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煤炭开采与岩层控制的时间尺度分析

2020-02-22纪宝玉

科学导报·学术 2020年53期
关键词:煤炭开采静态时效性

纪宝玉

【摘 要】论述煤炭开采与岩层控制研究中涉及到的不同时间尺度,从全球最早的成煤地质年代到超动态的亚微秒级。包括不同成煤期,世界煤炭开采历史,矿区、矿井的服务年限及开采参数,静态、动态煤岩力学试验,煤岩破碎,围岩变形与破坏及煤矿动力灾害的时间尺度分布。指出煤炭开采与岩层控制研究的时间尺度集中分布在10-7~1016s,跨23个数量级。煤岩破碎、采掘空间维护是煤炭开采与岩层控制的两大任务,前者涉及凿岩、爆破、机械截割振动等动态问题,研究时间单位常用秒、毫秒、微秒;后者包括采场与巷道围岩控制。采场是 移动场所,围岩变形、破坏、垮落及支架阻力变化较快,常以分、小时为时间单位;巷道服务时间较长,围岩变形与破坏的时效性较强,描述巷道变形与支护体受力变化的时间单位多为天、周及月。冲击地压等煤矿动力灾害持续时间仅为几秒到几十秒,研究冲击地压发生、发展及破坏过程,煤炭开采实现了重大技术革命。但大规模煤炭开采也带来一系列问题,如何继续做好煤炭开采与岩层控制工作,需要新思路、新工艺、新技术。

【关键词】煤炭开采;岩层控制;时间尺度;静态;动态;围岩变形;时效性

本文以时间为主线,介绍国内外煤炭开发历史,煤炭开采与岩层控制在不同时间尺度的主要研究内容,煤炭开采参数的时间尺度,煤岩力学试验时间尺度,及煤岩破碎、变形与破坏的时间尺度,以期对煤炭开采与岩层控制技术研究在时间上有一总体了解。

1. 成煤年代与构造运动

成煤年代与构造运动的时间尺度煤是埋藏在地下的古代植物,经过漫长、极其复杂的生物化学和物理化学变化形成的固体可燃性有机岩。煤的形成与古植物、古地理、古气候和古构造密切相关。煤炭在整个地质年代中,主要有三大成煤期。古生代的石炭纪是第1个重要的成煤期,与后续的二叠纪合并称为石炭―二叠纪成煤期,该期的成煤植物主要是蕨类植物,烟煤和无烟煤为主要煤种;中生代的侏罗纪为第2个重要成煤期,接下来的白垩纪也有煤炭形成,该期成煤植物主要是裸子植物,主要煤种为褐煤和烟煤;新生代的古近纪和新近纪为第3个重要的成煤期,成煤植物主要是被子植物,煤种以褐煤为主,也存在年轻烟煤。可见,不同成煤期形成的煤种、煤的成分、煤化程度、煤的物理化学力学性质等均有所不同。当成煤环境温度、压力相近的情况下,经历的时间越长,煤化程度越高。成煤期的时间尺度为1013~1016s。从地质年代的尺度,可分析研究时间对煤炭形成、演化过程的影响。

2.煤炭开采技术发展历史

井工煤矿开采技术经历了手工开采、爆破开采、普通机械化开采到综合机械化开采的发展过程,采煤工艺经历了巷式、柱式到壁式的发展过程;落煤方式经历了手工刨煤、爆破落煤、机械割煤、机械割煤+放顶煤的发展过程。古代的煤炭开采一般用平硐、斜井或小立井方式,自然通风、人工排水,用镐刨煤,箩筐背煤,采煤 与掘进基本没有区别,属于手工开采。随着蒸汽机的发明及应用,使煤炭开采进入机器开采时代。蒸汽为提升、通风及排水提供动力,后来又发明了蒸汽驱动的圆盘式截煤机,大幅提升了生产效率。气动冲击式凿岩机、安全炸药的发明及在煤矿的应用,革新了煤矿开采与掘进技术。世界机械化采煤始于20世纪40年代。英国、德国、前苏联相继研制出采煤机、刨煤机,使工作面落煤、装煤实现了机械化。1954年,综合机械化长壁开采技术在英国问世,是世界采煤史上的一次重大技术革命。随后德国、前苏联、波兰等国家进行了综采技术的试验与应用。美国一直大量采用房柱式开采,在20世纪50年代从德国引进综合机械化长壁开采技术,70年代中期又从德国引进掩护式液压支架,使得长壁综采技术得到认可和广泛应用。目前,综采已成为世界主要产煤国家的主体采煤技术。

