薄煤层智能开采技术研究现状与进展

2021-09-06李军

山西化工 2021年4期

李军

(山西汾西瑞泰正中煤业，山西灵石 031300)

引言

知识型矿业是我国煤炭工业发展的一个新阶段和新趋势，这也是我国煤炭工业现代化和转型的必由之路。当前，我国的煤矿仍处于智能采矿的早期阶段。薄煤层的智能开采是基于绿色开采的概念，它使用一整套智能采矿设备和人工智能技术来实现工作面的大规模、安全、高效和环保开采。由于我国薄煤层的多样性，难以实现智能开采。同时，由于地质条件的不同，开采薄煤层的技术也有所不同。因此，需要用于各种类型的薄煤层的采矿技术。对我国薄煤层技术研究现状的分析和综合分析，是基于薄煤层开采的高效率，安全性和环境目标，从提高井底采收率。

1 薄煤层开采技术研究现状

1.1 矿井开采设计

薄煤层(工作面)的开发断面小，工作面生产率低(不到50万t/a)，并且难以大规模开采。

在我国，薄煤层的长度通常为1 000 m～300 m(约占70%)，而这种趋势大多为400 m～800 m(约占71%)。该地区的生产储备通常在1万t～150万t。通常，在5个以上工作面的区域中，单面库存量小于20万t，回收率大于100 m/10 000 t/10 000 t，某些煤矿、薄煤的大小和频率分布图，如图1所示。薄煤层工作面的长度通常小于150 m(76%)。年产量大多不到50万t，局部薄煤煤层工作面长度及生产率分布，如图2所示。

图1 某些煤矿薄煤层的大小和频率分布

图2 局部薄煤层工作面长度及生产率分布

“煤层薄，设备厚”的现象很普遍，导致大量的浪费，造成高比例的煤炭浪费和严重的设备损失。通过对内部薄煤层的采矿业的实际情况研究，如图3所示。①半碳岩车道的最小车道开挖高度很高。与薄煤层的厚度(小于1.3 m)相比，散布在2.2 m～2.6 m(75%)之内，存在超高开挖问题，导致巷道破坏率几乎达到50%；②处理薄煤层多数情况下，井底高度超过1.1 m，有的甚至超过1.5 m，碎石超过0.2 m，废石含量超过20%。在一次薄煤层的开采中，有必要综合考虑薄煤层切割的影响。长壁综采设备的采矿作业设计和技术，增加了采煤区的面积(面)，并开发出一套完整的薄煤层智能开采技术与装备。

图3 部分薄煤层采掘工作面实际高度统计

1.2 薄煤层智能化开采

自动稀薄煤矿开采技术的研究始于1890年代的美国、英国、德国、澳大利亚和其他国家，并取得了显著成果。其中，德国DBT公司已成功开发了基于全自动，机械化PM3系统的电动液压控制系统，用于开发薄煤层。美国JOY公司开发了用于薄煤层的计算机辅助综合切割系统。

1.3 极薄煤层螺旋钻采煤机开采

螺旋采煤机是一种煤矿采煤机，可以解决开采厚度小于0.8 m的极薄煤层的问题，提高煤炭资源的采收率。这也是缓解区域压力和采矿安全的重要手段。例如：破碎煤在工作台上安装并运送煤炭。道路设备的维护是在工作台外部进行的。无需人工干预即可完成煤矿开采，这使工人免于繁重的劳动。恶劣的工作条件和较高的生产率以及更少的员工，提高了矿井中煤炭资源的开采系数，该方法通常用于结实的石头块和细薄的木炭接缝，倾斜角度在重采矿的情况小于15°。用于角煤开采。三层采煤和软顶煤层津贴及各种煤柱。

2 薄煤层保护层智能化开采进展

2.1 卸压开采应力-损伤-渗流耦合机制

开采完薄煤层后。上升的岩石结构形成典型的“三带”结构，即山体的崩落带，断层带和弯曲沉降带层。卸压开采工作面围岩结构区域划分，如图4所示。

图4 卸压开采工作面围岩结构区域划分

了解薄煤层工作面上围岩的应力-损伤-渗流内聚机理，是准确评估采矿作业缓解压力有效性的基础。通常认为位于沉降曲线以上区域的煤层和焊锡裂缝区域以下的煤层相对完整，没有明显的大裂缝，并且煤层处于弹性阶段。油基渗透率和产气模型普遍适用；煤层位于上覆断裂带中，而下覆下部断裂带中的煤层通常经历剪切或拉伸断裂，从而导致较大的断裂。由于裂缝对渗流的影响更大，国内外科学家对裂隙岩体的应力渗流进行了更多的实验室测试，尤其是渗透到大裂缝中时，提出了一种通过裂缝的渗流组合模型。

