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        特殊煤層盾構(gòu)式“三位一體”開采方式的研究

        2021-05-12 05:49:56君,劉
        2021年5期
        關(guān)鍵詞:流態(tài)化封孔三位一體

        黃 君,劉 軍

        (1.山西蘭花蘆河煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000;2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454003)

        近年來,國家大力推動(dòng)新能源的發(fā)展,減少一次性能源(尤其是煤炭)的開發(fā)利用,但是,從國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)來看,煤炭仍然占我國一次能源結(jié)構(gòu)的60%左右,并在很長一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)大幅變化[1-2]。因此,煤炭資源的安全、高效、穩(wěn)定開采和利用是我國能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

        我國大部分淺層煤炭資源日趨枯竭,隨著開采深度逐漸增加,面臨的諸多問題也接踵而至,其中“三低一強(qiáng)”的特性導(dǎo)致采前瓦斯抽采困難,煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸災(zāi)害日趨嚴(yán)重[3]。行業(yè)內(nèi)的科研學(xué)者提出了多種解決現(xiàn)狀的技術(shù)措施,并構(gòu)想了我國煤炭行業(yè)未來的發(fā)展方向。謝和平[4]等人提出了對(duì)煤炭資源進(jìn)行流態(tài)化開采的顛覆性科學(xué)構(gòu)想,實(shí)現(xiàn)將煤炭資源的開采方式從固態(tài)到流態(tài)化的轉(zhuǎn)變[5-6]。王金華[7]、王國法[8]等提出煤炭資源的智能化開采,并引入煤炭近零生態(tài)環(huán)境影響開發(fā)利用理念。袁亮[9]等提出在傳統(tǒng)采礦基礎(chǔ)上,利用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備,發(fā)展成為以安全可靠為前提的智能少人(無人)精準(zhǔn)開采的新模式、新方法。

        綜上所述,對(duì)于當(dāng)前采用的保護(hù)層開采、無煤柱卸壓開采和未來煤炭采用智能化(無人化)、流態(tài)化以及精準(zhǔn)化開采方式已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。但對(duì)于有效解決松軟/薄等特殊煤層在鉆孔、采掘及支護(hù)過程中出現(xiàn)施工難度大等問題的研究仍較少,現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)和理念在特殊煤層的運(yùn)用和研究仍不太理想。

        本文從理論的角度上分析了特殊煤層施工難度大等問題的成因。結(jié)合現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)與未來的開采理念,提出采用盾構(gòu)式開采方式,建立了在保壓條件下進(jìn)行智能化監(jiān)控檢測、無人化盾構(gòu)掘進(jìn)以及流態(tài)化管道輸運(yùn)的開采系統(tǒng),為安全高效開采松軟/薄等特殊煤層提供理論依據(jù)。

        1 特殊煤層開采現(xiàn)狀

        我國松軟/薄等特殊煤層在鉆孔、采掘及支護(hù)過程中出現(xiàn)施工難度大等問題,為此,諸多科研學(xué)者開展大量的理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)等工作。

        1.1 薄煤層開采現(xiàn)狀

        相對(duì)于容易開采的中厚煤層而言,中國薄煤層分布地域廣泛,其整體可采儲(chǔ)量高達(dá)6.0 t×109t,占據(jù)我國煤炭可采總量的20%左右。但薄煤層的回采率僅為10%,主要是由于薄煤層賦存條件差、人員無法直立行走、勞動(dòng)強(qiáng)度大,全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開采較為困難,從而使得生產(chǎn)效率低下,整體開采成本較高。

        隨著中厚煤層的開采殆盡,薄煤層的儲(chǔ)量在大多數(shù)重點(diǎn)煤礦占據(jù)的比重逐漸增加,甚至高達(dá)85%以上。因此煤礦如何提高薄煤層的回采率和生產(chǎn)效率成為亟待解決的重要問題。

        1.2 松軟煤層開采現(xiàn)狀

        隨著開采深度的增加,高瓦斯、煤層破碎、穩(wěn)定性差為松軟煤層的主要特征,其可采儲(chǔ)量占據(jù)我國的60%~80%。因此,松軟煤層的安全、高效開采是我國煤炭行業(yè)平穩(wěn)發(fā)展的重要保障。

        瓦斯抽采鉆孔施工過程中,由于煤質(zhì)松軟導(dǎo)致鉆孔變形量大,在地應(yīng)力、瓦斯壓力等因素作用下,使得鉆孔噴孔、塌孔、卡鉆等現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生,對(duì)井下工作人員的生命安全構(gòu)成挑戰(zhàn)。

