无煤柱开采技术发展现状及研究方向
2019-05-13
介绍了无煤柱开采技术的应用特征,概括了英国、加拿大,南非以及我国在无煤柱开 采技术方面的发展历程及现状,认为我国在无煤柱开采方面存在的问题主要有:沿空留巷充填材料 及设备成本高,传统的沿空留巷理论与围岩控制要求不匹配,沿空留巷巷帮支护设计理论不完善; 沿空掘巷留设煤柱的位置及尺寸理论不健全,控制围岩变形破坏的支护技术和方法无法完全适应 现代煤矿的发展需要。结合目前围岩控制理论和支护技术方面的问题,讨论了关于沿空留巷和沿 空掘巷巷道围岩控制技术的发展方向和前景,供相关研究借鉴。
Serial No. 600 April. 2019 现 代 矿 业 MODERN MINING 总第 600期 2019 年 4 月第 4 期 无煤柱开采技术发展现状及研究方向 冯 敏 山西凌志达煤业快瞄影院kmyytv午夜YY) ( 摘 要 介绍了无煤柱开采技术的应用特征,概括了英国、加拿大,南非以及我国在无煤柱开 采技术方面的发展历程及现状,认为我国在无煤柱开采方面存在的问题主要有:沿空留巷充填材料 及设备成本高,传统的沿空留巷理论与围岩控制要求不匹配,沿空留巷巷帮支护设计理论不完善; 沿空掘巷留设煤柱的位置及尺寸理论不健全,控制围岩变形破坏的支护技术和方法无法完全适应 现代煤矿的发展需要。 结合目前围岩控制理论和支护技术方面的问题,讨论了关于沿空留巷和沿 空掘巷巷道围岩控制技术的发展方向和前景,供相关研究借鉴。 关键词 无煤柱开采 沿空留巷 沿空掘巷 围岩控制 发展现状 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 04. 017 Development Status and Study Direction of Coal Pillarless Mining Technology Feng Min ( Shanxi Lingzhida Coal Industry Co. ,Ltd. ) Abstract The application characteristics of coalless pillar mining technology is discussed,the de- velopment history and current situation of coal mining technology in the Unite Kindem,Canada,South Af- rica and China are summarized,and the problem of coalless pillar mining existed in our county is ana- lyzed. The results show that:cost of the filling materials and equipment of rock and air retaining lane is high,the traditional rock-stay roadway theory does not match the surrounding rock control requirements, and the design theory of roadway retaining support is not perfect;the position and size theory of leaving coal pillars in rock-air roadway is not perfect,and support technology and methods for controlling deforma- tion and destruction of surrounding rock cannot fully meet the development needs of modern coal mines. Combined with the current