CN103742149A - 一种综放复采残留底煤的方法 - Google Patents

Abstract

一种综放复采残留底煤的方法是对残留底煤底部存在完整煤层，上部存在破碎煤体，且破碎煤体及其上部采空区存在积水、CO、CO₂、瓦斯有害气体的残留底煤进行复采；其所述方法是探明储量、积水和积气量，后进行排水、注入氮气和阻燃剂，复采工作面上下平巷沿残留底煤底板外错1~2个巷道宽度掘进，合理设置区段保护煤柱、切眼、加固顶板、控制煤层，割煤厚度和控制煤层与上部破碎煤体厚度之和的比值控制为1:3，进行综放复采残留底煤。本方法复采残留底煤，解放了永久呆滞储量，充分挖掘并释放了资源潜力，提高了经济效益，缓解了企业压力，延长了矿井的寿命。

Description

一种综放复采残留底煤的方法

技术领域

本发明涉及一种复采残留底煤的方法，尤其是一种用于对残留底煤进行综采放顶煤开采的方法。

技术背景

由于受到开采技术水平、设备条件和资金等因素的限制，存在分层大量开采残留底煤，另外，许多煤矿在开采作业中采用“采顶煤弃底煤”的方式来保证安全生产，这些方法残留了储量可观的底煤，降低了资源回采率，缩短了矿井的服务年限。

现有可用资源日渐枯竭，能源供需日趋紧张，煤炭作为宝贵的不可再生资源，残留底煤如果不借用现有巷道布置系统采出，以后再次进行二次开采将花费巨大的代价，有些甚至永久滞留在地下，造成巨大的资源浪费。因此，复采现有残留底煤对延长矿区或矿井的寿命，提高资源回采率，提高经济效率，缓减企业压力等都具有重要的现实意义。

残留底煤复采相对于煤炭资源的一次开采，具有开采技术难度大，采出率低，安全难保证，成本高等问题，具体技术难点在于：

（1）采空区积水与积气威胁。在一次开采过程中，顶板冒落，裂隙带有可能沟通上覆岩层中的含水层，导致顶板水进入采空区，造成二次开采的受采空水的威胁；另外，如采空区完全没有积水时煤层则可能发生氧化或自燃，在这种空气不充分的情况下，煤层的氧化自然会产生大量CO，严重威胁复采安全，当两者兼有时，可能两种威胁同时存在，给复采残留底煤增加了技术难题。

（2）残留底煤冒顶危险。在一次开采过程中，工作面的支承压力对残留底煤造成了损伤，底煤的完整性遭到了一定程度的破坏，给下煤层巷道和工作面支护造成了极大困难。另一方面，在工作面回采时，既没有进行铺网作业，也没有对采空区注黄泥浆生成人工假顶，这导致一次开采形成的采空区垮落的岩石堆积紊乱、松散破碎，无凝聚力，胶结性差，更加剧了顶板维护的难度，在残留底煤的复采过程中，这些情况极易诱发冒顶事故，影响残煤复采的安全，给复采残留底煤增加了技术难题。

（3）残煤复采效率低。残留底煤的开采受到各种威胁，增加了复采巷道布置和采煤工艺的技术难度；同时为了保证安全回采，往往会牺牲生产效率，造成了回采效率低下。

（4）投入成本高。复采残留底煤要处理一次开采造成的各种技术难题，保证安全回采，因此残留底煤的复采成本较高。但是即使在当前煤炭价格低位运行的情况下，仍然有较好的经济效益。

目前对残留煤炭资源（残煤）的研究较少，主要集中在遗留煤柱、边角煤、小窑破坏残煤等方面。针对此类残煤的赋存和破坏特点，能够获得的现有技术如公开号为：CN101025085的“一种煤矿井下复采回采煤的方法”与公开号为：CN101302931的“一种仓房采煤后的复采和边角煤回采的方法”，提供了一种利用原有开拓系统回采煤柱和边角煤的方法，这两项发明专利均采用在煤柱或边角煤内部设置巷道及短壁工作面，不仅增加了设备搬迁次数，而总体回采效率较低；再如公开号为：CN102425453A的“一种小窑破坏区域充填规模化复采方法”给出了一种利用灌浆充填破坏区域后再布置工作面进行开采的方法，该方法通过灌浆充填采空区的方法可以开采小窑破坏区，但是开采的煤炭里含有大量灌浆充填材料，增加了运输成本，降低了煤质，也为后期煤炭的洗选增加了难度和成本；还有公开号为：CN103104287A的“一种条带采空区充填复采方法”发明专利，公开了一种充填条带采空区后，再利用原有开拓系统开采条带煤柱的方法，该方法采出了大量的条带煤柱，但是应用对象仅限于复采条带遗留煤柱这种特殊情况。