        1.3 鉆孔塌孔成因分析

        防止瓦斯異常涌出與鉆孔塌孔等現(xiàn)象的發(fā)生,避免開采難度的增加,未施工鉆孔之前,上覆巖層的載荷并沒有發(fā)生變化,煤基質(zhì)和內(nèi)部瓦斯壓力共同承擔(dān)載荷壓力,并維持平衡狀態(tài)。隨著鉆孔施工的進(jìn)行,平衡狀態(tài)被打破,上覆巖層自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性難以支撐其載荷而發(fā)生失穩(wěn)等現(xiàn)象。同時(shí),由于鉆孔施工上方巖層應(yīng)力的遷移,使得周圍煤體所受應(yīng)力增加,煤基質(zhì)發(fā)生壓縮變形、自身煤體強(qiáng)度降低,瓦斯壓力增加,在瓦斯的推動(dòng)下,發(fā)生鉆孔塌孔、噴孔等現(xiàn)象。

        為防止類似現(xiàn)象的發(fā)生,在采煤過程中,保持帶壓掘進(jìn),通過增加輔助壓力替換由煤基質(zhì)和內(nèi)部瓦斯共同承擔(dān)的載荷壓力,輔助壓力和上覆巖層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度共同維持上覆載荷,防止鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生;同時(shí),由于輔助壓力的作用,減小了采煤上方煤巖體應(yīng)力向周圍的轉(zhuǎn)移,避免周圍煤體壓縮變形導(dǎo)致自身強(qiáng)度的降低和瓦斯壓力的增加。

        綜上可知,為了防止瓦斯異常涌出和鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生,在采煤過程中,應(yīng)將作業(yè)空間進(jìn)行密閉、增壓,實(shí)現(xiàn)帶壓工作。但是,對(duì)于當(dāng)前傳統(tǒng)的開采方法和技術(shù)手段而言還無法實(shí)現(xiàn)。為此,提出了采用盾構(gòu)式開采方式,以實(shí)現(xiàn)在保壓條件下進(jìn)行智能化監(jiān)控檢測、無人化盾構(gòu)掘進(jìn)以及流態(tài)化管道輸運(yùn)的開采。

        2 盾構(gòu)式開采裝備及工程應(yīng)用

        2.1 盾構(gòu)式開采裝備的構(gòu)成

        通過分析和總結(jié)前人對(duì)當(dāng)前開采方式的優(yōu)化和未來發(fā)展趨勢的展望,提出盾構(gòu)式開采方式進(jìn)行煤炭資源的開采利用,最終形成智能化(無人化)、精準(zhǔn)化、流態(tài)化三位一體的綜合開采方式。盾構(gòu)式開采裝備作為該開采方式的核心,主要包括盾構(gòu)機(jī)、監(jiān)測監(jiān)控裝置、增壓艙室、調(diào)壓艙室以及與之連通的管路、封孔材料,如圖1所示。

        圖1 盾構(gòu)機(jī)及其附屬裝置

        其中,構(gòu)成盾構(gòu)式開采裝備組件的功能和用途如下:

        1) 盾構(gòu)機(jī):通過驅(qū)動(dòng)刀盤裝置和推進(jìn)油缸,不斷將前方的煤體進(jìn)行破碎,并通過輸煤管道將其輸送至地面。

        2) 監(jiān)測監(jiān)控裝置:用于實(shí)時(shí)監(jiān)測盾構(gòu)機(jī)周圍的瓦斯?jié)舛?、壓力等?shù)據(jù),并將其傳輸至井上;同時(shí),配置有煤巖識(shí)別系統(tǒng)和糾偏系統(tǒng),以確保煤炭開采效率。

        3) 增壓艙室:保證盾構(gòu)式開采裝備始終保持在高壓條件下,當(dāng)密閉空間的壓力大于瓦斯壓力,有效抑制周圍煤層中瓦斯的擴(kuò)散,從而防止瓦斯噴出(突出)現(xiàn)象的發(fā)生;同時(shí)密閉空間具有較高的壓力條件,可以在一定程度上支撐上覆巖體的壓力,減少由于采動(dòng)影響引起的塌孔。