2.2 长壁开采极限卸压采厚

在某些地质条件下，例如煤层之间的间隔，采矿过程中覆盖层厚度的选择直接影响采矿过程中压力降低的效果。采矿期间覆盖层厚度的确定通常与煤层的倾斜角度，煤层的深度，层之间的间隔，层之间的岩性以及层之间是否存在关键层等因素相关。由于许多原因，使用理论公式或基于经验公式的估计进行直接计算的准确性较低。因此，通常使用数值模型或类似模型基于应力，应变和裂纹扩展进行判断和选择。作为覆盖层的煤层通常是厚度较小的薄煤层。在许多情况下，煤层的厚度大于煤层的厚度以满足采矿要求。为减少数量，必须指定采矿作业的最低临界覆盖率。屠世浩等基于应力-裂纹-渗流黏附模型，提出了一种通过合理确定不同工作厚度下盖层渗透率的演变规律，确定合理的工作厚度并限制工作厚度的方法。保护层的磁导率的变化，如第40页图5所示。使用该方法得出的结论是，随着保护层生产厚度的增加，保护层的磁导率呈S形变化，并且受保护层的磁导率相对于材料的对数函数的公式如下：生产厚度。提出了该方法，当计算出保护层的厚度时，其厚度从2.2 m减小至1.9 m，废石的生产率降低了9.6%，并且在长孔全机械化下安全地进行了压力释放底部。同时实施。

图5 卸压开采参数与渗透率演化

2.3 钻采卸压增透合理参数

在某些极薄的煤层中，使用螺旋钻开采极薄的覆盖层不仅具有简单的工作面布局，更少的设备和简单的自动化，而且还可以有效地减少因顶板和重叠而切割的岩石量。降低采矿成本并避免长期使用。墙轴的高度过高会损坏要保护的煤层。在常规钻井中，由于支撑顶板的间隔较大的煤柱，保护层主要形成层间拉伸裂缝，难以达到卸压增渗的效果。从采矿设计的角度来看，袁永等[1]提出了一种新的随钻卸压方法以增加渗透率，即通过改变放置煤柱的方法，增加一个钻头的宽度，减小位置的宽度钻机之间的煤柱。井和钻井坡度采矿作业对岩石扰动的影响。中间碳柱的尺寸必须满足临时支撑要求，以防止粘连和延迟的压缩失效，从而避免应力集中。当工作面移动一定距离以防止屋顶积聚并引起钻杆事故时，将临时的宽煤柱彼此间隔一定距离以支撑屋顶，并且将临时的宽煤柱间隔一定距离。在下一个临时宽煤柱被搁置之前回收；迫使覆盖层完全移动并最大程度降低降压和渗透率的影响，如图6所示。在钻井和生产过程中采用新的卸压参数的情况下，该间隔的煤柱在生产过程中会滞后一定距离进行破坏，如图7所示，这可能有助于覆盖层中更完整的运动和应力释放。展开范围保护层的裂缝更宽，渗透率显着提高，如图8所示。

图6 钻采过程示意

图7 间隔煤柱的垂直应力分布

图8 不同钻采方式被保护层渗透率分布特征

2.4 高瓦斯薄煤层综采工作面割煤速度调控

薄煤层主要用作煤层中的泄压层。工作面的气体含量很高，尤其是工作面的上角很容易超过极限。在一个煤层薄保护层的一个机械化的井眼的角落，提出了一种工作方法：一种基于对地表瓦斯浓度的反馈自动控制切割速度的策略。现场测试结果表明，顶角处的气体浓度始终高于采煤机切割位置处的气体浓度。因此，必须在上拐角处的气体浓度的控制下对工作面中的气体浓度进行控制和监视[2-4]。