1、煤煤層層復(fù)采關(guān)鍵技術(shù)研究復(fù)采關(guān)鍵技術(shù)研究 鄧康宇鄧康宇20132000702013200070 當(dāng)前我國煤礦平均資源回收率僅能達(dá)到30%，還不到世界先進(jìn)水平的50%，其回收節(jié)能潛力非常巨大。因此，結(jié)合礦井實(shí)際情況，采取合理的技術(shù)措施進(jìn)行礦井復(fù)采，有效提高煤礦平均資源回收率，對提高煤炭開采經(jīng)濟(jì)效益，降低煤礦企業(yè)煤炭開采綜合成本等，具有非常重要工程應(yīng)用研究意義。 一、引言一、引言二、二、殘煤復(fù)采技術(shù)難點(diǎn)及其特征殘煤復(fù)采技術(shù)難點(diǎn)及其特征(1)殘煤復(fù)采技術(shù)難點(diǎn)復(fù)采區(qū)煤層具有頂板破碎、煤質(zhì)酥松、煤層厚度呈現(xiàn)不規(guī)則、不連續(xù)，煤體內(nèi)殘存有老坑木、矸石和金屬雜物等，給機(jī)采、分層開采造成困難。長期停止通風(fēng)，煤、

2、巖層中涌出的有毒有害氣體得不到及時(shí)排除，積聚在采空區(qū)、冒落區(qū)和盲巷中。因此，瓦斯?jié)舛雀摺⒀鯕鉂舛鹊汀⒓由贤ǖ蓝啵瑯O易造成中毒窒息事故，甚至瓦斯爆炸事故。水文地質(zhì)情況復(fù)雜，采空區(qū)內(nèi)存在老空積水、斷層水和井下奧灰?guī)r溶水。自然發(fā)火情況。老空區(qū)漏風(fēng)通道多，煤層極易發(fā)生自燃。受當(dāng)時(shí)開采技術(shù)和裝備條件的限制，沒有計(jì)劃回采剩余煤量，在開采時(shí)，未鋪設(shè)假頂，頂板矸石在當(dāng)初回采后，未作任何固結(jié)處理。頂板破碎，可能使開采壓力傳遞到工作面煤壁前端，造成煤壁片幫、漏矸、工作面無法推進(jìn)，給工作面安全回采留下極大隱患；矸石混入煤中，影響煤質(zhì)，直接影響礦井經(jīng)濟(jì)效益；復(fù)采面遇到干燥松碎頂板，頂部漏冒難以控制，煤塵大，作業(yè)條件困

3、難，安全沒有保障。(2)復(fù)采工作面特征根據(jù)采空區(qū)厚度煤和邊角煤柱的賦存特征，殘煤復(fù)采與正規(guī)工作面開采相比，有以下特點(diǎn)：工作面短且變化大，大多數(shù)不能等長布置，開采過程中增減支架等相當(dāng)頻繁，綜采、綜放設(shè)備難以施展，不易組織高產(chǎn)高效，實(shí)現(xiàn)高效機(jī)械化難度大。工作面推進(jìn)長度短，回采率不高，可采儲(chǔ)量小，工作面設(shè)備安裝撤除、搬家移面頻繁。殘煤地點(diǎn)分散，大小不一且極不規(guī)則。大量塊段邊緣不整齊，多是三角形、鋸齒形及梯形，還有一部分不規(guī)則形，使復(fù)采工作面巷道布置困難，生產(chǎn)系統(tǒng)不易形成。復(fù)采工作面受鄰近已采區(qū)或地質(zhì)破碎帶的不安全因素影響大，其礦壓顯現(xiàn)有別于正規(guī)工作面。復(fù)采煤資源絕大部分被采空區(qū)所包圍，其地質(zhì)條件較為

