煤层开采采煤方法的选择、运用

2022-10-31

引言

煤炭工业在我国的国民经济中是最为重要的基础产业之一, 对我国煤炭开采技术进行不断探索, 使高效开采的目标得到有效实现, 并进一步加强采煤安全与环境保护工作的力度, 无论是对国民经济建设水平的提升, 还是对煤炭工业的可持续发展, 都将起到积极的推动和促进作用。受绿色开采、环保开采技术尚未普及的影响, 国内的采煤作业往往会对周围环境造成不同程度的威胁, 具体体现在以下几个方面: (1) 危害水资源。采煤作业对于水资源的危害体现在地下水位下降以及地下、地表水资源污染两个方面, 轻者引起农作物减产、破坏地表植被, 重者还会导致土壤沙化的恶劣后果。 (2) 危害土地资源。采煤作业对于土地资源的危害较为突出, 如地表塌陷、矸石山占地等。 (3) 排放有毒有害气体。伴随着采煤作业, 矿井中存在的有毒、有害气体会经通风系统直接排入大气。在政府部门大力提倡可持续发展的今天, 如何实现煤矿企业经济和社会效益的统筹兼顾, 就成为了摆在产业相关部门面前的一道亟待解决的问题, 而绿色、环保采煤技术的应用无疑是一种切实有效的解决方案。

一、绿色开采及相关技术的选择与应用

所谓绿色开采, 就是指对环境经济中的绿色工业原则进行严格的遵循, 实现生产活动与环境保护的协调一致, 最大程度实现兼顾高效生产与最低污染的工作目标。从广义的角度来看, 绿色开采技术是指对煤矿开采过程中一切可供使用的资源进行有效利用, 避免或尽可能降低采煤活动对周围环境的影响, 使煤矿的社会效益和经济效益能够得到更好的实现。根据各自环保目标的不同, 目前较为成熟的绿色开采技术可划分为以下几种类型:

1. 保水开采技术

保水开采的目标是在有效保护水资源的同时, 实现采场突水的防治, 使采煤作业对矿区水文环境的扰动量始终低于区域水文环境容量。保水开采技术基于对地下水漏斗形成机理以及开采后上覆岩层破断规律的研究, 主要从地面注浆、采煤方式等方面进行改进, 最终实现矿井水资源综合利用与保护的目标。目前, 保水开采技术主要包括以底板加固为主导技术的保水开采、减小导水裂隙带高度的保水开采等, 实现途径主要为对开采区域进行合理选择以及预留防水 (砂) 煤 (岩) 柱。

2. 保护土地及建筑物开采技术

首先, 充填开采。开采厚度与地表下沉问题间存在正相关的关系。当顶板的管理采用全部冒落法进行时, 地表下沉量一般可达到采高的60~80%。而在改用水砂充填法后, 地表下沉量则可减少到采高的8~20%。在采用充填采煤法时, 采空区的填充程度将直接影响地表下沉量的控制水平, 一般来说, 采用密实水砂充填, 地表下沉系数为0.02;采用矸石风力充填, 地表下沉系数为0.6。

其次, 条带开采。条带开采是我国采煤作业中对地表沉陷进行控制的重要技术, 该技术的主要原理为:对需要开采的各层进行划分, 使其成为条带状。在开采过程中, 按照采一条、留一条的方式进行作业, 保留下来的条带状煤柱具有对上覆岩层的支撑功能。这样起来, 地表的移动和变形问题就得到了有效控制, 覆岩沉陷问题的发生率有效降低, 最终实现保护地面的工作目标。

第三, 限厚开采。煤层开采厚度的确定以满足建筑物所要求的保护等级以及不产生地表积水为依据, 仅对确定厚度的煤进行开采, 以此实现避免地表沉陷、保护土地资源和建筑物的目的。

第四, 三步法开采。三步法开采的作业流程为小条带开采→注浆充填采空区→开采剩余条带, 具体来说, 就是进行条带状工作面的设置, 开采结束后, 对采空区进行注浆充填和加固, 使破裂岩体的承载能力得到有效恢复, 通过覆岩结构控制上覆岩层的移动。