上述现有复采方法均是被分割成小块的煤柱或边角煤，这些残留煤炭资源因为受资源分布情况、大小的影响以及技术难度等会问题，不能采用常规开采方法进行复采。对于采残留底煤的复采，因为存在上述的诸多技术难题，在现有公开的文献中，还未能获得相关复采方法的报道。

发明内容

本发明要解决的具体技术问题是如何安全有效地复采永久呆滞的残留底煤，并提高煤炭资源的复采回收率，进而提供一种综放复采残留底煤的方法。

为了解决上述问题，本发明所采取的措施是一种综放复采残留底煤的方法，其所述综放复采残留底煤的赋存条件是残留底煤底部存在完整煤层，上部存在破碎煤体，且破碎煤体及其上部采空区存在积水、CO、CO₂、瓦斯有害气体；其所述方法是补勘探明残留底煤储量后，在井下采用综合探测方式探测采空区积水和积气量，初次排水与注入氮气和阻燃剂同时进行，以驱替有害气体；在掘巷过程中采用CT扫描方式每掘30m探测采空区的积水量，每隔50m设置测量有害气体和温度的传感器，监测CO、CO₂、瓦斯和煤体的温度，判断采空区遗留煤炭资源氧化及发火状态；复采工作面上下平巷沿残留底煤底板外错1~2个巷道宽度掘进，且上下平巷的区段保护煤柱宽度控制为7~15m之间；切眼宽度大于4.5m，并采用大钻孔小注浆管方法进行注浆加固顶板，钻孔和注浆管直径差为0.8~1.5cm之间；控制煤层厚度大于1.0m，采煤机割煤厚度最小为0.7m，割煤厚度和控制煤层与上部破碎煤体厚度之和的比值控制为1:3，选择工作面设备，进行综放复采残留底煤。

进一步地，附加技术方案如下。

所述探明采空区积水的方法是物探、钻探、化探相结合的方法。

所述控制煤层是指液压支架支撑的上部完整煤层，而综放复采中放煤范围包括全部的控制煤层和上部破碎煤体。

所述综放复采的回采率η的计算公式为：

η=（（h1+（h2+h3）*γ）/（h1+h2+h3）*100%

式中：h1割煤厚度；h2控制煤层厚度；h3上部破碎煤体厚度；γ顶煤回收率。

实现本发明上述所提供的一种综放复采残留底煤的方法，与现有技术相比，具有以下的优点与积极效果。

（1）本发明采用物探、钻探、化探等技术手段探查原采空区积水、积气情况，通过初次排水和探放水周期作业排放采空区积水，通过注入氮气或者阻燃剂防止残留底煤接触空气后氧化自燃，解除了采空区水和有害气体对残留底煤安全复采的威胁。 

（2）本发明开采残留底煤的过程中，掘进回采巷道和回采工作面布置过程中，留有一定厚度的控制煤层和注浆加固，解决了原采空区没经过处理，伪顶强度低，顶板控制难，安全隐患大等问题，为残留底煤的安全复采提供了良好的条件。

（3）本发明采用综采放顶煤的方式开采，保证了安全的同时，通过放顶的方式采出了控制煤层和上部破碎煤体，提高了残留底煤的回采率。

（4）本发明开采残留底煤，解放了永久呆滞储量，充分挖掘并释放了资源潜力，提高了经济效益，缓解了企业压力，延长矿井及整个矿区的寿命。

附图说明

图1是本发明残留底煤复采巷道布置示意图。

图2是图1的A-A剖面图，进一步说明复采巷道布置。

图3是图1的B-B剖面图，进一步说明复采巷道布置。

图4是图1的C-C剖面图，倾向方向上复采工作面示意图。

图5是图1的D-D剖面图，说明残留底煤较薄时复采巷道和设备布置。

图中：1：轨道上山；2：运输上山；3：绕道；4：复采上平巷；5：复采下平巷；6：切眼；7：复采工作面；8：采空区；9：探放水钻孔；10：控制煤层；11：综采设备；12：上部破碎煤体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步说明。

本发明所提供的一种综放复采残留底煤的方法，其所述方法适应的地质条件是残留底煤底部存在完整煤层，上部存在破碎煤体，且破碎煤体及其上部采空区存在积水、CO、CO₂、瓦斯有害气体。

