煤化工与燃煤电厂跨行业资源共享协同创新路径研究

煤化工与燃煤电厂跨行业资源共享协同创新路径研究 胡云飞，马鹏飞，邱进伟 摘 要： 针对新疆准东二矿B1煤层具有强冲击倾向性、弱冲击危险性的特点，结合该矿巨厚煤层分层开采和全为煤巷的具体工况，提出了战略性与战术性相结合的防冲技术方案及防冲预警措施。战略性防冲技术方案包括选择合适的开采顺序、开采方法和采煤工艺等战略性措施；战术性防冲技术方案包括煤体大直径钻孔卸压解危、煤体爆破卸压解危和底板钻孔卸压；防冲预警技术方案采用整个矿区、采区预警与掘进及回采工作面的局部监测相结合的方法。该防冲技术方案提出，为冲击地压防治提供了成套技术体系。 关键词： 巨厚煤层；分层开采；冲击地压；防冲技术方案；解危措施 0 引 言 准东二矿位于新疆维吾尔自治区奇台县，主采平均厚度达53.59m的B1煤层。巷道全部布置在B1煤层中，由于煤层厚，采用分层开采。冲击倾向性、危险性鉴定结果表明，B1煤层具有强冲击倾向性、弱冲击危险性，B1煤层顶底板无冲击倾向性。为加强冲击地压防控工作，降低冲击地压造成的危害，必须制定实施B1煤层开采防冲方案[1]。 由于目前煤矿防冲工程中存在预测、预报准确性较低，防冲方案缺乏针对性，防冲支护缺乏理论依据等问题[2]，翟明华等提出了采用覆岩空间结构理论和地表沉陷观测数据辨识关键工作面的方法及关键工作面防冲措施[3]；陈纪永根据冲击危险性区域提出了首采区冲击危险监测及解危防治方案[4]；赵东城通过某矿9119材料道冲击危险因素的分析，针对顶板煤层采取针对性措施，进行全断面卸压，降低了巷道掘进的冲击危险性[5]；何岗从冲击地压防治的角度基于应力预调控进行开采，从源头上防范冲击地压[6]；郑冲通过实施冲击危险性评价分析和防冲方案，提出了优化施工工艺、卸压开采、防冲措施的现场落实等冲击地压综合防治手段[7]；屈英从防冲角度对工作面进行优化，并确定下分层工作面回采期间合理推进速度，最大限度地消除和降低了开采技术条件等对冲击危险的影响[8]；陈浩为保证工作面回采期间的安全生产，采取加强工作面巷道支护等措施，并采取钻屑法进行效果检验，直至危险解除[9]；容宾宾在明确开采深度及煤层冲击倾向性的基础上，从冲击地压影响因素、监测及预警、预卸压措施实施等方面进行了防冲方案综合分析[10]；温禄淳基于某矿-1000m东一下山采区的实际条件，对其进行冲击危险分析，利用FLAC2D数值模拟软件确定采区防冲优化方案工作面布置参数[11]。 因此，根据准东二矿B1煤层冲击倾向性、冲击危险性鉴定结果，并结合具体工程地质条件，提出了战略性与战术性相结合的防冲技术方案，为冲击地压防控提供了坚实保障。 1 工程概况 1.1 井田概况 新疆准东煤田行政区划属奇台县管辖。井田南北长12.3～13.5km，东西宽约12km，面积约150.851km2，矿井设计生产能力为600万t/a。 矿井地层产状平缓，地层倾角最大6°。准东二矿主采B1煤层，可采煤厚为30.30～70.57m，平均厚度53.16m，属结构简单、局部复杂、全区可采的稳定巨厚煤层。一分区东翼辅助运输大巷、胶带大巷和回风大巷布置方式为：副井、风井到+80m水平后布置井底车场，自车场巷道布置东西向辅助运输及回风大巷，间距100m；主斜井（16°）掘至＋73m水平、并在起坡点以上建立2个直立煤仓，由煤仓上口向东布置一分区东翼胶带大巷、辅助运输大巷及回风大巷，其中东翼胶带大巷处于辅助运输大巷及回风大巷之间，大巷两侧布置回采工作面，如图1所示。 图1 准东二矿井田边界及周边矿井位置 1.2 煤层及顶底板概况 B1煤层及其顶底板岩层岩性如图2所示(以ZK0413钻孔为例)。