海域首采面综放开采论证
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渤海海下综放开采可行性研究与实践
目 录
一、 概 述………………………………………………………………1
二、 渤海海域首采面综放开采论证 ……………………………1
（一） 海域地层简述……………………………………………………1
（二） 海水与采煤关系…………………………………………………1
（三） 综放矿压显现规律及其覆岩破坏规律…………………………2
三、 支架选型 …………………………………………………………5
（一） 综放支架设计选型基本原则……………………………………5
（二） 海域综放开采支架支护强度的确定方法………………………6
四、 海下综放开采的实践 ……………………………………………15
（一）首采面概述………………………………………………………15
（二）工作面安装的设备………………………………………………15
（三）两巷超前支护……………………………………………………16
（四）工作面放煤试验情况……………………………………………16
（五）工作面回采期间过断层情况 …………………………………19
（六）排水系统…………………………………………………………22
（七）灾害预警系统和安全保障系统…………………………………22
（八）KJ69井下人员定位系统 ………………………………………22
（九）防水安全措施 …………………………………………………23
海下综放开采可行性研究与实践
1
一、概述
龙口矿区位于环渤海湾经济圈内，地处经济发展迅速、能源相对短缺、煤炭需求量逐年增加的胶东半岛，是胶东半岛唯一的煤炭基地，也是目前国内唯一正在生产的海滨矿区。海域下采煤在我国尚属首次，是一个全新的研究课题。国内东部地区特别是山东省陆地上的煤炭资源已经得到了全面开发，海域下煤炭资源作为东部煤田的补充和扩展，对稳定东部地区煤炭生产能力，保持山东省煤炭生产的中长期可持续发展具有积极作用。近年来，随着国内经济发展对煤炭需求量的提高和龙矿集团企业改制工作的完成，渤海提出了更为明确的海域下采煤规划，目前海域下的煤炭开采已经具备基本条件。
2005年6月10日至2005年8月13日，我们首次在海域H2101工作面（海域首采面）应用综采放顶煤工艺回采，并取得了成功，进一步拓宽了综采放顶煤技术的应用范围。
二、渤海海域首采面综放开采论证
（一） 海域地层简述
北皂井田处于不完整的龙口—黄县断陷盆地内。矿区海域煤田是陆地煤田的延伸。煤系地层为新生代下第三系，主要由钙质泥岩、泥岩、含油泥岩、油页岩、粘土岩、含砾砂岩及粗砂岩等软弱岩层组成。渤海海域扩大区由海面至海底第四系砂层至煤4底板油页岩总厚度340~400
m。含煤4层，可采和局部可采煤层共3层，其中煤2平均厚度为4.5m，为海域下首采区主要可采煤层。岩层走向NE，倾向SE，倾角1~10˚。
（二）海水与采煤的关系
海下采煤的一个重要问题就是防止海水溃入矿井。因为海水是常年性的巨大地表动态水体，如采取不适当的开拓方式、采煤方法或防治措施不得当，则会因采矿活动而改变地层的透水性，从而沟通与地表水的海下综放开采可行性研究与实践
2 联系，使得海水成为定水头的强大补给水源，造成矿井稳定涌水，难于疏干。因此对于本区，研究海水与采煤的关系具有至关重要的意义。
现有的海域和陆地勘探资料（包括地震、测井、钻探专门取样作的测试等）表明，海域地层自下而上依次为下第三系、上第三系和第四系。其岩性多为泥岩、砂岩、粘土岩、油页岩和煤。煤系地层上部和第四系下部有上百米厚的泥岩和粘土岩，其岩性胶结致密，韧性大，隔水性能好，可有效地阻隔煤系地层含水层与其上部第四系含水层的水力联系。
海域的含水层与陆地基本类似，在开采的煤2层上方有6层主要含水层，与陆地不同的是在地表有海水覆盖。由于各含水层之间有泥岩或粘土岩相间沉积，具有良好的隔水性能，有效地阻隔了各含水层之间的水力联系。同样海域的断层构造，通过海域开拓实际揭露，其富水性、导水性也非常弱，另外从我矿陆地开采的实践表明，煤层的上覆岩层有较好的隔水性，这些条件对海域开采都非常有利，能够确保生产安全。
（三）综放矿压显现规律及其覆岩破坏规律分析
1、开采方法的选择
在海域下要实现安全、高产高效采煤的目的，其共识是要采用综合机械化开采技术。据国内特别是龙口矿区开采条件和开采技术经验主要有两种方法供选择，即综采或综放。这两种开采方法目前均在龙口矿区陆地上采用，对二者在技术管理水平上和技术操作水平上不存在差异。
根据海域下主采煤层煤2厚度大、地质构造复杂、“三软”地层巷道支护难度大、复巷率高、维护工程量大等特点，为了避免二分层工作面压力大造成的支架受损、埋架、停产等事故，降低巷道掘进率和减少巷道维护工作量，选择“一次采全高”的方法是极其必要的，这是渤海由建井初期的分层开采其后逐步改为“一次采全高”的重要因素，也是技术进步的成功经验之一。
(1)海域下开采条件的复杂性不利于综采。综采的特点是适用于顶底海下综放开采可行性研究与实践
3 板条件较好的中厚煤层，海域下煤层厚度为4~5m，需要大采高系列的综采支架，其对煤层和顶底板条件的要求相对更高，海域下煤2相对复杂的开采条件，综采显然不是最佳选择。另外，体积庞大的大采高综采支架（部件）受到矿井提升、运输空间等条件的限制，也难以实现高产高效的目的。