problems of surrounding rock control theory and support technology,the future development direction and prospects of surrounding rock control technology for rock roadway and rock roadway are presented,so as to provide some reliable reference for the corresponding study work. Keywords Non-pillar mining,Rock and gravel,Rock excavation,Surrounding rock control,Devel- opment status 我国在 20 世纪 70 年代就已引进了无煤柱开采 模式的缺陷不断凸显,资源大量损失、环境急剧恶 化,给缓解资源枯竭、环境治理带来了严重的可持续 发展问题,给实现节能减排、建设高效安全生产矿井 等也带来了严重阻碍,采矿行业的整体效益受到影 响。 为保障午夜YY企业高效可持续发展,有必要在国 内无煤柱开采技术的发展基础上借鉴国外先进的技 技术,并在 20 世纪 80 年代出台了相关规定,截至目 前,我国无煤柱开采技术研究与应用已有 40 多年历 史。 无煤柱开采技术因其施工工艺简单、经济高效、 资源回收率高等优势在午夜YY得到了广泛应用,但随 着我国经济高速发展对资源需求量的不断增多,煤 炭等不可再生资源日益匮乏,传统粗放型资源开采 [ 1] 术发展经验,对国内无煤柱开采技术进行革新 。 本研究结合相关文献资料,对无煤柱开采技术的发 展现状进行梳理,并对未来发展趋势进行展望,供相 关研究参考。 冯 敏(1980—),男,工程师,046600 山西省长子县。 6 7 总第 600 期 现代快瞄影院kmyytv电影网 2019 年 4 月第 4 期 1 无煤柱开采技术的应用特征 在当前及以后很长一段时间内,煤炭仍然是我 国能源生产和消耗的主体,无煤柱开采技术因其特 殊优势在我国煤炭行业中得到了广泛应用,但由于 技术相对不成熟,在实际应用中主要有沿空掘巷和 沿空留巷等技术。 我国煤矿数量众多,根据应用范 围与对象上的差别采用的无煤柱开采方法也各有区 别。 现阶段采用的沿空掘巷(图 1)主要有完全沿空 掘巷和留窄小煤柱沿空掘巷等方法,主要有以下特 征:根据煤层和顶板条件,重点在于确定沿空巷道的 位置和掘进间隔时间,沿着上覆岩层已垮落稳定的 采空区掘进区段平巷;当沿空掘巷采空区矸石冒落 影响掘进施工时,可以适当留设小煤柱,确保掘进施 工安全。 图 2 某矿沿空留巷技术示意 图 1 某矿沿空掘巷示意 巷帮充填沿空留巷技术根据充填材料的不同可 以大致分为膏体充填沿空留巷、高水充填沿空留巷、 柔模混凝土充填沿空留巷和矸石混合材料充填沿空 留巷,关键技术是充填材料的强度及与凝固速度的 关系,关系到沿空留巷技术应用的成败。 其中充填 工序在时间和空间上的有序结合也是施工的重要环 节,它们起着控制巷道围压、支撑巷道围岩以及减少 或延缓巷道围岩在回采过程中受到的变形破坏的作 用,同时能够适应软硬岩层且不受煤层厚度影响,尤 其在倾角小于 25°的薄及中厚煤层中使用该技术效 果较好。 由于有充填体的防护,采空区侧瓦斯不易 涌出,采空区自然发火情况能够被有效限制,因此该 技术适用于高瓦斯矿井。 目前煤矿常用的沿空留巷(图 2)主要有切顶卸 压沿空留巷和巷帮充填沿空留巷两种方法。 在实际 施工过程中所需的地质条件不尽相同,适用范围也 存在差异。 对于切顶卸压沿空留巷来说,该方法主 要适用于顶板坚硬的薄煤层及中厚煤层,高瓦斯矿 井以及煤与瓦斯突出矿井。 在切顶卸压沿空留巷施 工过程中,需要结合巷道围岩地质条件,采用超前双 向聚能张拉爆破沿走向预裂顶板技术,及时切断巷 外直接顶,使承重关键层能够沿预成裂缝垮落形成 坚实的巷帮,同时使上覆岩层压力向实体煤深部转 移,显著改善施工环境;在继续掘进或回采过程中, 为保障掘进施工安全,应根据观测巷道表面位移变 化所显现的矿压规律,适时采取合理有效的沿空护 巷支护方案;在确定巷道围压稳定后,依次进行回采 工作。 