我国存在着“富煤贫油少气”的能源格局,随着社会经济的发展,对煤炭资源的需求量逐渐增加。伴随煤炭资源的高强度开采,中部浅部煤炭资源逐渐开采枯竭,我国煤炭资源的发展方向正向中部深部发展。煤炭资源的深部开采已成为煤炭工业发展与资源开发中的新常态。在我国已探明的埋深2 000 m以内的煤炭资源储量中,埋深超过1 000 m的储量占53.3%,深部矿井达200处,并且仍以每年10~25 m的速度不断向下延深[1-2]。深部开采面临高地应力、高地温、高岩溶水压、高瓦斯压力以及强扰动的“四高一扰动”复杂开采地质条件,煤与瓦斯突出和强冲击矿压等复合动力灾害问题严重制约着煤矿安全高效生产[3]。我国40%以上的煤矿属于高瓦斯矿井。进入深部开采后,95%以上高瓦斯矿井所开采煤层是低透气性煤层,其透气性系数小于0.1 m2/(MPa2·d),高瓦斯低透气性煤层开采一直是世界性难题,要解决煤层卸压增透问题,最有效的方法是采用煤层保护层卸压增透的开采技术[4-7],但如果开采煤层为不具备煤层保护层的单一低渗透煤层,则必须寻求新的卸压增透途径,提高卸压增透效率。
近年来,诸多学者对煤层协同开采理论和关键技术开展了大量理论与实践研究工作,并取得了丰硕的研究成果。曹俊文[8]针对山西煤电集团公司屯兰矿区矿井瓦斯突出的现状,在瓦斯综合治理和综合利用方面进行了大量试验研究工作,总结了一套符合屯兰矿区煤层瓦斯治理和利用的煤与瓦斯协同开采关键技术,有效地减少了大气污染并提高了企业经济,具有重要的意义。张忠温[9]以平朔矿区煤层为研究对象,采用理论分析与现场试验相结合的研究方法,对近距离特厚煤层综放开采技术开展了大量试验研究工作,实现了矿井近距离特厚煤层协同开采关键技术,并达到了矿井安全高效开采的目的。为实现露天煤矿相邻端帮压煤的安全高效开采,贺永军等[10]根据白音华1、2号露天煤矿的开采现状,从经济技术角度出发,对协同开采方案进行了深入探讨和仔细研究,提出了适合该矿区的协同开采方案,有效的降低了平均剥采比,显著提高社会经济效益。此外,文献[11-12]结合具体的工程实践,分别对煤矿矿井资源开采过程提出了相应的协同开采方案,有效的提高了资源回收率、增加煤矿企业经济效益。
笔者针对平顶山天安煤业股份有限公司下属十二矿(以下简称十二矿)不存在常规保护层开采条件的高瓦斯低渗透己15煤层开采难题,提出了“采选抽充用”协同开采技术思路,并具体阐述了协同开采技术框架涵盖的复杂条件保护层开采技术、煤矸井下分选技术、瓦斯立体抽采系统、充填协同垮落式开采技术以及瓦斯地面发电系统。通过在十二矿三水平己一采区成功实施“采选抽充用”协同开采技术工程实践,实现了煤与瓦斯安全高效绿色共采。
平顶山矿区现有14对生产矿井,其中10对矿井垂深超过800 m,产量占中国平煤神马能源化工集团总产量的75%以上。生产区域实测最大瓦斯含量25.6 m3/t,最大瓦斯压力3.6 MPa,全局生产矿井绝对瓦斯涌出量达760 m3/min。这些矿井曾发生过多次煤与瓦斯突出事故,瓦斯灾害严重。以十二矿为例:十二矿是目前矿区开采深度最深的矿井,也是瓦斯灾害最为严重的矿井,历史上已累计发生煤与瓦斯突出20余次。十二矿生产能力1.3 Mt/a,采深从-150 m延深到-800 m,埋深达1 100 m,剩余可采储量为2 384.9万t。十二矿三水平可采储量2 125.3万t,己一采区为矿井目前主采采区,主采的己组己15煤层原始瓦斯含量为15.256 m3/t,原始瓦斯压力1.78 MPa,透气性系数仅为0.077 6 m2/(MPa2·d);己15煤层上覆的己14煤层厚度仅0.5 m,瓦斯压力0.26 MPa。开采己15煤层面临的难题:一是开采深度超过1 100 m,矿井辅助提升压力大;二是己15煤层瓦斯含量高,渗透性低,瓦斯潜在危险大;三是主采己15煤上覆己14煤层赋存不稳定,不具备常规保护层开采的技术条件。因此如何安全高效开采己15煤层,成为亟待解决的工程难题。