4、復(fù)雜，開采將一定程度上受到構(gòu)造帶、水、火及瓦斯等有害氣體的威脅，給工作面安全生產(chǎn)帶來困難和問題。三、復(fù)采關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容三、復(fù)采關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容 技術(shù)一：采準(zhǔn)巷道布置技術(shù)一：采準(zhǔn)巷道布置（1）采準(zhǔn)巷道布置形式單獨(dú)布置聯(lián)合布置(2)復(fù)采方法單獨(dú)布置，單獨(dú)開采方式（單獨(dú)布置-單獨(dú)開采）聯(lián)合布置，聯(lián)合開采方式（聯(lián)合布置-聯(lián)合開采）(3)復(fù)采方法的選擇巷道布置形式和復(fù)采方法的選擇，都與一定的煤層地質(zhì)條件密切相關(guān)。殘煤復(fù)采也要根據(jù)具體的煤層賦存條件，進(jìn)行復(fù)采方法的選擇。從安全復(fù)采、節(jié)約投入、提高資源采出率角度，應(yīng)盡可能采用聯(lián)合布置。由于在采空區(qū)厚度煤和邊角煤多半呈連續(xù)或半連續(xù)分布，因此復(fù)采采準(zhǔn)巷道布置方式多采用

5、聯(lián)合布置，復(fù)采方法多采用聯(lián)合布置分區(qū)或聯(lián)合開采的復(fù)采方法。要點(diǎn)一：復(fù)采巷道布置形式與復(fù)采方法要點(diǎn)二：復(fù)采沿空掘巷(1)沿空掘巷原理沿空掘巷是隨著工作面的開采，將上區(qū)段工作面的運(yùn)輸或回風(fēng)平巷廢棄，而在下區(qū)段回采時(shí)沿著上區(qū)段采空區(qū)邊緣的煤體內(nèi)重新掘進(jìn)巷道，沿空掘巷可分為完全沿空掘巷、留小煤墻沿空掘巷和局部保留上區(qū)段巷道三種方式。殘煤復(fù)采工作面布置在老采空區(qū)，大部分巷道完全是在老采空區(qū)冒落的巖體中掘進(jìn)，復(fù)采工作面巷道基本不具備局部保留上區(qū)段巷道的條件。為了提高資源采出率，更多的采取不留煤墻或留小煤墻方法。隨著工作面回采，采空區(qū)上覆巖層垮落，基本頂初次來壓形成“OX”破斷，基本頂周期破斷后的巖塊沿工作

6、面走向方向形成砌體梁結(jié)構(gòu)，在工作面端頭破斷形成弧形三角塊。弧形三角塊斷裂在煤壁內(nèi)部、旋轉(zhuǎn)下沉。隨著遠(yuǎn)離采面和時(shí)間的延續(xù)，煤層開采沿側(cè)向支承壓力帶會(huì)逐漸趨向緩和與均化，最終成為穩(wěn)定的殘余支承應(yīng)力。經(jīng)研究表明：在巷道掘進(jìn)前，圍巖運(yùn)動(dòng)已經(jīng)穩(wěn)定在采空區(qū)附近，處于極限平衡狀態(tài)下煤體位于殘余支承壓力分布帶。復(fù)采工作面采準(zhǔn)巷道沿空掘進(jìn)時(shí)，采空區(qū)巖體結(jié)構(gòu)處于極限平衡狀態(tài)下的殘存支承壓力分布。在采空區(qū)邊緣處，為已經(jīng)卸載的松弛區(qū)，煤體深部為承載的塑性區(qū)和彈性區(qū)，如圖5所示。沿空掘巷在塊體B下方，為卸載的松弛區(qū)，巷道在塊體B的保護(hù)作用下，支承壓力小，如圖6所示。 沿空掘巷上覆巖層結(jié)構(gòu)示意圖 沿空掘巷引起煤幫應(yīng)力分布

7、(2)沿空掘巷作業(yè)技術(shù)措施1）對于頂板容易冒落和易于膠結(jié)形成再生假頂、采空區(qū)內(nèi)無積水、煤層傾角不大、工作面瓦斯含量較低的工作面，可以采用完全沿空掘巷，完全沿空掘巷時(shí)，應(yīng)緊貼原廢棄的巷道，在煤層邊緣的煤體內(nèi)重新掘巷。2）對于不能實(shí)施完全沿空掘巷可采取留小煤柱掘巷方案，留設(shè)小煤柱要遵循以下原則：保證煤柱及巷道處于相對較低的應(yīng)力環(huán)境下，即使煤柱和巷道在側(cè)向形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)保護(hù)作用下，沿空巷道布置可以保持穩(wěn)定。保持窄煤柱自身穩(wěn)定。窄煤柱的尺寸也將直接關(guān)系到窄煤柱自身的承載能力，煤柱過窄，不但煤柱破碎，頂煤及實(shí)體煤幫也破碎，巷道圍巖整體性差，承載能力小。滿足隔離采空區(qū)原則。留設(shè)的煤柱尺寸應(yīng)滿足隔離采空區(qū)，