切顶卸压沿空留巷技术在使用过程中有一定 的优势,但也存在一些劣势。 优势在于该类无煤柱 开采技术资源回收率高、巷道掘进率低,有助于缓解 采掘交替紧张,能够实现煤矿井下快速施工,但施工 工序较为复杂,顶板预裂爆破技术施工难度高,多技 总体上,巷帮充填沿空留巷的开采方法充填效 率较高、省时省力,能够有效保持顶板稳定性,提高 资源回收率,可大幅提升经济效益和安全效益,但也 存在一些弊端,如充填材料成本过高、强度和耐久性 不足、充填工艺落后、系统布置复杂,无法从根本上 [ 14] 。 扭转巷道围岩维护困难的局面 2 无煤柱开采技术的发展历程及现状 [ 7] 2. 1 国外无煤柱开采技术发展现状 术集成特点显著 。 无煤柱开采技术的提出最初是为了减少巷道维 6 8 冯 敏:无煤柱开采技术发展现状及研究方向 2019 年 4 月第 4 期 护工作量,具体应用于工程实践是在 20 世纪的英 国、加拿大、德国和南非等国家,由于这些国家矿产 资源较丰富,无煤柱开采技术发展历史较为久远,采 矿技术发展较为成熟。 2. 2 国内无煤柱开采技术的发展现状 国内无煤柱开采技术主要包括沿空掘巷和沿空 留巷,其中沿空留巷是无煤柱开采技术的主要发展 方向。 根据井田地质构造和赋存情况的不同,采用 的开采工艺也各不相同。 随着无煤柱开采技术的快 速发展,采矿工艺的技术要求越来越高,经过 40 多 年的发展,国内无煤柱开采技术体系也取得了显著 英国在无煤柱开采技术方面有着悠久的发展历 史。 英国煤炭局(NCB) 在 1973 年与西德蒂森午夜YY 合作在南威尔士矿区研究巷帮充填技术,于 1979 年 在蒂森午夜YY研究的充填材料的基础上成功研制了高 水速凝泵送充填沿空护巷新技术, Tekpakxx、 Hy- dropack、煤粉+水泥作为性能较好的高水速凝充填 材料在英国煤矿得到了广泛应用,并成为英国煤矿 巷帮充填开采技术的主要内容,在南威尔士 80% 的 煤矿、马狄及塔联合矿井和凯林来(北约克郡矿区) 均取得了良好的经济效益。 近年来,英国维塔克教 授对沿空留巷构建了分离岩块力学模型,南威尔士 大学 Smart 教授提出了岩倾斜理论,各高校和科研 机构加快了对新型高水凝胶材料、膏体材料和胶结 材料的研究,极大促进了无煤柱开采技术的发展。 加拿大幅员辽阔,拥有丰富的矿产资源,从 20 世纪 30 年代开始,冲击砂便已作为该国无煤柱开采 技术的主要充填材料,在午夜YY得到了大范围应用。 随着无煤柱开采技术的不断发展,加拿大于 1992 年 在 Creightion 矿井(萨德伯里地区)采用膏体充填采 矿技术,借助压力泵将浓度为 70% ~ 72% 的膏状体 稠料浆充填至采空区;此外,冲击尾砂及多级尾砂胶 结充填等技术作为加拿大无煤柱开采技术体系的主 要发展内容,20 世纪 90 年代在充填材料以及工艺 研发方面取得了较大进展。 当前加拿大仍然有 10 座午夜YY采用块石胶结充填、浆体胶结充填以及膏体 充填等无煤柱开采技术。 [ 22-27] 发展 。 整体来说,国内无煤柱开采技术的发展 主要经历了 4 个阶段:第一阶段为 20 世纪 50 年代, 枣庄、鸡西等矿务局开始对沿空留巷技术进行初步 探索,并有个别煤矿开始尝试应用沿空掘巷技术,但 应用较少且没有形成成熟的理论和技术体系;第二 阶段为 20 世纪 60 ~ 70 年代,我国开始深入研究开 采引起的围岩应力分布规律,并揭示了巷道布置与 矿压显现之间的关联,部分国有重点煤矿开始应用 沿空掘巷技术,在西山、石嘴山等矿务局开始在中厚 煤层中推行沿空留巷技术,根据现场实测数据以及 实践经验形成了一些经验公式,提高了资源开采率 和经济效益,无煤柱开采技术得到了实质性的发展; 第三阶段为 20 世 80 年代至 90 年代末,我国开始借 鉴国外沿空留巷技术发展成果及实践经验,应用高 