        4) 調(diào)壓艙室:在開采工作結(jié)束后,為方便盾構(gòu)式開采裝備的回收,通過調(diào)壓管路將密閉空間與外界連通,安全地釋放密閉空間內(nèi)的壓力;當(dāng)采掘至斷層、褶曲軸部等瓦斯積聚的構(gòu)造處,檢測監(jiān)控裝置顯示密閉空間內(nèi)的瓦斯?jié)舛?、壓力突然增加,利用調(diào)壓艙室將突出的瓦斯排出密閉空間,以確保密閉空間的穩(wěn)定。

        5) 封孔材料:利用聚氨酯/水泥砂漿等材料,在鉆孔前段附近進(jìn)行封孔作業(yè),以確保密閉空間具有高壓環(huán)境,是實(shí)現(xiàn)保壓條件下盾構(gòu)式開采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

        2.2 盾構(gòu)式開采方式的工程應(yīng)用

        相比傳統(tǒng)的開采方式,采用盾構(gòu)式開采有其特有的優(yōu)勢——將現(xiàn)有開采方式與智能化開采理念有機(jī)結(jié)合。在現(xiàn)有的開采條件下,根據(jù)煤層賦存狀況,實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)式開采方式在現(xiàn)場工程應(yīng)用,并將其分為井下開采和地面開采兩種開采方式。其中井下開采主要應(yīng)用于埋藏較深的煤層群開采,地面開采主要應(yīng)用于埋藏較淺/單煤層的開采。

        2.2.1 盾構(gòu)式開采方式與傳統(tǒng)開采方式的對(duì)比

        目前,隨著開采深度的增加,“三低一強(qiáng)”——低壓力、低滲透率、低飽和度及非均質(zhì)性強(qiáng)的特性明顯,導(dǎo)致高瓦斯/突出礦井的數(shù)量和比重迅速增大。瓦斯的有效抽采成為煤礦安全生產(chǎn)的重要保障,而抽采系統(tǒng)的布置無疑增加了煤炭的生產(chǎn)成本。同時(shí),在煤炭的采掘過程中,為了保證井下工作人員的安全生產(chǎn),提供足量的新鮮風(fēng)流,增大了通風(fēng)系統(tǒng)的壓力;懸浮在空氣中的粉塵時(shí)刻威脅著工作人員的身體健康,增加了患有塵/硅肺病等職業(yè)病的風(fēng)險(xiǎn)。與傳統(tǒng)開采方式相比,采用盾構(gòu)式開采方式可以省去防止瓦斯噴出/突出而建立的抽采系統(tǒng),極大降低了煤炭的生產(chǎn)成本;同時(shí),由于掘進(jìn)過程在密閉的空間內(nèi),避免了因采掘引起的粉塵增加、瓦斯涌出,減小了通風(fēng)系統(tǒng)的供風(fēng)壓力和職業(yè)病的威脅。

        對(duì)于松軟/薄等特殊煤層而言,傳統(tǒng)開采方式除了存在上述采掘過程中的問題,在鉆孔和支護(hù)過程中也存在施工難度大等問題。在鉆孔和支護(hù)過程中,由于松軟煤層高瓦斯、煤層破碎、穩(wěn)定性差的特征,時(shí)常出現(xiàn)噴孔、塌孔、卡鉆等現(xiàn)象,使得施工難度增加,通過采取一定的技術(shù)措施和裝備支持后,增加了生產(chǎn)成本。同時(shí),由于薄煤層賦存條件差、人員無法直立行走、勞動(dòng)強(qiáng)度大,全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開采較為困難,影響了采煤效率。采用盾構(gòu)式開采方式,減少鉆孔數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度,避免人員進(jìn)入工作面,實(shí)現(xiàn)工作面無人化(智能化)。這樣,在工作面的密閉空間內(nèi),較高的壓力支撐上覆煤巖體和煤體內(nèi)瓦斯,防止了噴孔、塌孔、卡鉆現(xiàn)象的發(fā)生。

        2.2.2 井下盾構(gòu)式開采

        煤層群的開采過程中,由于松軟/薄等特殊煤層的開采難度大、開采成本高等因素的限制,對(duì)特殊煤層的開采利用率仍較低。傳統(tǒng)的開采方式一般通過保護(hù)層開采等卸壓手段,來確保主采煤層的安全生產(chǎn)。井下盾構(gòu)式開采是利用盾構(gòu)機(jī)及附屬裝置從主采煤層的巖巷向目標(biāo)煤層(松軟/薄等特殊煤層)鉆進(jìn),并通過輸送管路將煤-瓦斯-水混合物經(jīng)巖巷輸送至地面,如圖2所示。井下盾構(gòu)式開采方式是傳統(tǒng)開采方式與未來開采理念的結(jié)合體,將現(xiàn)有的煤/巖巷道和通風(fēng)系統(tǒng)充分再利用,不影響現(xiàn)有的開采進(jìn)度的同時(shí),利用先進(jìn)的盾構(gòu)技術(shù)、監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)、煤巖識(shí)別技術(shù)等裝置,實(shí)現(xiàn)智能化(無人化)、精準(zhǔn)化、流態(tài)化開采。

