功以及在含水砂层下和煤2采空区下能否安全开采等诸多新问题,通过全面分析研究,确定了合理的回采上限,完成了三采区内3个综放工作面的工业性试验和安全开采,取得了“三软”地层条件下综放顶水开采的成功。在龙口矿区海下煤田进行综放顶水开采的可行性研究已经完成。在此基础上开始了海域煤田的开拓,我国的海下采煤从此拉开了序幕。1.2留设砂煤柱的安全开采效果过去在含水砂层下留设防砂煤柱开采厚煤层时,一般禁止采用放顶煤方法,其原因是放煤一旦失控容易造成溃水、溃泥、溃砂事故。但随着综放开采技术的普及,带来了在含水砂层下采用综放开采方法留设防砂煤柱如何实现安全开采的新问题。为此,针对兖州矿区杨村煤矿第四系松散层底部含水砂层属弱富水松散层,以及含水砂层底部分布有一层厚度约1~4m的粘土层等具体条件,实现了平均煤厚8.0m、最小防砂煤柱垂高40m条件下的综放安全开采,回采工作面内未出现淋、涌水现象,获得了良好的经济效益;针对兴隆庄煤矿第四系松散层底部含水砂层属中等富水松散层,以及最小防砂煤柱为44m等具体情况,进行了顶分层与网下综放开采相结合条件下变防水煤柱为防砂煤柱的试验研究,取得了可喜的进展。1.3留防塌煤柱放顶煤安全开采问题留设防塌煤柱开采厚煤层,过去也禁止采用放顶煤方法。随着放顶煤方法的普及,也带来了如何实现留设防塌煤柱放顶煤安全开采的新问题。为此,针对邢台煤矿松散层底部含水砂层基本已疏干的具体条件进行了试验,通过井下探放水、边采边疏预先疏干底砾层以及井下注浆治理溃泥溃砂,取得了采放厚度6.4m、最小防塌煤柱12m条件下放顶煤开采的成功经验。1.4高落式放顶煤顶水安全开采可行性高落式放顶煤开采方法在小煤窑中应用较普遍,其特点是采场布置较灵活,对地质采矿条件的适应性较强。但其放煤过程难以控制,覆岩破坏情况一般较难预测。所以,在水体下采煤中常常禁止使用。针对建昌营煤矿煤层开采将受到第四系孔隙潜水强含水层和煤系基岩孔隙裂隙承压弱含水层等多种复合水体的威胁和影响,含煤地层为中生界侏罗系上统(J3),4,5-2,5,6-2,6煤组的煤层厚度分别为4.7m,4.2m,11.4m,8m,14m,覆岩类型为软弱至极软弱,以及缺少覆岩破坏方面的实测数据等具体条件,通过与相似材料模拟试验及中硬覆岩厚煤层分层与放顶煤长壁开采条件下的现场实测结果进行类比分析,得出了各煤组高落式放顶煤开采条件下的导水裂缝带高度和保护层尺寸,确定了合理的回采上限,制定了切实可行的安全技术措施,成功地实现了高落式放顶煤顶水安全开采。2煤岩柱安全煤岩柱的综合研究技术体系的建立水体下放顶煤开采的观测研究主要包括覆岩破坏的现场观测及预计、安全煤岩柱的评价和设计与保护层厚度的选取、采动破坏性影响理论与控制、工作面涌水量预计与涌水形式的控制以及安全监测等方面,并在以往研究工作的基础上,逐步形成了水体下采煤的综合研究技术体系。2.1工作面涌水量预计的研究进展安全煤岩柱性能的好坏是决定水体下采煤成败以及能否提高回采上限的关键因素。根据宏观特征如岩性、赋存结构、力学强度、节理裂隙的发育状况等进行安全煤岩柱性能研究及质量评价,仍然是可行的方法。近年来,又将先进的显微分析技术和矿物成份鉴定技术应用于对安全煤岩柱的微观结构、矿物成份进行定量测定,并与力学试验、水理试验及宏观分析等相结合,全面研究安全煤岩柱的含隔水性能,为充分利用安全煤岩柱中隔水岩层的良好隔水性和再生隔水能力提供了技术保证。