水充填技术,但由于在采高、采深、开采速度、打巷道 断面等方面受到严重制约,沿空留巷技术发展进入 瓶颈期,沿空掘巷技术在此期间得到不断完善,回采 巷道布置和护巷方式发生了重大改革,沿空掘巷技 术得到了广泛应用;第四阶段为 21 世纪以来的近 2 0 a,通过理论研究、数值模拟分析、现场试验,随着 各种支护技术的发展,沿空掘巷技术趋于成熟,并在 三软”煤层、深井综放和高地应力等条件下均取得 “ 了良好的应用效果,沿空留巷技术也逐渐在特厚煤 层和高突矿井开始应用,通过对各种沿空留巷影响 因素的分析和试验,特别是找到了相邻采空区实体 煤内弹塑性应力及支撑影响区范围的计算公式,巷 20 世纪 80 年代初期,西德 Preussage 金属午夜YY 首先在 Bad Grund 铅锌矿建成膏体充填系统,并首 次成功 应 用 柱 塞 泵 进 行 输 送, 形 成 了 “ Preussage Pumped fill”无煤柱开采新工艺。 20 世纪 80 年代, 利用膏体充填形成的无煤柱开采技术在南非达到了 巅峰,该时期南非主要采用的开采技术是废石胶结 充填以及脱泥尾砂胶结充填,并对膏体充填和高浓 度料浆进行管道充填等技术进行了初步研究。 目 前,南非许多午夜YY的开采深度已经达到了 2 135 m 以上,随着无煤柱开采技术的蓬勃发展,开采深度不 断加大,利用高质量膏体充填形成的无煤柱开采技 术体系已经成为该国深井午夜YY的主要开采工艺,取 得了较理想的经济效益。 帮支护和巷内支护技术得到了较大发展,无煤柱开 [22] 采技术形成了较全面的理论体系 。 3 存在问题 经过数十年的发展,我国在无煤柱开采技术研 究方面取得了丰硕成果,但由于我国煤层赋存条件 复杂,在沿空留巷和沿空掘巷的理论研究及实际应 用中仍存在着一些不足,具体如下: (1)巷旁充填沿空留巷技术具有较大的发展潜 力,但是设备和材料成本严重制约了充填技术的发 展,尤其是充填设备和膏体、高水材料快瞄影院kmyytv电影网昂贵;充 填系统布置复杂;充填体力学性能不佳,收缩让压性 6 9 总第 600 期 现代快瞄影院kmyytv电影网 2019 年 4 月第 4 期 支护难、支护效果差的局面。 能差,易发生“堵管” 和破坏,使得充填质量和效果 大打折扣。 (3)针对沿空掘巷的地质条件,采用更为多样 化研究方法和技术手段,合理设计沿空掘巷的支护 参数和支护方式,进一步深入研究围岩活动规律、锚 网索联合体的承载特性、围岩应力分布规律和变形 范围,加强对锚固范围的控制,使得支护体的承载性 能与沿空掘巷巷道围岩变形规律相适应。 ( 2)针对综合机械化开采中厚煤层,传统的沿 空留巷理论无法满足巷道围岩控制要求;巷道支护 对实体煤帮作为主要承载结构的关注程度不足,巷 道支护与巷旁支护不匹配;在巷道掘进时未能考虑 到留巷及二次采动的影响,巷道支护体的承载架构 无法满足沿空留巷的要求,后期巷道变形量大且难 以维护。 参 考 文 献 [ [ [ 1] 郭 瑞. 国内外充填采矿技术发展现状综述[ J]. 智能城市, 016(7):79. ( 3)沿空留巷支护系统设计方面研究较薄弱, 2 主要表现为支护理论和方法研究滞后。 目前仅能从 一点或者一个剖面来判断支护质量,整个沿空留巷 支护系统的实施效果难以有效判定;在中小型煤矿 设计采用沿空留巷,支护成本巨大,无法有效体现出 沿空留巷的经济优势;缺乏可靠的数值仿真模拟系 统。 2] 马福杰. 无煤柱沿空留巷在中厚煤层的围岩变形规律研究 [J]. 煤炭与化工,2018,41(7):1-6. 3] 何满潮,马新根,牛福龙,等. 中厚煤层复合顶板快速无煤柱自 成巷适应性研究与应用[ J]. 岩石力学与工程学报,2018,37 ( 12):2641-2654. [ [ [ 4] 程 坤,杨宝贵,张宝刚,等. 我国煤矿充填开采技术现状及发 展方向[J]. 煤炭技术,2018,37(3):73-76. 5] 张 兵,王克权. 沿空留巷技术在金凤煤矿的探索应用[J]. 