井田内B1煤层全区为可采的稳定煤层，厚度30.55～70.57m，平均厚度为53.59m，可采煤厚30.30～70.57m，平均可采厚度53.16m，含夹矸0～5层，属结构简单、局部复杂、全区可采的稳定巨厚煤层。 B1煤层顶板粗砂岩、粉砂质泥岩饱和抗压强度为1.3MPa～23.6MPa，属软弱岩石，均易软化。顶板细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩抗拉强度在0.40MPa～2.20 MPa，黏聚力0.5～6.53MPa、内摩擦角为26.8°～40.9°。 底板细砂岩、粉砂岩、中砂岩饱和抗压强度为1.3MPa～21.4MPa，泥质粉砂岩饱和抗压强度为33.4MPa，粉砂岩抗拉强度在0.50MPa～3.30 MPa，黏聚力0.5MPa～3.98MPa，内摩擦角26.5°～40.6°，大部分低于经验值。 图2 准东二矿B1煤层及其顶底板柱状图(ZK0413钻孔) 1.3 B1煤层及顶底板冲击倾向性鉴定 由于B1煤层巷道掘进过程中常伴有煤炮，因此对B1煤层煤样及B1煤层顶底板冲击倾向性进行了鉴定。采用动态破坏时间DT、弹性能指数WET、冲击能指数KE和单轴抗压指数Rc等指标对B1煤层冲击倾向性进行了鉴定。单轴压缩试验获得的煤样应力-应变曲线如图3所示。 根据图3煤样应力-应变曲线，并结合《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法 (MT∕T 174—2000)》，B1煤层煤样冲击倾向性鉴定结果见表2，顶底板冲击倾向性鉴定结果见表3。 (a) 准东煤矿煤样1 (b) 准东煤矿煤样2 (c) 准东煤矿煤样3 (d) 准东煤矿煤样4 (e) 准东煤矿煤样5 (f) 准东煤矿煤样6 图3 煤的应力应变曲线 表1 B1煤层煤样冲击倾向性鉴定结果 煤层编号 指 数 冲击倾向性等级 鉴定单位 DT/ms WET KE Rc/MPa B1 26 7.5 10.011 7.18 强冲击倾向性（Ⅲ类） 中国矿业大学 B1（井底水仓处） 34 4.55 6.16 17.79 强冲击倾向性（Ⅲ类） 天地科技股份有限公司 B1（井下消防材料库处） 15 5.15 5.09 15.39 强冲击倾向性（Ⅲ类） B1（二号交叉点回风大巷开口处） 24 4.70 5.04 18.31 强冲击倾向性（Ⅲ类） 表2 B1煤层顶底板冲击倾向性鉴定结果 岩层 钻孔编号 弯曲能量指数 UWQ/kJ 冲击倾向性等级 鉴定单位 顶板 （粗砂岩、粉砂岩） 1孔 3.18 无冲击倾向性（Ⅰ类） 天地科技股份有限公司 2孔 3.35 无冲击倾向性（Ⅰ类） 3孔 2.24 无冲击倾向性（Ⅰ类） 4孔 3.01 无冲击倾向性（Ⅰ类） 底板（中砂岩） （倾斜16°的清理斜巷，离井底斜长约为3.5m处） — 13.09 无冲击倾向性（Ⅰ类） 徐州弘毅科技发展有限公司冲击地压防治研究中心 1.4 B1煤层冲击危险性 采用综合指数法对B1煤层首分层及下分层冲击危险性进行评价，结果见表3。 表3 B1煤层首分层及下分层冲击危险性评价 煤层 冲击危险性 B1煤层首分层 弱冲击危险性 B1煤层下分层 弱冲击危险性 2 B1煤层防冲优化方案 2.1 开拓方式 针对准东二矿井田煤层赋存特点，结合初期盘区情况，方案采用主斜井、副立井、回风立井的综合开拓方式。根据井田南北向长度，将整个井田划分为一分区和二分区2个分区。但由于B1煤层具有强冲击倾向性、弱冲击危险性，因此在B1煤层中布置大巷时，应对巷道底板采取预卸压防冲技术。 2.2 下分层开采优化方案 下分层优化方案的目的在于降低应力，削弱冲击地压发生的地质条件，主要包括开采时机和工作面布置内容。 2.2.1 开采时机 B1煤层首分层开采后，作为煤层下分层的保护层，应在保护层作用时及时进行下分层（被保护层）开采。