近年来,通过水体下放顶煤开采的不断探索研究与生产实践,提出、应用并完善了水体下采煤覆岩类型的多因素多指标分类法,开发了水体下采煤可视化预测分析软件,初步形成了放顶煤开采条件下的露头煤柱设计理论与方法,其中保护层厚度的选取准则以及所采取的开采技术措施和防水安全措施等都具有新的特点,既最大限度地提高了回采上限,又保证了矿井生产安全。近年来还开展了孔隙裂隙岩体与渗流特征研究,为促进工作面涌水量预计这一世界难题的解决进行了必要的探索。此外,由于实践经验不断丰富,在实际工作中应用类比法等计算方法所得出的预计结果与实际情况的符合率更高。影响工作面涌水量的两个关键因素是充水水源和充水通道,在充水水源一定的情况下,充水通道将成为影响工作面涌水量的最关键因素。针对充水能力和补给条件都比较有限的弱含水层,一般只需控制工作面的充水形式就可以达到控水采煤的目的;而对于充水能力较强补给又比较充足的强含水层,不仅要控制工作面的充水形式,而且还要限制充水通道的过水能力,才能够达到控水采煤的目的。充水通道的过水能力主要取决于岩层本身的渗透性能和采动破坏性影响的程度,而采动条件下覆岩的破坏及其渗透性的变化都遵循一定规律。近几年来,通过对覆岩破坏规律以及岩层尤其是受到采动破坏性影响的岩层的渗透性能及其变化特征的不断研究,并与具体的采矿技术条件、相应的采煤工艺和有效的技术措施相结合,逐步取得了控水采煤的成功。如兴隆庄煤矿4303工作面就实现了采空区滞后出水形式下的控水安全采煤。2.2覆岩破坏高度预计覆岩破坏情况的预测是决定水体下采煤成败的重要内容,而正确掌握覆岩破坏规律则是正确预测覆岩破坏状况的基础。放顶煤开采与分层开采有着明显不同,因而,放顶煤开采的覆岩破坏也有着新的特点,成为近年来覆岩破坏研究的重点,并有了新的进展。近年来,在同一覆岩类型及岩性结构条件下进行了综采分层、综放开采、网下综放开采等一系列不同采煤方法情况下的现场实测、室内相似材料模拟实验及数值模拟分析等工作,全面、系统地研究了由炮采、普采、综采、分层综采到综放开采等一系列不同采煤工艺方法的覆岩破坏规律及其演变关系和特征,形成了覆岩破坏规律的综合研究技术体系,在研究并提高覆岩破坏预计理论的基础上总结出了一套较实用的预计方法,为正确计算其它覆岩类型大采高采煤工艺方法条件下的覆岩破坏高度提供了理论依据。覆岩破坏的现场观测是获取覆岩破坏数据的重要手段。传统的钻孔冲洗液方法仍然是观测覆岩破坏发育高度的一种常用而有效的方法,其优点是简单、易操作、观测数据较能反映实际导水情况;缺点是观测精度较低,在某些原岩裂隙发育的地区往往不能取得可靠数据,对把握观测时机的要求也较高,一旦错过合适的观测时机将会导致观测工作失败,且无法补救,使得所施工钻孔报废,造成不必要的经济损失,同时钻探费用也较高。为了弥补其不足,在测试覆岩破坏发育高度及特征时,又相继开发应用了钻孔声速法、钻孔超声成像法、钻孔电视法及直流电法、瞬变电磁、探地雷达等物探方法,并取得了预期效果。近年来还采用微震监测技术进行覆岩破坏规律的动态监测。2.3采空煤厚的综合开采研究及实践结果表明,综放开采的覆岩破坏高度尤其是裂高明显大于分层开采情况,而分层重复开采时覆岩破坏的高度增加一般不明显,即使增大重复开采的厚度,覆岩破坏的高度一般也不会明显增加。