        圖2 井下盾構(gòu)式開采方式

        其中,井下盾構(gòu)式開采方式主要分為3個(gè)階段,分別為:

        1) 準(zhǔn)備階段:在主采煤層的巖巷內(nèi)尋找合適的掘進(jìn)位置,盾構(gòu)機(jī)在巖體內(nèi)朝特殊煤層方向鉆進(jìn)。為防止在揭煤過程中出現(xiàn)瓦斯噴出/突出,當(dāng)鉆進(jìn)至特殊煤層的安全距離附近時(shí),利用聚氨酯/水泥砂漿等封孔材料進(jìn)行封孔工作。待封孔材料凝固后,盾構(gòu)機(jī)及附屬裝置處于一個(gè)密閉空間內(nèi),通過增加艙室和增壓管路向密閉空間增壓。盾構(gòu)機(jī)在高壓的密閉空間內(nèi)繼續(xù)向特殊煤層方向掘進(jìn),直至進(jìn)入煤體。

        2) 采煤階段:當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入煤體后,利用煤矸識(shí)別系統(tǒng)和糾偏系統(tǒng)進(jìn)行采煤軌跡的實(shí)時(shí)調(diào)控,以確保采煤工作的有效性。在采煤過程中,當(dāng)檢測監(jiān)控裝置中顯示密閉空間內(nèi)的瓦斯?jié)舛?、壓力突然增加,則表明采至“瓦斯包”等瓦斯積聚的構(gòu)造處,需要利用調(diào)壓艙室將涌出的瓦斯排出密閉空間,以確保密閉空間的穩(wěn)定。

        3) 后處理階段:采煤工作結(jié)束后,將盾構(gòu)機(jī)及其附屬裝置撤至封孔位置,利用調(diào)壓艙室和調(diào)壓管路降低密閉空間的壓力與外界巷道壓力一致,并將其完全撤出。重新封孔作業(yè)并留有抽采管路,該采空區(qū)為鄰近煤層提供卸壓條件,利用抽采管路對(duì)涌入采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行抽采工作。

        2.2.3 地面盾構(gòu)式開采

        相對(duì)于煤層群開采,當(dāng)松軟/薄等特殊煤層為單煤層開采時(shí),則采用地面盾構(gòu)式開采方式。利用盾構(gòu)機(jī)及附屬裝置在地面進(jìn)行鉆孔作業(yè),并通過輸送管路將煤-瓦斯-水混合物輸送至地面煤-瓦斯-水分離裝置,實(shí)現(xiàn)煤、瓦斯、水三者的分離,見圖3。

        圖3 地面盾構(gòu)式開采方式

        與井下盾構(gòu)式開采方式相比,地面盾構(gòu)式開采在3個(gè)階段的差異為:地面盾構(gòu)式開采方式在準(zhǔn)備階段,是在地面尋找合適的掘進(jìn)位置,盾構(gòu)機(jī)從地面朝著特殊煤層方向鉆進(jìn);在采煤階段,與之相同;在后處理階段,由于特殊煤層為單煤層開采,周圍無鄰近煤層,只需利用抽采管路對(duì)采空區(qū)周圍因卸壓而釋放的瓦斯進(jìn)行抽采即可。

        3 結(jié) 語

        1) 分析了當(dāng)前松軟/薄等特殊煤層在鉆孔、采掘及支護(hù)過程中出現(xiàn)施工難度大的開采現(xiàn)狀以及將其充分利用的必要性。

        2) 提出了在保壓條件下進(jìn)行智能化監(jiān)控檢測、無人化盾構(gòu)掘進(jìn)以及流態(tài)化管道輸運(yùn)的盾構(gòu)式開采系統(tǒng)。

        3) 根據(jù)煤層的賦存條件,將盾構(gòu)式開采分為井下盾構(gòu)式開采和地面盾構(gòu)式開采,并闡明了盾構(gòu)式開采3個(gè)階段的操作流程。

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