十二矿三水平位于矿井井田北部,走向长2 250 m,倾斜宽1 800 m,开采上限标高-620—-840 m。三水平开采己组煤,自上而下为己14、己15、己16、己17煤层,其中己14煤不可采,己15煤层单独存在,己16与己17合层为己16-17煤层。主采己15煤层厚度3.2 m,倾角6°~10°,为优质炼焦用煤;其直接顶为灰黑色砂质泥岩,厚8.5~16.5 m,普氏系数2~5,单轴抗压强度29.4~45 MPa;基本顶为灰白色中粗粒砂岩,厚25~30 m,普氏系数6~10,单轴抗压强度53.9~186.2 MPa;直接底板为深灰色泥岩,厚0.6~1.8 m,普氏系数0.8~3.0,单轴抗压强度8.6 MPa。试采期间己14煤层布置的己14-31010工作面,走向长571.9 m,倾斜长150 m,平均倾角5.5°,煤厚平均0.5 m;己15煤层布置的己15-31010工作面,走向长929 m,工作面面长220 m,埋深1 005~1 166 m。平均倾角5°,试采区域工作面平面布置如图1所示。
图1 试采区域工作面平面布置
Fig.1 Plane layout of working face in trial mining area
针对上述工程难题,提出了协同开采的技术思路,协同开采的技术路线是:复杂条件保护层与被保护层开采时空协同,卸压增透与瓦斯抽采协同以及采选充一体化工艺组织协同。具体表现为针对己15低透气高瓦斯煤层开采,基于被保护层开采的基本要求创造保护层开采条件,通过开采己14煤(岩)保护层解放下部低透气高瓦斯的己15煤层;己14煤(岩)保护层开采产生的高含矸率原煤经井下煤矸分选系统分选,产生的矸石同步运输至己15煤层充填,为了保障充填面的主产能力,提出充填与垮落式协同开采方法,在同一个工作面采用充填及垮落法2种方式管理顶板,借助充填采煤技术[13-16]实现矸石回填;由于保护层采动影响增加了被保护层的透气性,同时在保护层与被保护层中布置了瓦斯抽采系统抽采瓦斯,并在地面布置了瓦斯发电系统,可实现抽采瓦斯清洁利用。整体形成煤(岩)层开采—煤矸分选—瓦斯抽采—充填协同垮落式开采—瓦斯发电利用的“采选抽充用”协同开采集成技术,如图2所示。
图2 “采选抽充用”协同开采集成技术
Fig.2 Collaborative mining integration technology of “mining-dressing-gas draining-backfilling-using”
针对深部低渗透煤层不具备常规保护层的难题,研究提出了复杂条件保护层开采增透卸压方法(图3)。开采突出煤层附近较薄煤层及其附近部分岩层或者全部岩层作为保护层的技术,以保证保护层开采卸压效果、消除煤层突出危险性。由于工作面煤线较薄,开采岩层厚度较大,局部甚至出现全岩工作面,传统综采采煤机难以取得理想的割岩效果,针对复杂条件保护层工作面的开采需采取特殊的开采工艺,如采煤机设备升级,岩层注水软化或爆破预裂。综合国内外对夹矸煤层开采的方法研究,针对复杂条件保护层工作面不同煤岩厚度特征提出了复杂条件保护层工作面煤岩切割方法[17-20]。
图3 复杂条件保护层开采增透卸压方法
Fig.3 Anti-reflection and pressure relief method for protection layer mining under complex conditions
己14-31010及己14-31050工作面为保护层首批开采的复杂条件保护层开采工作面(图1),工作面煤层平均厚度仅0.5 m,设计采高1.9 m。整个保护层80%以上的工作面岩层厚度大于0.8 m,岩石的普氏系数f为7~9。
根据工作面岩层厚度变化情况,将采煤机由原MG320/710-WD型改为MG500/1130-WD型,同时配合爆破预裂进行回采。具体为岩层厚度小于0.6 m时,直接采用采煤机截割破煤岩;岩层厚度达到0.6 m及以上时,先进行爆破预裂,再采用采煤机进行截割,爆破钻孔的设计根据岩层厚度变化实时调整,厚度在0.6~0.8 m时,采用单排孔布置,仰角10°;大于0.8 m时,采用三花孔布置,仰角15°,俯角15°~20°。孔距均为0.5~0.7 m,孔深1.2~1.5 m。