否则，保护层开采时间长，对B1煤层下分层开采降压、减震、吸能效果就会降低。因此，当首分层（保护层）开采时间过长，能否对下分层起到保护效果，应在下分层开采之前重新组织冲击危险性评价。 2.2.2 下分层工作面布置位置 在B1煤层下分层布置巷道、硐室等时应选择在保护层（首分层）卸压保护范围内，避免布置在保护层（首分层）工作面区段煤柱下方及周边。 2.3 巷道布置 工作面发生冲击的危险和危害程度与工作面或巷道掘进方向与最大地应力夹角有关，夹角较大时，冲击危险性较大，对于巷道稳定的维护较为不利。因此，针对准东二矿主要巷道及工作面应尽量保证与最大地应力方向平行采煤与掘进。由于准东二矿局部区域褶曲较为发育，因此在褶曲等特殊区域，应采取避免或减缓应力集中和叠加的开采程序，避免不同采掘工作面的互相扰动，避免应力叠加于褶曲等特殊区域。 对于准东二矿已布置在煤层中的开拓巷道、永久硐室、回采巷道等必须采取底板预卸压等专项治理措施，对巷道留底煤区域进行卸压，以降低巷道的冲击危险性。回采工作面优先选择无煤柱护巷或小煤柱护巷，在B1煤层下分层布置巷道时应选择在保护层（首分层）卸压范围内，避免布置在保护层（首分层）工作面区段煤柱下方[12]。 3 冲击危险防治解危方案 3.1 冲击危险解危措施 3.1.1 大直径钻孔卸压解危 工作面掘进期间或者回采期间，若在某区域采用钻屑法检验后煤粉超标或者采用微震、应力在线等方法监测到数据异常、有发生冲击地压的危险时，应进行冲击地压解危处理。首先，采用大直径钻孔（钻孔参数为孔径150mm、孔深30~35m）卸压，孔深应大于预卸压钻孔孔深5~10m，工作面区段煤柱侧（宽度5m）不施工大直径钻孔。在大直径预卸压钻孔中间进行加密卸压，异常区域前后15m为卸压范围，施工垂直巷道走向、平行于煤层层面、距离巷道底板0.5~1.5m的卸压孔。卸压孔打完后，在工作面推进过程中，需要对卸压区的冲击地压危险性进行监测和检验，尤其是卸压后的应力恢复情况。如果钻孔密度增加后卸压效果未达目标或者地质条件不适合施工大直径钻孔时，则需在钻孔中制定专门的措施装药进行爆破卸压，直到冲击危险消除或者监测数据小于预警临界值为止。 3.1.2 煤体爆破卸压解危 （1）工作面掘进期间煤体爆破卸压。工作面掘进期间，若在某区域采用钻屑法检验后煤粉超标（或者钻孔时有吸钻、卡钻、顶钻等现象）或者采用微震、应力在线等方法监测到异常数据时，说明有发生冲击地压的危险，应在此区域进行冲击地压解危处理。当采用大直径钻孔卸压后，冲击危险仍未消除，可采取煤体爆破进行卸压处理。煤体爆破卸压在巷道监测危险区域及其前后各15m进行，爆破参数为：卸压爆破钻孔深度大于12m（3~5倍采高），钻孔间距为5m，孔径为42 mm，距离巷道底板0.5~1.5m，每组一个钻孔，单孔装药量为3 kg，封孔长度不小于5m。掘进期间煤体爆破钻孔布置如图4所示。当掘进工作面一侧为区段煤柱时，煤柱留设宽度为5m，掘进巷道煤柱侧可不布置爆破钻孔。 （a）平面图 （b）A—A剖面图 （c）B—B剖面图 图4工作面掘进期间煤体爆破卸压解危钻孔布置（两侧为实体煤） （2）工作面回采期间煤体卸压爆破。工作面回采期间，若在某区域采用钻屑法检验后煤粉超标（或者钻孔时有吸钻、卡钻、顶钻等现象）或者采用微震、应力在线等方法监测到异常数据时，说明有发生冲击地压的危险，应进行处理。当采用大直径钻孔卸压后，冲击危险仍未消除的，可进一步采取卸压爆破解危措施。在巷道两帮监测危险区域及其前后各15m进行煤体爆破卸压，钻孔深度大于12m（3~5倍采高），钻孔间距为5m，孔径为42 mm，距离巷道底板0.5~1.5m，每组1个钻孔，单孔装药量为3 kg，封孔长度不小于5m。