8、防止漏風(fēng)、發(fā)火、擋矸和防水的要求。采出率高的原則。煤柱越小，采出率越大，在滿足巷道圍巖穩(wěn)定的前提下，盡可能減小窄煤柱寬度。3）采用合理的支護(hù)形式，控制巷道的變形。在沿空巷道支護(hù)中，合理的支護(hù)形式對巷道圍巖控制起著重要的作用，巷道上覆巖體結(jié)構(gòu)的載荷變化和運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了巷道在回采期間大變形的必然性，這就要求巷道支護(hù)形式能夠適應(yīng)大的圍巖變形。4）掘進(jìn)施工期間，采空區(qū)頂板巖體結(jié)構(gòu)為臨時(shí)平衡結(jié)構(gòu)，為減輕放炮對頂板的振動(dòng)，造成基本頂?shù)幕剖Х€(wěn)，沿空掘巷在采空區(qū)側(cè)要放震動(dòng)炮，最好是用風(fēng)鎬掘進(jìn)。5）沿空掘巷施工，在采空區(qū)側(cè)嚴(yán)禁空幫，空幫段要用矸石等裝實(shí)，必要時(shí)必須進(jìn)行噴漿處理。要點(diǎn)三：復(fù)采沿空留巷(1)沿空留

9、巷機(jī)理工作面的推進(jìn)引起老頂?shù)钠茢唷⑹Х€(wěn)、劇烈沉降使工作面超前移動(dòng)支承壓力和傾向固定支承壓力疊加作用在沿空巷道上，巷道變形與工作面端部來壓同步，在“砌體梁”平衡結(jié)構(gòu)的形成過程中，關(guān)鍵層巖塊的回轉(zhuǎn)與下沉使沿空留巷的煤幫作為支撐點(diǎn)承受很大的支承壓力，形成了錯(cuò)動(dòng)離層帶區(qū)、二次破斷區(qū)和微破裂區(qū)。進(jìn)行巷旁充填（支護(hù)）后，隨工作面構(gòu)筑的充填體及時(shí)支護(hù)頂煤及直接頂，確保巷道內(nèi)頂煤與直接頂不破碎，避免與上部老頂離層。并切斷巷道靠采空區(qū)側(cè)的頂煤與直接頂，以減小巷旁充填體所受壓力，能控制頂部頂板破斷位置，以保護(hù)巷道內(nèi)頂板（煤）的完整性和自撐性能，進(jìn)而減小頂板的前期下沉量和巷道斷面收縮率。煤幫、頂板、充填體形成的力學(xué)

10、結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。 沿空留巷原理圖(2)沿空留巷作業(yè)技術(shù)措施在沿空留巷系統(tǒng)內(nèi)，巷旁支護(hù)和煤幫要承受較大的應(yīng)力作用，要使沿空留巷成功的關(guān)鍵就是要提高巷旁支護(hù)和煤幫的強(qiáng)度，從而使系統(tǒng)整體強(qiáng)度增強(qiáng)，以適應(yīng)采動(dòng)影響，使其在動(dòng)壓作用后仍能繼續(xù)使用。巷旁支護(hù)材料的選擇沿空留巷的關(guān)鍵是沿空一側(cè)巷旁支護(hù)體的材料和性能的選擇，要求增阻速度快，并具有合理的支護(hù)阻力能切落一定高度的頂板，具有較大的變形量適應(yīng)沿空留巷劇烈變形。傳統(tǒng)的巷旁支護(hù)有木垛、密集支柱、矸石帶、混凝土砌塊等，現(xiàn)在開發(fā)的新型材料有高水速凝材料及膏體材料。沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)沿空留巷巷旁支護(hù)成功的關(guān)鍵是確保煤幫及頂板的穩(wěn)定，防止巷道圍巖過度變形，為