(2)国内外发展综放主要是为解决复杂条件厚煤层综合机械化开采。国内综放开采技术的研究始于1982年，1984年首次进行综放工业性试验，1990年以后综放技术日渐成熟，并在5年内发展到30多个矿区。由综放技术发展可知，国外研究和发展综放和我国当初引进综放的初衷，主要是为解决不稳定特厚煤层和急倾斜特厚煤层的采煤方法问题。龙口矿区和其他矿区综放实践经验均表明，综放最突出特点表现在可较有效地解决那些厚度变化大、断层构造复杂、顶板破碎、综采分层开采有困难的厚煤层综合机械化采煤问题。
(3)综放对开采条件有较强的适应性。渤海自1997年引入综放开采技术，最高月产量达到19万t。开采实践证明，在渤海“三软”地层开采条件下，综放较厚煤层分层综采和综采一次采全高有较明显的技术和经济优势。主要表现为：提高了单产和原煤工效，块煤率有所提高；降低了电耗、材料消耗、原煤成本；工作面搬家次数少、巷道掘进率低和对开采条件适应性强。据统计，4213轻放面万吨掘进率仅为57.94m，比分层开采降低了40.3m/万吨，避免了分层储量的损失，增收1289万元；4303综放面比分层开采节省巷道工程量1678m，节约直接费用508万元。
分析认为，在诸多优势中最主要的是综放对渤海开采条件有较强的适应性，在断层附近易于通过调节采放比适应煤层厚度的变化，在顶板破碎情况下能够相对降低矿压显现程度和避免顶板事故，特别是综放可降低巷道掘进率，大大缓解了渤海“三软”地层采掘接续紧张并降低了软岩巷道巨大的维护工作量。因此，综放明显地更适合渤海开采条件。
综上所述，开采方法的选择主要视其技术的先进性、主要技术特征海下综放开采可行性研究与实践
4 与开采条件的适应性、管理和操作水平及其熟练程度等。基于海域下安全、高产高效采煤的目的，考虑综放的技术特性和经济优势等综合因素，认为海域下选择综放较为合理。
2、 综放开采矿压显现规律
综放开采技术在科研方面已取得近百余项成果（2002年）。这些研究项目主要集中在综放基础理论研究方面和综放采煤工艺、综放工作面矿压显现规律等应用技术研究方面，对于指导和推动综放开采技术起到很大的作用。龙口矿区也通过多年的现场观测研究，分析并总结出本矿区“三软”地层条件下综放工作面矿压显现规律，应用于陆地生产实践取得明显技术效果和经济效益。
(1)综放是开采厚煤层时在煤层下部布置工作面，利用地压破煤与自重落煤将顶煤放出的一种开采方式。综放面的矿压观测结果表明，其矿压显现主要具有以下特点：
①支架载荷并不随采厚的加大而呈正比增加，一般不大于综采一次采全高和综采分层上分层开采。综放面直接顶载荷通过顶煤作用于支架，强度较低的顶煤成为顶板对支架作用的中介层，在老顶和直接顶下沉的作用下，首先引起顶煤塑性变形，即发生所谓的顶煤“垫层”效应，从而导致综放面矿压显现趋缓。
②综放面上位岩层有周期性增压现象，但增压一般不明显。由于综放面采出空间增高，使老顶稳定结构的位置上移，其失稳的机率相对减少，同时老顶的回转和失稳在时间上、空间上均滞后于工作面，因而其对工作面的作用被削弱。
③综放与分层开采相比，围岩在纵向和横向的移动变形范围有所增大，超前支承压力影响距离比上分层相对要小，比下分层要大。
(2)渤海通过矿压观测获得了与上述一般性规律基本类似但更为具体的、具有“三软”地层特征的综放开采矿压显现规律。
①支架载荷一般不大于综采面的压力。矿压显现主要表现为煤壁片海下综放开采可行性研究与实践
5 帮、顶底板移近速度加快。
②周期来压规律不明显，压力增值不大，但来压持续时间较长，一般为2~4个循环。初次来压步距为23~24m，周期来压步距为5~15m。
③受构造影响时工作面超前支承压力影响距离为160m，不受构造影响时（断层距巷道5m以外），工作面超前支承压力影响距离为30~60m，超前支护单体柱受力呈递增状态的范围为20~30m，支承压力显著影响区小于15m。
（3）综上所述，根据目前海域下井巷工程施工情况，海域下矿压明显大于陆上。通过实际观测研究，表明在渤海“三软”地层条件下，综放较之综采和分层开采具有顶板（顶煤）完整性好、相对易于管理，大大降低了顶板事故；巷道沿煤层掘进，采用锚、网、带、喷联合支护，巷道状态良好，满足生产要求；采取注氮等安全技术措施，有效地控制了综放面的瓦斯、煤尘及自燃发火等不安全因素，保证了安全生产。因此，海域下综放在顶板管理、巷道维护、工作面的瓦斯、煤尘和自燃发火防治等方面能够相对较好地满足生产要求。
三、支架选型
（一）综放支架设计选型基本原则
与中厚煤层一次采全高或分层综合机械化采煤相比，综放开采一个显著的特点是一次采厚煤，并且强度较低 、裂隙发育的顶煤充当了直接顶，使得矿压显现规律与普通综采有所不同，另外从工艺上讲，综放支架处要满足支护顶板、维护安全的工作空间外，更要有良好的放顶煤与安全的要求。我国在深入研究综放开采支架 –围岩与放顶煤规律的基础上，设计并实践了20余种放顶煤支架架型，目前形成了几种主流的综放支架，基本上满足了生产的需要，产生了巨大的技术经济基础。
综放支架的设计选型遵循以下规律：
1、支架结构及性能的设计必须符合回采工作面顶板围岩运动规律，只有这样才能使支护结构设计及经济又合理；
