1、附录A煤与瓦斯突出矿井无人工作面开采保护煤层的研究方新秋，何杰，赵俊杰中国矿业大学矿业工程学院，煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 221008摘要：为解决煤矿开采技术、装备普遍落后，煤炭资源回收率低、安全以及死亡率高的问题，基于科学采矿的理念，提出高度自动化与传统综采工艺相结合的无人工作面开采技术，同时提出了在煤与瓦斯突出煤层组的无人工作面开采保护煤层的概念，以便释放其它高瓦斯煤层。有煤与瓦斯突出的沙曲煤矿正在开采作为保护煤层的3号煤，同时进行巷道、设备选型和开采方法的设计。最后，通过理论分析和数值模拟，设计出瓦斯抽放的方案，对工业试验的3号煤层提供了科学的依据和方法。关键词：科学采
2、矿；煤层组；保护层；无人工作面；瓦斯抽放1 简介科学采矿是指在安全和环保的前提下最高效率的开采技术。中国的煤炭产量很大，先进的采矿设备必须适应现代矿山建设，此外，无人工作面也应用在一些困难的条件下，如薄煤层或煤与瓦斯突出煤层。虽然开采技术发展迅速，但是整体水平还是比较落后的。为了解决这个问题，改善现状及保持煤炭资源的可持续利用，作者提出了在煤与瓦斯突出矿井中无人工作面开采保护煤层。以释放其它被保护煤层的瓦斯，达到减少瓦斯浓度的目的，从而有一个安全的采矿工作环境。最后，达到安全、高效的绿色开采。2 开采高突出矿井保护层煤层组是中国高瓦斯采矿区域的特征之一，同时煤层的渗透率很低。因此，瓦斯是妨碍这
3、类矿井安全和高效开采的主要因素。保护煤层开采已被广泛应用于中国这些高突矿井以解决这个问题。此外，在高突矿井开采煤层组条件下，这是防止区域瓦斯突出的最科学的方法。在有煤与瓦斯突出危险的矿井有一煤层组时，首先开采无突出煤层或基本无突出煤层，这类煤层叫做保护层。 保护层开采后，原岩应力被破坏。此外，随着顶板和底板的变形，应力将会重新分布。顶板被划分成垮落带，裂隙带，弯曲下沉带，底板会隆起和断裂。断裂包括层状节理和交叉裂纹，底板断裂发展的程度与各岩层之间的距离成反比。根据煤矿的具体地质条件，通过层与层之间的相对距离，瓦斯抽放的方法可以分为短距离，中等距离，长距离，它为煤层组瓦斯治理提供了理论依据。实践
4、证明，开采保护层会使上部煤层瓦斯透气性增加10003000倍，同时会使下部煤层瓦斯透气性增加大约1000倍。这为瓦斯抽放提供了很好的条件。所以瓦斯透气性增强的效果可以通过各种钻孔或巷道布置，充分利用于提取瓦斯，不仅可以保证矿井安全生产，而且可以保证被高效提取的绿色瓦斯能源用于工业。具体方法如下：（1）地面抽采瓦斯。该方法成功地应用于美国，除此之外，淮南、淮北和铁法局也测试或应用过。尽管取得了一些成果，但是钻孔的稳定性不是很好，打破了以往在中国与美国间不同地区条件的服务年限和上覆岩层的运动的影响。（2）利用煤层中钻孔和巷道的布置提取瓦斯的方法广泛应用于解决瓦斯突出问题。3 无人工作面可行与应用型
5、分析3.1 可行性分析现代无人工作面的提出以科学采矿和综合利用煤炭资源为原则。根据中国的具体情况，分析了无人工作面的可行性：厚煤层和中厚煤层瓦斯涌出比薄煤层困难，所以薄煤层是保护层的第一选择。目前，尽管厚煤层和中厚煤层的自动机械化开采程度相对较高，但是在薄煤层却很低。炮采是薄煤层开采的主要方法，一方面，采出率低，局部的煤炭资源丢失严重，另一方面，工作面环境恶劣和劳动力强度大。考虑到这些不利因素，许多煤矿放弃开采薄煤层。这种行为不仅严重浪费了煤炭资源，而且缩短矿井的服务年限，同时，它也限制了煤与瓦斯突出矿井煤层群开采保护煤层的发展。所以在采矿领域的当务之急是发展高产高效矿井开采技术。基于无人工作