11、此，要選擇支護(hù)阻力大、增阻速度快、適量可縮，巷道維護(hù)效果好的支護(hù)材料，使支護(hù)體適應(yīng)頂板活動(dòng)規(guī)律。技術(shù)二、技術(shù)二、復(fù)采工藝系統(tǒng)復(fù)采工藝系統(tǒng)要點(diǎn)一：復(fù)采工作面設(shè)備選型及配套(1)復(fù)采面設(shè)備合理配套復(fù)采工作面成套設(shè)備主要由液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶輸送機(jī)及工作面供電供液設(shè)備等組成，這些設(shè)備的正確選型及合理配套，是充分發(fā)揮設(shè)備生產(chǎn)效能，安全生產(chǎn)的前提。設(shè)備選型要著重考慮設(shè)備的生產(chǎn)能力、主要技術(shù)指標(biāo)、適應(yīng)性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、配套性等因素。(2)復(fù)采面支架選型要求支架型式和參數(shù)設(shè)計(jì)要符合復(fù)采工作面的生產(chǎn)地質(zhì)條件要求；復(fù)采面配套的液壓支架最好能有伸縮梁、頂梁和側(cè)護(hù)板，并采用及時(shí)移架方式，以及

12、時(shí)封閉煤幫，防止工作面漏矸竄矸，支架應(yīng)有一定的支護(hù)強(qiáng)度，保證支架能夠承受煤柱的壓力和頂板正常垮落時(shí)來壓。要點(diǎn)二：工作面旋轉(zhuǎn)和調(diào)斜(1)調(diào)斜和旋轉(zhuǎn)原理復(fù)采工作面形狀不規(guī)則，面長變化大。在回采過程中，根據(jù)復(fù)采資源的賦存狀況，需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整回采工作面長度。旋轉(zhuǎn)角度在 45以下時(shí)，工藝難度較小，平巷采用折線方式布置，習(xí)慣上稱這類小角度旋轉(zhuǎn)為采面調(diào)斜或調(diào)采；大于 45的旋轉(zhuǎn)，工藝難度加大，通常稱為采面旋轉(zhuǎn)。工作面調(diào)斜分為實(shí)中心調(diào)斜和虛中心調(diào)斜。實(shí)中心調(diào)斜旋轉(zhuǎn)中心 O1點(diǎn)停移輸送機(jī)，另一端移夠一個(gè)截深，將輸送機(jī)調(diào)成一直線割煤，如圖 7-8所示。由于頂板反復(fù)支撐，O1處頂板和煤壁管理困難，適用于頂板穩(wěn)定，調(diào)斜

13、角度小的條件。虛中心調(diào)斜工作面兩端都有一個(gè)前移量，把調(diào)斜角 分成若干個(gè)小角 ，采煤機(jī)割過一組通（長）刀和短刀后工作面轉(zhuǎn)過 角，完成了一個(gè)調(diào)斜循環(huán)，如圖 7-9 所示。 (2)調(diào)斜和旋轉(zhuǎn)作業(yè)技術(shù)要點(diǎn)合理選擇旋轉(zhuǎn)中心的位置，除要注意旋轉(zhuǎn)中心處地質(zhì)條件以及中心的形式外，要保證平巷的每一條折線段有合理長度，以利選用適合的平巷輸送機(jī)。每循環(huán)的轉(zhuǎn)角 不能過大，一般在 11.5，過大時(shí)，操作管理難度大，容易損壞設(shè)備。調(diào)斜中，嚴(yán)格掌握進(jìn)度，嚴(yán)格按各點(diǎn)標(biāo)的進(jìn)度調(diào)采。嚴(yán)格保證工程質(zhì)量。拐點(diǎn)的確切位置、支架與輔送機(jī)的轉(zhuǎn)角、推進(jìn)長度都應(yīng)從嚴(yán)掌握。每循環(huán)長刀時(shí)，工作面必須到達(dá)預(yù)定位置，并做到三直（煤壁、輸送機(jī)、支架都排