神 华科技,2018,16(8):20-22. ( 4)切顶卸压沿空掘巷过程中留设窄煤柱是确 保沿空掘巷施工成功的关键因素,窄煤柱的稳定性 直接关系到沿空掘巷的稳定。 对于沿空掘巷的位置 和煤柱具体的几何尺寸,目前国内外尚未有明确定 论;对于沿空掘巷过程中矿压显现规律以及围岩的 变形破坏特征还需要进一步研究。 6] 何东升,刘旦龙,张 洋. 复合顶板中厚煤层切顶卸压留巷无 煤柱开采技术[J]. 煤炭科学技术,2018,46(9):126-132. [7] 王 进,马资敏,周 鹏,等. 宏景塔矿切顶留巷预裂切缝参数 优化研究[J]. 煤炭技术,2018,37(8):66-68. [ [ [ [ 8] 于国华. 煤矿切顶卸压沿空成巷无煤柱开采技术研究与应用 [ J]. 水力采煤与管道运输,2018(3):7-9. ( 5)沿空掘巷过程中,围岩变形量大、强度低; 9] 康建东. 倾斜煤层沿空掘巷窄煤柱设计及控制技术[J]. 煤矿 安全,2018,49(8):247-250. 锚杆、锚索联合支护的密度以及在锚固回采帮形成 与矿压相匹配的锚固体的深度和强度难以控制;顶 底板变形量大且难以控制,后期需要打单体支柱及 人工落底,维护费用巨大。 目前,对沿空掘巷围岩变 形破坏机理和顶底板加固技术方面的研究较薄弱, 有必要深入研究。 10] 孙福玉. 综放开采窄煤柱沿空掘巷围岩失稳机理与控制技术 [ J]. 煤炭科学技术,2018,46(10):149-154. 11] 郑忠友,杨晓科,朱 磊,李学强,华召文. 南梁煤矿采留-体无 掘巷开采技术研究[J]. 煤炭工程,2018,50(8):1-6. [12] 刘爱卿,张 剑. 近距离特厚煤层小煤柱沿空掘巷支护技术 研究[J]. 煤炭技术,2018,37(7):82-84. [ 13] 邓小磊,邢亚飞,王永乐. 沿空掘巷技术在嵩山煤矿三软煤层 中的应用[J]. 能源与环保,2018,40(10):216-220. 4 研究方向 ( 1) 在巷帮充填沿空留巷技术上推广使用高 [ 14] 王志强,苏 越,石 磊,等. 错层位外错式沿空掘巷机理及 相邻巷道的立体化联合支护技术 [ J]. 煤 炭学报,2018,43 水、膏体充填材料,加强对新型高性价比充填材料的 试验和研究,有效降低煤矿充填开采的材料成本;考 虑将生活垃圾经过无害化处理后作为充填材料,不 仅可以有效处置垃圾,而且能够增加煤矿充填材料 的来源。 针对中厚煤层全采沿空留巷、放顶煤综采 等特殊情况,建立数学模型,运用数值模拟软件以及 相似模拟方法进行基础理论研究,加强对沿空留巷 支护设计的研究。 ( S1):12-20. [ [ [ [ 15] 刘德成. 突出矿井薄煤柱沿空掘巷瓦斯赋存规律及瓦斯防治 技术研究[J]. 煤炭科技,2018(3):20-21. 16] 涂智凌,王逸良. 窄煤柱沿空掘巷围岩变形特征及控制技术 研究[J]. 煤炭技术,2018,37(9):35-37. 17] 孙 淼,孙泽东. 深井沿空掘巷护巷煤柱注浆加固技术应用 研究[J]. 煤,2018,27(11):9-11. 18] 郭 帆,刘春永,闫 静. 厚煤层综放工作面沿空掘巷支护技 术研究与应用[J]. 内蒙古煤炭经济,2018(18):159-160. ( 2)加强沿空掘巷巷道围岩支护材料的力学性 [19] 王 成,韩亚峰,杜泽生,等. 沿空掘巷围岩控制技术的发展 与展望[J]. 煤矿开采,2014,19(4):1-4. 能研究,切实提高围岩锚梁网索联合支护的效果,同 时将聚氨酯化学注浆以及复合材料注浆加固技术进 行有机结合,形成多手段、高强度的综合支护系统, 充分结合各类支护技术的优势,切实改变沿空掘巷 [ 20] 翟景辉,刘旦龙. 无煤柱沿空掘巷技术在永夏矿区的应用 J]. 能源与环保,2018,40(6):208-211. [ [ 21] 杨飞龙. 煤矿沿空留巷技术发展及研究现状[J]. 机械管理开 发,2017,32(9):160-162. 7 0
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