最后, 覆岩离层注浆。覆岩离层注浆就是通过地面钻孔的方式, 将液体充填材料高压注入采空区上方覆岩中的离层带, 以此实现控制覆岩下沉和地表沉降的目标。

3. 煤与瓦斯协调开采技术

煤与瓦斯协调开采技术主要涉及井下瓦斯抽采技术、地面钻井瓦斯抽采技术两方面内容。其中, 井下瓦斯抽采技术以国内煤层气渗透率较低的特点为依据, 利用采煤作业增大煤层渗透性的特点, 对卸压瓦斯进行同步采集。地面钻井瓦斯抽采技术涉及钻井、完井、采气、地面集气处理生产系统, 在矿区和非采煤作业区均可应用。

4. 洁净开采技术

洁净开采技术是指在源头上控制采煤作业引起的污染问题, 将采煤对周围环境的污染和危害降到最低水平, 同时使开采质量得到最大程度的提升的一种煤矿开采技术。

首先, 矿井的开拓与巷道的布置。 (1) 全煤巷开拓。该方案是实现矿井清洁开采的最优选择, 全部巷道均设置在煤层当中, 这种做法不仅能够有效降低环境危害, 而且建设周期短, 采煤作业在建设期内即可开展, 经济和社会效益非常可观。 (2) 以自然条件作为采区边界的划分依据, 即沿着火成岩侵入带、变薄带、断层带进行巷道的开拓。 (3) 煤层配采。以煤层集中巷替代岩石集中巷进行采区准备, 以实现减少矸石的工作目标。

其次, 采掘工艺。采煤工艺直接影响着地面环境和原煤质量, 只有根据煤矿自然条件和企业技术条件对采煤方法进行合理选择, 才能真正实现清洁开采。对于半煤岩巷、煤巷而言, 无论是机掘还是炮掘, 只要技术得当, 同样可以做到煤岩的分掘和分运, 实现矸石不出井的目标。其中, 半煤岩巷道可采取宽巷掘进或分掘、分运;全煤巷道只要不涉及破底挑顶, 同样能够高水平的完成煤中矸石分拣任务, 提升掘进煤质量。

第三, 井下矸石充填。 (1) 采空区条带充填技术。所谓采空区条带充填技术, 就是在煤层采出后、顶板冒落前, 对采空区的部分空间充填矸石材料, 形成具有支撑覆岩功能的条带状充填结构。只要条带状结构能够得到长期稳定的维持、未充填采空区宽度小于覆岩关键层的初次破断跨距, 就可以实现控制地表沉陷的目标。 (2) 条带开采冒落区注浆充填技术。目前, 国内建筑物下压煤开采普遍应用条带开采技术, 该技术的缺点在于, 煤矿的采出率一般不超过50%。而条带开采冒落区注浆充填就是在采用条带开采模式的情况下, 通过井下或地面钻孔的方式, 对采出条带已冒落采空区的破碎矸石进行注浆充填, 通过共同承载体的形成使留设条带的宽度得到有效缩短, 最终实现提高采出率的目标。

5. 煤炭地下气化技术

该技术指的是在各层付存点直接获取可燃气体, 即在井下使固态矿物能源变为气态能源, 并通过钻孔直接输送至地面。煤炭地下气化技术的工作原理是:通过燃烧等手段, 将高分子的原料煤转化为低分子气体, 根据气化原理, 想要对该技术进行运用, 就必须在井内建设煤气发生炉, 即将地面的生产车间搬至地下。目前, 国内煤矿大多采用矿井式、无井式两种气化方法。其中, 矿井式是指由地面向煤层凿进, 完成井筒的设置后, 通过煤层平巷进行连通, 随后点燃煤层并产生煤气, 该方法的缺陷在于存在一定的漏气可能。无井式气化方法将井筒用钻孔替代, 并完成两钻孔间的连通, 随后点火形成火道进行燃烧。