6、面系统模型，做了一些综合创新的现代技术，分析了各子系统的所需的技术，如自我定位和自动导航技术、自动剪机的垂直转向技术、电煤岩层间的自动识别技术、液压控制技术的支持，自动牵引技术的刮板输送机、双向通信技术在地下，高速基于组件的煤矿软件以及模型技术、数据库技术和传感器技术。这些技术相结合后，无人工作面技术能够较大地提高开采率和促进安全开采。煤是中国最主要的能源，在中国煤炭行业的健康发展是与能源安全、经济的可持续发展相关的。煤炭是不可再生资源，煤炭使用年限是一定的。如果在现有的生产体系薄煤层可以被利用，可以增加工业储量和经济利润。目前，瓦斯爆炸在中国各种各样的煤矿事故占有最高的比例。2008年发生1
7、82起煤矿事故，死亡人数778。所以防止瓦斯事故的责任重大。3.2 应用基于科学采矿，结合在煤与瓦斯突出矿井煤层组的分析，提出了无人工作面开采保护层。煤层组的瓦斯释放后，可以通过合理的钻孔提取。这是一个双赢的方法，不仅可以解决瓦斯频繁的涌出，频繁的瓦斯事故与比例限制。而且可以解决开采难度很大和低开采率的问题。此外，绿色开采煤炭资源可以实现同步采出煤与瓦斯。4 无人工作面开采设计实例4.1 实验矿区条件沙曲煤矿是煤与瓦斯突出矿井。瓦斯的绝对涌出量为344.43m3/min，相对涌出量为61.8 m3/min。属近距离煤层组开采，可采煤层为2，3，4，5号煤。如图1所示。图1 煤层柱状图煤矿安全规
8、定第一百九十三条规定，当开采有煤与瓦斯突出的矿井煤层组时应首先开采保护层。第一百九十八条的规定，当开采保护层时必须释放解放层的瓦斯。因此，沙曲煤矿首先开采3号煤，释放2、3号煤的瓦斯，从而保证安全、高效开采。4.2 工作面设计选取沙曲煤矿13301工作面作为实验点，该工作面设计成U型通风，符合减少巷道瓦斯的浓度的要求。为了抽出13301工作面的瓦斯，通过250高效率钻机分析了回风巷中斜密钻孔，如图2所示。图2 瓦斯抽放孔布置图钻机的钻孔孔径250mm，这在国内是非常罕见的。有利于抽出瓦斯的大钻孔可以极大地提高抽出率。工作面的长度150m，钻孔的长度140m，每6m安排一个钻孔，所有的钻孔都是相
9、同的。开切眼与首钻孔之间的距离15m，最后一个钻孔放在停采线，总共有160个钻孔。沿顶板使用螺旋焊接钢管作为主要管道，沿底板使用UPVC作为分支管道，前者是DN820mm 12mm的大小，而后者则是D225mm 10毫米。连接的模型是法兰连接。该巷道形状为长方形，使用锚杆，金属网和W型钢带联合支护巷道。运输巷与回风巷道均为宽度4.5米，高度2.8米的巷道。4.3 工作面设备选型采煤机的选型刨煤机全自动采矿系统是一种有效实现高产高效的方式。小深度的网络功能，快速推进的速度和适应能力强，使其成为在薄煤层开采的第一选择。为了实现高产，高效，自动化程度高，结合沙曲矿井的具体条件，选择TDB公司的GH9
10、-34ve/4.7刨煤机。这种刨煤机额定功率是160/315kW，生产能力为900吨/小时，它可满足高生产，高效率的要求。液压支架的选型根据可靠的制度和优先采用国产设备的原则，结合国内液压支架，选择了德国PM4控制单元。具体类型是ZY4800/6.5/16.5D中等液压支架和ZZ5800/16/30液压支架。刮板输送机的选型采煤机与刮板输送机目前的比例为1.21.4:1。为了发挥的刮板输送机的能力，选择PF2.30/732刮板输送机。综采设备的能力应根据采煤机的能力。同时，也应考虑到速度匹配，连接匹配等原则。然后确定工作面主要设备见表1。表1 工作面主要设备型号设备名称型号采煤机GH9-34v
11、e/4.7刮板输送机PF2.30/732中部液压支架ZY4800/6.5/16.5D端头液压支架ZZ5800/16/30转载机SZZ764/132破碎机PEm1000650带式输送机SSJ1200/m4.4 开采技术借助组装后的自动控制采煤机和液压采煤机，可实现煤的自动切割，刮板输送机的自动前进和连接，同时，采用集中控制和顺序启停，实现自动控制，如图3所示。图3 工艺流程4.5 瓦斯抽放设计4.5.1 数值模拟采用数值模拟软件UDEC可以为瓦斯的抽出提供理论依据，以便更好的管理第一层煤与相近煤层的瓦斯突出。以13301工作面的停采部分作为模型，可以建立数学模型，走向长倾向长= 250 55米，