己14煤层复杂条件保护层工作面煤流矸石含矸率高达74%,其中粒级0~13 mm筛下物质量占比达35.4%,灰分为61.5%,分选密度级1.7 kg/L,对煤矸分选很有难度。根据上述特征,结合十二矿实际条件,设计采用13、250 mm三产品齿辊式滚轴筛按粒径对煤流矸石进行初选,再经重介质浅槽分选机按密级进行终选的分选方案。
井下煤矸分选系统主要包括重介质浅槽排矸系统和煤泥水处理系统两部分,煤矸分选工艺包括重介质浅槽排矸工艺和煤泥水处理工艺[21-24]。分选系统整体工艺过程是:首先,选择合适筛孔的滚轴筛对己14复杂条件保护层生产的毛煤进行筛分,使小粒度的筛下物灰分降到一定水平,对筛中物采用重介质浅槽分选机进行回收处理;然后通过煤泥回收系统再次进行煤泥洗选,重介浅槽分选系统整体工艺流程如图4所示。
图4 重介浅槽分选工艺流程
Fig.4 Separation process of dense medium shallow groove
根据矿井实际条件,在三水平西翼运矸巷和运矸斜巷的贯通处布置井下分选硐室。煤矸井下分选硐室水平方向长度为49.7 m,最大高度8.8 m,宽4 m。分选硐室布置XCG-16/28型三产品滚轴筛、辊式破碎机、XZQ1525型重介浅槽分选机等关键分选设备,其中分选机适用于13~250 mm颗粒煤矸分选,分选能力达到220万t/a。煤矸井下分选硐室及关键设备如图5所示。
图5 井下分选硐室布置
Fig.5 Arrangement of washing chamber in underg round mine
瓦斯立体抽采技术主要包括通过高(低)位巷道和沿空留巷对本煤层、邻近层和采空区进行的瓦斯抽采技术[25-28]。针对十二矿的保护层和被保护层工作面分别实施了底抽巷穿层钻孔预抽-卸压截流抽、顺层钻孔预抽-卸压强化抽和沿空留巷埋管抽采的瓦斯立体抽采技术如图6所示。其中对于被保护层己15煤层瓦斯的抽采途径主要分为在己14煤层中进行抽采瓦斯和在本煤层及底抽巷中抽采瓦斯。在己14煤层中抽采瓦斯主要通过在己14-31010工作面下进风巷布置底板穿层钻孔,抽采己15煤层的卸压瓦斯;在本煤层己15煤层抽采瓦斯主要通过在己15-31010工作面进风巷、回风巷施工顺层抽采钻孔抽采本煤层瓦斯;在己15-31010底抽巷每隔5 m向己15煤层施工1组穿层预抽钻孔,对己15煤层的瓦斯进行抽采。采空区瓦斯主要通过在己14下进风巷沿空留巷墙体每隔10 m埋设直径300 mm的抽采管路,抽采采空区瓦斯。
图6 瓦斯立体抽采技术示意
Fig.6 Gas three-dimensional drainage extraction technology
充填垮落式协同开采技术是指在同一个工作面布置充填段和垮落段,充填段与垮落段之间的煤炭资源利用过渡段设备进行开采,各段设备相互协调作业以实现各段工艺在时间和空间上配合完成采煤和充填工艺。目前2种开采方式协同开采煤炭资源已成为常见的开采方法,主要包括高档普采和炮采的协同作业、综采和综放之间的协调作业、综采和炮采之间的协调作业[29-32]。充填垮落式协同开采方法中的充填段布置充填采煤液压支架、刮板输送机以及固体充填材料多孔底卸式刮板输送机等充填设备,充填段主要以处理矸石为目的;垮落段布置采煤机、刮板输送机和液压支架等综采设备以自然垮落式的方法开采煤炭资源;过渡段是为了实现充填段与垮落段之间矿压能够平稳的过渡。在各段系统布置中所体现的特征也各不相同,充填段主要是利用分选矸石、掘进矸石以及地面矸石进行采空区充填,主要目的是处理矸石;垮落段的系统布置特点同传统的综采系统布置特点相同;过渡段的系统布置主要是为了衔接充填段与垮落段之间的设备以及对矿压显现的过渡。充填垮落式协同开采方法的系统布置如图7所示。
1—区段运矸巷;2—固体物料带式输送机;3—自移式固体物料转载输送机;4—采煤机;5—多孔底卸式输送机;6—机头升降平台;7—巷旁充填体;8—固体物料充填体;9—卸料口;10—运煤刮板输送机;11—充填采煤液压支架;12—机尾升降平台;13—过渡液压支架;14—综采液压支架;15—采空区垮落矸石;16—破碎机;17—运煤转载机;18—运煤带式输送机;19—区段运煤巷;