对于巷道区段煤柱（宽度5m）侧，不进行煤体卸压爆破。 工作面回采期间爆破卸压钻孔布置如图5所示。 图5工作面回采期间煤体爆破卸压解危钻孔布置示意图 3.1.3 底板钻孔卸压解危 准东二矿工作面采掘期间巷道底板采取预卸压措施后应力水平仍较高，且底鼓现象明显，或者采用微震等方法监测到底板有大能量矿震时，应采取底板钻孔卸压进行解危。具体实施方案：在冲击危险区域及其前后15m每隔1.5m在卸压槽内（巷道底板混凝土地坪预留卸压顺槽宽度0.8～1.0m，其他底板位置均用混凝土打地坪）布置一组底板卸压钻孔，每组3孔，每组间距1.5m，钻孔施工深度设计为15~20m（比底板预卸压钻孔深度大），钻孔方位垂直于巷道轴向，若冲击危险仍不能消除，可进一步缩小孔间距，降低底煤应力集中程度。 巷道底板钻孔卸压解危布置平面、剖面如图6所示。 （a）钻孔布置平面 （b）A—A剖面 图6巷道底板钻孔卸压解危布置 3.2 卸压效果检验 防冲措施效果检验的方法主要有钻屑法、应力监测法、微震法等。弱冲击危险区域解危效果可采用钻屑法检验，中等或强冲击危险工作区域解危效果检验方法应不少于2种。采用综合检验时，则要求所有检验方法均判定无冲击危险，若其中一种检验方法检验结果表明仍具有冲击地压危险时，则需继续采取解危措施，直到检验冲击地压危险解除为止。 3.3 冲击危险防治解危体系 针对具体工况条件和冲击地压类型提出的冲击地压防治体系包括掘进面、回采面和附近区域的监测，以及优化方案→冲击危险的分级监测预警→防范与解危措施的实施→卸压效果的检验→正常采掘作业，如图7所示。 图7准东二矿B1煤层冲击危险防治解危体系 4 结 论 （1）提出了战略性与战术性相结合的成套防冲技术方案，为B1煤层安全高效开采及冲击地压防控提供了科学指导。 （2）冲击地压的战略性防御方案包括开采顺序、开采方法和采煤工艺，选择合理的区段煤柱宽度，正确地布置开切眼和停采线的位置。 （3）提出了有针对性的冲击地压灾害战术性防治措施，其主动解危方案主要包括大直径钻孔卸压、煤体爆破卸压、底板钻孔卸压等。 参考文献： [1]谭洪森,张海波. 防冲技术体系在冲击地压矿井中的运用[J]. 内蒙古煤炭经济,2022(5):120-122. [2]陈岩峰,李学军,吴宏斌,等. 冲击地压机理及防控现状与发展态势分析[J]. 煤炭科技,2021,42(5):70-75. [3]翟明华,姜福兴,朱斯陶等. 巨厚坚硬岩层下基于防冲的开采设计研究与应用[J]. 煤炭学报,2019,44(6):1707-1715. [4]陈纪永. 赵楼煤矿首采区冲击危险性评价与防冲设计优化研究[J]. 山东煤炭科技,2010(5):153-154. [5]赵东城. 强冲击区域掘进巷道防冲方案研究与应用[J]. 煤炭科技,2017(4):166-168. [6]何岗. 基于应力预调控的采区防冲设计[J]. 煤炭科技,2018(1):120-122. [7]郑冲. 孙村煤矿冲击地压防治技术及效果[J]. 煤炭科技,2016(4):112-113. [8]屈英,乔中栋,李守锋,等. 特厚强冲击煤层下分层开采防冲击优化设计[J]. 煤矿安全,2018,49(9):190-193. [9]陈浩,段晋义,王进,等. 综放工作面回采期间防冲设计分析[J]. 技术与市场,2021,28(7):116-117. [10]容宾宾,拜鹏,郑洪涛. 弱冲击倾向性煤层冲击地压监测预警及防治[J]. 陕西煤炭,2022,41(3):69-72，138. [11]温禄淳. 煤矿深部采区冲击危险评价及防冲优化设计研究[J]. 煤炭技术,2016,35(5):211-213. [12]赵刚柱. 益新煤矿冲击危险区域预测与防治研究[D].阜新：辽宁工程技术大学,2016.