根据这一认识提出并实践了综采分层开采与放顶煤开采相结合的方法,即顶分层采用综采分层开采方法,对剩下的相当于两个分层的煤厚进行放顶煤开采,这种开采方法的实测裂高较全煤厚综放开采约降低40%,既有效地控制了覆岩破坏高度,进一步缩小了防水煤柱,又实现了高产高效顶水安全采煤,并扩大了综放在水体下采煤领域的使用范围,取得了良好的经济效益。综放开采可以通过调整放煤量的多少来实现开采厚度的灵活调整和限制。利用综放开采的这一特点,针对某些工作面在局部地点若按实际煤厚开采可能出现溃水、溃泥、溃砂等事故的实际情况,采取在局部适当减少放煤量的办法来控制覆岩破坏高度的发展,实现了困难条件下的综放安全开采。3覆岩破坏探测与近水体安全采煤的技术研究由于水体下放顶煤开采的成功试验和推广应用仅局限于部分矿区,加之对放顶煤开采的特殊性所产生的某些变异规律及特点的研究与认识尚不全面,所以,在新修订的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称《规程》)中规定,放顶煤开采方法在水体下采煤领域尤其是留设防砂及防塌煤柱条件下的应用还必须要遵循试验开采的程序,放顶煤开采的覆岩破坏预计及保护层选取方法等还都尚未纳入《规程》,对此仍需不断研究和丰富。鉴于在水体下实现放顶煤安全开采较分层开采有更大的风险和难度,所以,需要深入研究放顶煤开采的覆岩破坏规律、不断加强预测理论与方法研究、优化水体下放顶煤开采设计、规范水体下放顶煤开采工艺、制定切实可行的水体下放顶煤安全技术措施以及建立可靠的安全监测系统等,才可以有效地避免水体下放顶煤开采的安全风险和更经济合理地实现安全开采。覆岩破坏探测始终是水体下放顶煤开采中不可缺少的重要内容,目前正由传统的冲洗液漏失量观测的单一技术向着钻孔电视、钻孔超声成象、钻孔声速、数字测井等测井手段与冲洗液漏失量观测相结合,电法探测、雷达探测、地震探测、瞬变电磁法探测等物探手段与钻探相结合,微震监测技术与专业解释相结合等方向发展。随着现代新技术手段的发展,覆岩探测技术与新技术手段的结合将更加紧密,如EH-4电磁法等新的探测系统将会被不断地引入到覆岩破坏探测领域,既可以减少钻探工程量和降低钻探工程费用,又有利于提高探测效果。近水体采煤条件下的安全监测技术对于预防灾害事故的发生以及防止灾害事故的扩大都具有非常重要的实际作用,而且对于实现近水体安全采煤也是非常必要的,也是至今一直未能很好解决的难题。如海下采煤项目就要求建立安全监测系统。为了解决好这一技术问题,近年来在水体下采煤实践中进行了多方面的研究和探索。首先,开展了应用井下围岩温度分布规律来预测预报回采工作面突水的研究,其原理是根据井下围岩温度场测量结果分析推断地下水的分布及其与采掘工程之间的联系,进而为实现突水预测预报提供参考依据。并通过与地下水动态观测、工作面水情监测及分析预测相结合,对安全生产进行预报。在实际应用中为顶水安全采煤和高产高效提供了一定保证;其次,提出应用微震监测技术建立近水体采煤的安全监测系统,并进行了可行性研究与探索。微震监测技术的基本原理是实时接收岩石及岩体开裂时发出的弹性波信号来确定开裂点的空间位置,并实时追踪,进而解释其工程意义。它与地下水动态及矿井涌水量自动监测新技术发展等相结合,将有可能实现井下突水的实时预测和报警。中国水资源人均占有量偏低;全国水资源的地区分布极不平衡;水资源分配量差别很大。目前,煤矿开采以牺牲水资源环境为代价,许多煤矿区地下水资源都已面临过量开采、水质恶化的局面,可利用水资源已呈现逐渐枯竭的趋势。合理地保护煤矿区地下水资源