图7 充填垮落式协同开采工作面布置示意
Fig.7 Layout of backfilling and caving collaborative mining face
为充分考虑保护层己14煤层开采过程中的矸石处理量以及过渡段的矿压显现特征,设计被保护层充填与垮落式协同开采首采面为己15-31010工作面(图7),面长为220 m,其中垮落段长度为94 m,充填段长度为120 m,过渡段长度为6 m,开采高度为3.2 m。同时,针对充填与垮落式协同开采工作面的设备选型,需充分考虑其充填能力与采煤能力的相互适应关系以及两者的平行作业,保证充填与采煤作业在时间和空间上相互配合。最终确定充填段设备为:MG400/940 WD型采煤机,SGZ-800/800WS型刮板输送机,ZC5200/20/40型充填采煤液压支架,SZZ764/200型自移式转载输送机以及SGZ764/2×200型多孔底卸式输送机等,其中采煤机和刮板输送机均是常规综采设备。过渡段选择的基本架型与充填段一致,考虑到通风管理、设置机头以及挡矸要求,过渡支架后部设置与机头升降平台连接的耳座、后挡矸装置以及侧挡矸装置。
为充分利用井下抽采的瓦斯,十二矿在地面分别建立了中央地面瓦斯发电站和北山地面瓦斯发电站,其中北山地面瓦斯发电站主要利用己15煤层抽采瓦斯进行发电,如图8所示。北山地面瓦斯发电站利用燃气轮机发电技术进行瓦斯发电,发电工艺流程如图9所示,通过瓦斯泵站抽采出的瓦斯首先经过雷达水封阻火器使得内部温度达到28 ℃,液位达到799 cm,然后经过干式阻火器以及溢流式阻火器,最后经旋风重力脱水器进行脱水后进行燃气发电机组群燃烧发电。同时在工艺过程中采用多级阻火技术,彻底解决回火的安全问题,实现机组高效运行,达到机组发电效率高、持续功率高和运行成本低等特点,实现了抽采瓦斯地面发电清洁利用。
图8 北山瓦斯发电站
Fig.8 Beishan gas power station
图9 北山瓦斯发电工艺流程
Fig.9 Beishan gas power generation process
深部矿区高瓦斯低渗透性煤层协同开采技术在十二矿的应用中发挥着显著作用。自2015年1月至2019年12月,共抽采工作面16个,开采复杂条件保护层工作面4个,解放被保护层工作面6个,开采卸压增透后的工作面和充填协同垮落式开采工作面9个。共解放煤炭资源588.0万t,回采煤炭资源381.5万t,抽采瓦斯9 087.9万m3,瓦斯发电6 084.8万kW·h,处理井下矸石72.1万t。
在瓦斯抽采利用方面,十二矿建成4座瓦斯抽采泵站、3座固定瓦斯抽采泵站和1座井下移动瓦斯抽采泵站,泵站综合抽采能力达到1 200 m3/min以上。建成2座瓦斯发电站,中央发电站安装4台500GF1-3RW型低浓度煤矿瓦斯发电机组,现运行2台,日发电量1.8万kW·h左右;北山瓦斯发电站安装3台型号700GFZ-RWD-TEM2-3瓦斯发电机组,现已全部运行,日发电量4.0万kW·h左右,全矿日发电量6.0万kW·h左右,全年节约用电成本900万元左右。
1)针对平顶山矿区的地质概况以及煤层的赋存条件,提出采用协同开采技术的思路解决十二矿当前的工程难题,其技术线路为:复杂条件保护层与被保护层开采时空协同、卸压增透与瓦斯抽采协同以及采选充一体化工艺组织协同。
2)“采选抽充用”协同开采集复杂条件保护层开采、井下煤矸分选、瓦斯立体抽采、充填与垮落协同开采、瓦斯地面发电技术于一体,实现了平顶山矿区深部高瓦斯低渗透煤层的安全高效开采。自2015年1月应用以来,共解放煤炭资源588.0万t,抽采瓦斯9 087.9万m3,瓦斯发电6 084.8万kW·h,处理井下矸石72.11万t。
3)形成的高瓦斯低渗透煤层的安全开采模式,可提高深部矿井煤炭资源的回收率,拓展煤炭资源的开采方法。同时,避免了矸石在地面的堆积对地表环境造成的影响,在同类矿井中具有很好的推广价值。
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