实施本发明所称的复采残留底煤的方法，其所述方法是补勘探明残留底煤储量，补勘探明残留底煤储量为开采的经济、技术可行性研究提供了基础，后在井下采用综合探测方式探测采空区积水和积气量，利用综合探测的方式可以准确有效的探测采空区积水、积气量，为排水和驱替有害气体提供了依据。初次排水与注入氮气和阻燃剂同时进行，以驱替有害气体。所述初次排水的目的是尽量排除采空区积水，以减小掘进过程中的排水量，降低掘进风险，在排水的同时注入氮气和阻燃剂是为了避免排水之后，煤炭接触空气发生氧化自燃，给复采增加难度和不可测的风险；在掘巷过程中采用CT扫描方式每掘30m探测采空区的积水量，每隔50m设置测量有害气体和温度的传感器，监测CO、CO₂、瓦斯和煤体的温度，判断采空区遗留煤炭资源氧化及发火状态；复采工作面上下平巷沿残留底煤底板外错1~2个巷道宽度掘进，且上下平巷的区段保护煤柱宽度控制为7~15m之间，所述复采工作面外错1~2个巷道宽度且区段保护煤柱宽度在7~15m之间，如果煤柱宽度太小则不利于巷道维护，太大则浪费资源，两相结合确定煤柱宽度是为了保证巷道围岩稳定性的同时尽量提高采出率；切眼宽度大于4.5m，并采用大钻孔小注浆管方法进行注浆加固顶板，钻孔和注浆管直径差为0.8~1.5cm之间；控制煤层厚度大于1.0m，采煤机割煤厚度最小为0.7m，割煤厚度和控制煤层与上部破碎煤体厚度之和的比值控制为1:3，选择工作面设备，进行综放复采残留底煤。

上述切眼宽度大于4.5m，且采用大钻孔小注浆管方法进行注浆加固顶板，钻孔和注浆管直径差为0.8~1.5cm之间。这样做的目的是维护切眼顶板稳定，同时由于上部顶板破碎，钻孔及安设注浆管困难，所以要控制好钻孔与注浆管的直径匹配。对于控制煤层厚度的限定是为了保证安全，避免冒顶。如果控制煤层的厚度小于1.0m会因上部载荷及采掘扰动造成顶板冒顶给复采工作带来威胁。对于本发明提供的复采方法，0.7m是采煤机割煤的最小厚度，小于0.7m则与现有开采装备难以配套需要重新改进研发新的开采设备。割煤厚度和控制煤层与上部破碎煤体厚度之和的比值控制是为了保证开采的经济性和顶煤的回收率，在具体针对到某一个煤矿时，需要根据残留底煤的厚度、煤层物理力学性质、矿山压力分布情况等条件进行具体研究确定。

上述本发明所提供的技术方案解决了煤矿在一次开采过程后残留的永久呆滞的底煤，提高了煤炭资源的复采回收率。

在上述实施方案的基础上，其中探明采空区积水的方法是采用物探方法、钻探方法、化探方法，以及其相结合的方法进行勘探。这几种探测方法都各自有自己的优缺点，物探省时省力当时易受干扰，且探测的精确程度依赖于算法解析，不同的算法得出结果会有差别，钻探可以取得实际数据，但是费时费力，花费较大，化探的方法最灵活但是易受到仪器设备、工作环境的限制，综合这几种方法可以快速准确的得出探测结果，为后续的复采工作奠定良好的基础。

在上述实施方案的基础上，其中，控制煤层是指液压支架支撑的上部完整煤层，而综放复采中放煤范围包括全部的控制煤层和上部破碎煤体。现有的综放在开采过程中没有考虑上部破碎煤体这一部分资源，只考虑完整煤层。破碎煤体、完整煤层与破碎煤体的组合形式的放煤范围因其煤体的物理力学性质、赋存条件及矿山压力的影响等因素使得其与传统方法截然不同，这也是造成了传统方法开采回采率较低的原因之一。

在上述实施方案的基础上，其中，综放复采的回采率η的计算公式为：

η=（（h1+（h2+h3）*γ）/（h1+h2+h3）*100%

式中：h1割煤厚度；h2控制煤层厚度；h3上部破碎煤体厚度；γ顶煤回收率。

该复采方法可以回采全部的上部完整煤层不留伪顶，同时可以开采上部破碎煤体，其回采率的计算充分考虑到这两部分煤炭资源，并允许这两部分有一定的损失率，但是即使在考虑这两部分有一定损失的情况下，该方法的回采率依然高于传统的复采方法。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施例1

如图1所述，在原轨道上山1和运输上山2掘进用于开采残留底煤的绕道3、上平巷4、下平巷5和切眼6，圈定复采工作面7（巷道及工作面由虚线表示），其中复采工作面上下平巷4和5外错1~2个巷道宽度的距离。图中，实线表示采空区8，虚线表示复采巷道及复采工作面，虚线表示的范围在实线范围下部。

图2、3分别从倾向和走向方向上说明复采工作面巷道布置的空间位置关系和探排水钻孔9布置方式。如图2所示，上平巷4和下平巷5在垂直方向上布置在采空区8投影线的外侧，外错距离在1~2个巷道宽度。如图3所示，探排水孔9要斜向上向前打入上部采空区8或破碎煤体12中。在掘进上、下平巷4、5过程中，如果顶板破碎或残留煤层变薄的话，可以适当进行卧底掘进或向巷道顶板及原采空区8或破碎煤体12进行注浆加固。

