近全岩保护层开采煤矸井下分选及充填一体化技术研究与应用

结合平煤十二矿深部突出矿井的地质特点,针对己15突出煤层需要卸压开采但不具备常规保护层的问题,提出了近全岩保护层开采理论,将仅含煤线厚夹矸的全岩或近全岩层设计为保护层;针对高夹矸煤一次采全高设备损坏率高的难题,通过硬岩辅助预裂爆破软化处理工艺实现了煤岩快速截割。其次,鉴于近全岩保护层开采过程中矸石产量大的问题,平煤十二矿结合现场实际工况合理高效地布置了煤矸井下分选系统,研发了适用于千米深地煤矿井下洗选一体化设备,实现了矿山灾害防治和矿山安全高效生产。最后,采用阻化剂对矸石进行阻化处理,研究了井下充填工艺与方法,形成了深部突出矿井的安全、绿色开发模式,对我国同类矿井的开发具有一定的参考价值。

深部矿井近全岩巷道稳定性评价

结合平煤十二矿己_(14)-31010近全岩工作面的工程地质条件、施工情况以及支护情况,采用模糊综合评价法与层次分析法相结合的方法,对影响该深部矿井近全岩巷道围岩稳定性的因素进行分类,并构建了巷道围岩稳定性评价指标体系。从低到高的对各层次影响因素进行评价,得出支护情况对于巷道围岩稳定性的影响最为显著,并最终判定该近全岩巷道围岩稳定性等级为不稳定,需进一步优化支护方式与支护参数,提高巷道围岩稳定性。

近全岩薄煤线综采面合理层位高度优化研究

针对将极薄近全岩煤层作为主采煤层的保护层开采的技术难题,为了实现近全岩工作面安全稳定回采,以平煤十二矿为研究背景,在分析近全岩煤层赋存状况与围岩物理力学特性的基础上,通过理论计算与数值模拟相结合的方法,研究了近全岩薄煤线工作面在设计采高范围内的最优层位布置高度,得出薄煤线层位高度为设计采高2 m范围内的0~0.5 m时,为近全岩工作面的最优开采方案。平煤十二矿己14近全岩工作面开采结果表明,该薄煤线层位布置方案合理,实现了近全岩工作面安全高效回采,具有重要的经济、社会效益。

近全岩保护层开采理论研究及工程实践

保护层开采是解决高瓦斯低透气性突出煤层的有效办法。在不具备常规煤层保护层开采条件的工程背景及技术难题基础上,提出近全岩保护层开采的技术思路。基于平煤十二矿主采煤层工程地质条件,总结了近全岩保护层开采优化设计原则,通过分析煤层膨胀变形率、应力变化特征及现有装备水平和经济技术因素,优化得出保护层与被保护层间距为12 m、保护层开采厚度为1.9 m;基于己14-31010近全岩保护层工作面煤岩体揭露情况,优选出综采液压支架、采煤机和刮板输送机等关键近全岩开采装备;设计了采煤机配合爆破预裂的破煤(岩)方式,并针对性设计单排眼和三花眼的辅助爆破工艺。实施己14-31010近全岩保护层工作面开采后,己15-31010被保护层工作面瓦斯压力由1.80 MPa降低至0.35 MPa,残余瓦斯含量仅1.28 m3/t,抽采率提高至66%,表明近全岩保护层开采瓦斯治理效果显著。

深部矿井近距离极薄保护层与被保护层协同开采技术

针对深部近距离煤层群条件下,高地应力、高瓦斯、低渗透性和低强度煤体的开采、抽采难度大等技术难题,提出了"复杂条件保护层开采—煤矸分选—瓦斯综合治理"的协同开采技术。在平顶山矿区十二矿进行了工程实践,建立了井下煤矸分选系统,实现了煤矸分选与矸石井下回填;同时建立了瓦斯立体抽采系统、地面瓦斯发电系统和瓦斯发电余热利用系统,实现了瓦斯高效抽采及清洁利用。结果表明:协同开采技术在十二矿的应用取得了显著的经济和社会效益,实现了煤与瓦斯安全高效绿色共采,为地质条件相似的矿井提供了重要的技术借鉴。

大埋深高承压水双层结构底板破坏机理及应用研究

平煤矿区首次开采近全岩下保护层工作面用于解放其上部受瓦斯突出威胁的己组煤炭资源,近千米埋深开采近全岩层势必加大底板破坏深度,一旦扰动隔水层内L5弱富水性含水层形成寒灰水间接补给通道,影响工作面底板安全稳定。为此首先建立双层结构底板塑性滑移线场理论模型,推导出三种工况下双层底板最大破坏深度解析解;然后通过自主设计的孔隙水压力(弹簧)和地层有效应力(千斤顶)协同工作的相似模拟试验平台,基于数字图像相关技术模拟分析了采场顶底板变形形态和破坏特征;最后使用钻孔应变测量方法在平煤十二矿己_(15)-31040近全岩工作面开展底板破裂发育形态现场监测。结果表明:采用双层结构底板塑性滑移线场理论计算出己_(15)-31040近全岩工作面底板最大破坏深度为16.59 m;相似模拟试验揭示了底板破坏集中于开切眼及工作面两端,具有明显滞后破坏特征,最大破坏深度为17.8 m,工作面推进159.9 m进入充分开采后,底板应力逐渐恢复;现场实测结果显示底板岩体在工作面前方7.9 m出现压剪滑移破坏,工作面推过钻孔前后底板分别表现出压剪和拉剪破坏,底板最大破坏深度介于16.5~18 m。现场实测与理论计算和相似模拟试验结果较为吻合,研究成果有利于推动大埋深、高承压煤岩层开采底板水害防治技术的进步。

“采选抽充采”集成型煤与瓦斯绿色共采技术研究

在总结综合机械化固体充填采煤技术研究进展的基础上,提出实施"采选抽充采"集成型煤与瓦斯绿色共采的现实需求与意义,并着重阐述了高瓦斯低渗透煤层开采技术、井下煤矸分选技术、混采工作面开采技术,提出了"采选抽充采"共采技术的基本原理。结合平煤十二矿存在的埋深超千米辅助提升困难、主采煤层瓦斯含量高与渗透率低、上覆煤岩体不具备常规保护层开采条件以及依靠开采"建筑物下"压煤保障矿井产量的开采条件,介绍了该矿"近全岩保护层开采→煤矸井下分选→瓦斯卸压抽采→充填与综采混合开采"的集成型共采技术的主要系统设计及工程应用效果。研究表明:"采选抽充采"集成型煤与瓦斯共采技术实现了高瓦斯低渗透煤层安全高效开采以及矸石直接井下回填,拓展了保护层与充填开采技术,提高了矿井资源采出率,延长了矿井服务年限。

“采-选-抽-充-采”一体化开采模式应用研究

针对平煤十二矿煤层瓦斯治理、矸石排放污染、高瓦斯低渗透无常规保护层等一系列开采问题,综合运用"采-选-抽-充-采"一体化循环开采模式,摒弃了传统落后的开采理念,从根本上解决了十二矿高瓦斯、突出煤层的瓦斯防治难题,缓解了千米深井矸石堆放造成的环境压力,实现了高瓦斯低渗透无常规保护层煤层的煤与瓦斯协同开采,大大提高了十二矿的煤炭产量,"采-选-抽-充-采"循环开采模式在十二矿的成功应用,为高瓦斯低渗透煤层的安全高效开采提供了一体化的技术途径。