14、成直線），調(diào)整好支架，為下一循環(huán)打好基礎(chǔ)。為防止輸送機(jī)下滑、上竄，增加調(diào)斜難度，應(yīng)嚴(yán)格掌握推移與調(diào)直輸送機(jī)的順序。調(diào)斜時(shí)，最好以輸送機(jī)機(jī)頭端為中心，旋轉(zhuǎn)機(jī)尾端。技術(shù)三：技術(shù)三：復(fù)采安全技術(shù)復(fù)采安全技術(shù)要點(diǎn)一：復(fù)采破碎頂板控制（1）復(fù)采破碎頂板管理技術(shù) 減小控頂距 提高支架初撐力 及時(shí)支護(hù)，縮小端面距 優(yōu)化作業(yè)參數(shù)（2）注漿固結(jié)破碎頂板 靜壓注漿與高壓注漿 復(fù)采炮采工藝工作面注漿工藝：鉆孔設(shè)計(jì)、漿液配比、注漿影響 半徑、注漿壓力控制要點(diǎn)二：煤塵綜合防治復(fù)采工作面煤體破壞嚴(yán)重，開采時(shí)煤塵大，必須采取防塵措施降低高濃度粉塵對作業(yè)人員的身體健康和對煤礦安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅。除了復(fù)采工作面回采前的注水

15、濕潤煤體可以降塵外，還可以在采煤工作面轉(zhuǎn)載點(diǎn)設(shè)置噴霧，放炮前后灑水噴霧、進(jìn)、回風(fēng)巷內(nèi)安裝水幕、放頂前向老空灑水等措施。通過注水濕潤煤體，使煤體呈塑性變化，降低煤塵量，降低瓦斯涌出量，減少自燃發(fā)火等。另外，采空區(qū)注水還能軟化采空區(qū)冒落的矸石，將巖石中水溶性的粘結(jié)物融化，提高膠結(jié)程度等用。要點(diǎn)三：老采空區(qū)水防治要作好井下防水工作，必須詳細(xì)了解和掌握礦井水文地質(zhì)資料171。井下掘進(jìn)工作面離可疑水源 75150m 以外時(shí)，即必須用探水鉆探水，必須認(rèn)真執(zhí)行有掘必探、先探后掘的原則。探水鉆孔的深度一般為 40m 左右，其超前距離不小于 20m，鉆孔數(shù)目不少于 3 個(gè)，如圖 7-10 所示。探到水源后，把水

16、有計(jì)劃地放出來；留足夠尺寸的防水隔離煤柱，把水源與回采區(qū)域隔開；在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)建立水閘門或水閘墻，防止井下局部地點(diǎn)透水時(shí)影響其它地區(qū)；用水泥漿或化學(xué)漿液注入鉆孔堵水等等。總之，要詳細(xì)研究舊采空區(qū)分布，并結(jié)合礦井水文地質(zhì)特征，動(dòng)態(tài)分析采空區(qū)水文地質(zhì)特征如水源及通道、積水量、水頭壓力和相互聯(lián)通關(guān)系等，堅(jiān)持有疑必探、先探后掘的原則，采取措施疏放采空區(qū)積水，保證安全生產(chǎn)。要點(diǎn)四：殘煤自燃防治（1）提高采出率，加快回采進(jìn)度盡量提高工作面煤炭采出率，在采空區(qū)少遺留煤炭資源。同時(shí)，加快回采進(jìn)度，使煤層暴露時(shí)間減少，不為煤層自燃創(chuàng)造條件。（2）防止漏風(fēng)除了加強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整外，殘煤復(fù)采，要注意封堵復(fù)采工作面邊界采空區(qū)漏風(fēng)通道、加強(qiáng)老空區(qū)邊界支護(hù)，減少巷道變形。 封堵老空區(qū)漏風(fēng)通道 加強(qiáng)老巷或老空區(qū)附近巷道的支護(hù)強(qiáng)度（3）預(yù)防性灌漿、注液要點(diǎn)五：老空區(qū)瓦斯排放在存有積聚瓦斯的老空區(qū)，在掘進(jìn)和復(fù)采過程中，會(huì)揭露瓦斯積聚區(qū)的老巷，老空區(qū)瓦斯受圍巖壓力作用，一般呈“壓縮包”狀。一旦揭露瓦斯積聚區(qū)老巷，由于壓差的存在，瓦斯會(huì)在短時(shí)間快速的涌向作業(yè)空間，造成瓦斯超限，影響生產(chǎn)，也埋下事故隱患。因此，必須采取措施徹底排放老空區(qū)瓦斯，消除瓦斯隱患。老空區(qū)瓦斯排放措施一般為超前鉆探釋放瓦斯、