12、3号煤的水平是450米，模型的左，右和下边界是位移边界。左，右的边界位移限制在x方向，下边界位移限制在y方向，如图4所示。图4 仿真模型该数值模拟模拟出开采影响的变化规律，顶板与底板裂隙带高度的变化规律及随着工作面的推进裂隙带的变化规律。结果如下：当推进距离为40m，基本顶开始跨落。冒落带高度约为6m，顶板附近基本是由张力破坏。在上覆岩层生成垂直裂缝和层间断裂，但断裂的高度约10m。从地表位移曲线可以看到，在采空区的地表有一些变形，切割孔的侧部周围最大压缩变形为7m，工作面前方周围的最大压缩变形为7m。在切割孔中间部分周围底臌变形最大为5m，采空区后方周围底臌变形最大为5m。最大变形为30mm
13、。当推进距离为60m（如图5所示），上覆岩层和顶层由主应力和剪应力相互作用破坏，另外，垂直裂缝，层间断裂不断发展。随着工作面的推进，在采空区基本顶上方层间断裂成为主要的断裂。垂直裂缝的主要范围为离顶板和底板5m处。图5 开采进程和断裂围岩分布(1)推进距离为40m;(2)推进距离为60m4.5.2 瓦斯抽放布置设计从理论分析和数值模拟可以得出，2号煤在3号煤的裂隙带，4号煤在3号煤的变形带。因此，在顶板的裂隙带和底板的变形带安排一些钻孔，可以在很大程度上抽放瓦斯。在沿顶板或底板的某个角，可以人为地用由沙曲矿井提供的定向钻机DDR1200打钻孔。孔径为170mm，长度为1200m的钻探。选择13
14、301工作面为试验区，选定的具体计划：打4个钻孔直到第四层煤，然后，在第四层煤打钻孔。这些钻孔可以抽放第四层煤的卸压瓦斯及第三与第四层煤之间的瓦斯。打4个钻孔到第二层煤上部，第二层煤和钻孔的垂直距离为3米，然后，沿第二层煤的平行方向打钻孔。因此，第二层煤可以得到解放。该钻孔剖面如图6所示。因此，煤层群都可以解放，也可以解决好瓦斯突出的问题。图6 13301剖面图5 结语在中国煤炭开采的问题上进行了研究，根据综采工作面的自动化条件，提出了无人工作面，这是一个实现煤炭工业可持续发展的重要途径。提出了在煤与瓦斯突出矿井的煤层群中无人工作面开采保护层的理念。不仅解决了在煤与瓦斯突出矿井的开采困难的问题
15、，而且解决了在薄煤层中开采困难的问题。基于沙曲煤矿的具体条件，对3号煤进行了工作面设计，设备选型和采矿技术设计。根据理论分析和数值模拟，使3号煤作为保护层的可行性得到证实，它为安全，高效的煤炭开采提供了一个新的思路。Study on mining the protective seam with the manless working face in coal and gas outburst minesFang Xin-qiu, Zhao Jun-jie, He Jie, School of Mines, China University of Mining & Technology, Xuzhou , China State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mine, Xuzhou 221008, ChinaAbstract: In order to solve the problems of backward equipments, low recovery, security issues, high mortality in the coal industry, the technology of