3. 采场围岩变形与破坏

采煤工作面是直接开采煤炭的场所,开采顺序包括工作面安装、初采、正常推进、末采及工作面回撤。采煤工作面的主要特点是作业场所不断移动,顶板不断处于暴露—支护—垮落的循环过程,液压支架对顶板岩层的作用不断处于加载与卸载的状态。上述特点决定了采场围岩变形与破坏随时间的变化规律。随着工作面从开切眼不断推进,顶板岩层将依次出现直接顶垮落、基本顶初次垮落、周期垮落,从而引起采场围岩变形、应力与支架阻力的不断变化,这些变化均与时间有关。顶板下沉、围岩应力重新分布、顶板岩层与煤壁破坏及采空区矸石压实均需要一定时间完成。如初次来压的持续时间一般为1~3d,周期来压持续时间一般较短。描述采场围岩变形的参数有顶板下沉量、顶板下沉速度(mm/min,mm/h)等。顶板下沉量由落煤、放顶引起的下沉量及两者间隔期间的下沉量组成,落煤与放顶造成的顶板下沉一般在较短的时间内(1~2h)即可完成。顶板下沉速度从每小时几毫米到几十毫米不等,当顶板发生突然垮落时,顶板下沉会瞬间剧烈增加甚至出现压死支架的现象。

4. 巷道围岩变形与破坏

与采场相比,巷道开挖空间较小,但维护时间较长。维护时间最短的是工作面开切眼,从掘进到工作面设备安装完毕,少则1~2月,多则6个月。回采 巷道的维护时间一般为1~2a,当服务两个或多个工作面时(沿空留巷、多巷布置的留巷等),维护时间要成倍增加。即使对于同一条巷道,先掘的部分比后掘的部分维护时间要长。如对于一条2000m的巷道,平均掘进速度为300m/月,最先掘进地段比最后掘进地段的维护时间长6.7个月。采区集中巷的维护时间从几年到十几年不等,而大巷、主要硐室的维护时间多为十几年到几十年,有的与矿井服务年限相当。

5. 结论

(1)煤炭开采与岩层控制研究的时间尺度集中分布在10-7~1016s之间,跨23个数量级。从地球上最早的成煤期到岩石动载试验中的亚微秒量级。

(2)在地质年代的时间尺度上,可研究煤的形成与古植物、古地理、古气候和古构造的关系;不同成煤期煤的种类、成分、煤化程度、煤的物理化学力学特性;构造运动对煤盆地形成与演化、煤层赋存条件与分布、煤岩体应力场演化的影响等内容。这些煤田地质领域的研究内容对煤炭开采的地质保障具有重要作用。

(3)井工煤矿开采需要根据煤田分布,划分成不同矿区、矿井、水平、采区、区段进行,不同阶段的时间尺度不同。一个矿区的开采年限一般为几十年到二三百年,而采煤工作面的服务时间一般为几个月到1~2a。煤炭开采的任何工序均需要一定的时间完成。煤炭开采涉及的很多参数与时间有关,如产量、进尺、速度、能力、流量等,常用的时间尺度从毫秒到年。

(4)煤岩力学试验是煤炭开采与岩层控制的重要研究内容。按试验时间可将煤岩力学试验分为静态和动态试验,按照应变率大小可细分为蠕变、静态、动态及超动态。煤岩蠕变试验加载时间可从1h到数月,有的甚至达几十年,时间尺度范围达103~109s。动态试验主要用于凿岩、爆破、采掘机械振动、冲击地压等动力现象的研究。当应变率达102s -1量级时,岩石的破坏时间仅为几十微秒。最快的動载加载时间可达到微秒、亚微秒量级。

参考文献:

[1]曹代勇,宁树正,郭爱军等.中国煤田构造格局及其基本特征[J].矿业科学学报,2016,

[2]曹代勇,景玉龙,邱广忠等.中国的含煤岩系变形分区[J].煤炭学报,1998,

[3]马施民,杨雯,等.我国含煤地层区划的再认识[J].煤炭科学技术,2013.

(作者单位:黑龙江龙煤矿业工程设计研究院有限公司)

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