实施例2

如图4所示，复采工作面布置在残留底煤底板上，上部留有一定厚度的控制煤层10。控制煤层10的留设解决了采空区煤岩再胶结强度低，顶板维护难度大，容易冒顶等问题，保证了复采安全。在复采过程中，通过综放设备11放出控制煤层10和上部破碎煤体12，提高了残留底煤的回采率。当残留底煤厚度变薄时可以适当调节采、放比例以保证控制煤层10的稳定性，当其过于破碎时刻适当注入化学浆加固。这样就解决了安全高效回采残留底煤的难题。

实施例3

如图5所示，多次分层回采后，原采空区8底部会留有大量破碎煤体12，这会造成煤层底部完整的残留底煤较薄，预留控制煤层10后剩余的煤层厚度较小。此时，将上、下平巷4、5布置卧底成半煤岩巷，研制薄残煤复采放顶支架及其配套设备进行开采。

实施例4

某矿综合探测后得到残留底煤的赋存条件，其中完整底煤厚度为3m，上部破碎煤体厚度为1.5m。采用本发明方法进行复采，设计割煤机割煤厚度为2m，控制煤层厚度为1m；h3上部破碎煤体厚度为1.5m；顶煤回收率为80%。按照复采的回采率计算公式η=（（h1+（h2+h3）*γ）/（h1+h2+h3）*100%，可以得出复采回采率η=（（2+（1+1.5）*80%）/（2+1+1.5）*100%=88.9%。如果采用其他方法则只能采出割煤机割煤厚度范围内的煤层，即2m，则回采率为η=2/4.5*100%=44.4%。本发明提供的一种综放复采残留底煤的方法的回采率明显高于其他方法。

由于采用了以上技术方案本发明具有以下有益效果：

补勘残留底煤储量后采用物探、钻探、化探等技术手段探查采空区内的积水、积气情况，并进行排水、残留底煤阻止氧化自燃等处理，解除了采空区积水和有害气体对残留底煤复采的威胁；通过预留一定厚度控制煤层和注浆加固的方法消除了原采空区没有经过处理，容易冒顶等安全隐患；采用放顶煤开采的方式放出预留的控制煤层和上部破碎煤体，提高了残煤底煤的回采率。总的来说，改技术解放了永久呆滞储量，充分挖掘并释放了资源潜力，提高了经济效益，缓解了煤矿企业压力，延长了矿井及整个矿区的寿命。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

上述实施例所实施的一种综放复采残留底煤的方法，其适应的地质条件均是残留底煤的底部存在完整煤层，上部存在破碎煤体，且破碎煤体及其上部采空区存在积水、CO、CO₂、瓦斯有害气体，对于其他地质条件下的残留煤炭资源的复采方法，本发明是否适应，还有待于进一步的研究。

Claims (4)

1.一种综放复采残留底煤的方法，其所述综放复采残留底煤的赋存条件是

残留底煤底部存在完整煤层，上部存在破碎煤体，且破碎煤体及其上部采空区存在积水、CO、CO₂、瓦斯有害气体；其所述方法是补勘探明残留底煤储量后，在井下采用综合探测方式探测采空区积水和积气量，初次排水与注入氮气和阻燃剂同时进行，以驱替有害气体；在掘巷过程中采用CT扫描方式每掘30m探测采空区的积水量，每隔50m设置测量有害气体和温度的传感器，监测CO、CO₂、瓦斯和煤体的温度，判断采空区遗留煤炭资源氧化及发火状态；复采工作面上下平巷沿残留底煤底板外错1~2个巷道宽度掘进，且上下平巷的区段保护煤柱宽度控制为7~15m之间；切眼宽度大于4.5m，并采用大钻孔小注浆管方法进行注浆加固顶板，钻孔和注浆管直径差为0.8~1.5cm之间；控制煤层厚度大于1.0m，采煤机割煤厚度最小为0.7m，割煤厚度和控制煤层与上部破碎煤体厚度之和的比值控制为1:3，选择工作面设备，进行综放复采残留底煤。

2.如权利要求1所述的综放复采残留底煤的方法，其所述探明采空区积水的方法是物探、钻探、化探相结合的方法。

3.如权利要求1所述的综放复采残留底煤的方法，其所述控制煤层是指液压支架支撑的上部完整煤层，而综放复采中放煤范围包括全部的控制煤层和上部破碎煤体。

4.如权利要求1所述的综放复采残留底煤的方法，其所述综放复采的回采率η的计算公式为：

η=（（h1+（h2+h3）*γ）/（h1+h2+h3）*100%

式中：h1割煤厚度；h2控制煤层厚度；h3上部破碎煤体厚度；γ顶煤回收率。

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