申報單位: 山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司
項目名稱: 刀柱式老采區(qū)收技術(shù)研究遺留煤體長壁綜采回
主要完成人：宋保勝 黃貴庭 張仙保 張廷民 劉新宏
主要完成單：山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司
專業(yè)（學(xué)科）分類名稱代碼：采礦工程技術(shù). 采礦技術(shù)
所屬國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)：C
項目起止時間：2002年5月至今
技術(shù)內(nèi)容及主要技術(shù)參數(shù):本項目針對莒山煤礦有限公司優(yōu)質(zhì)的3#煤資源瀕臨枯竭，而礦區(qū)存在大面積刀柱式采空區(qū)遺留煤炭資源的現(xiàn)狀，立項對刀柱式老采區(qū)遺留煤炭資源的回收技術(shù)進(jìn)行探索。主要技術(shù)內(nèi)容可概況如下：
1）在詳細(xì)分析莒山煤礦3#煤層圍巖地質(zhì)力學(xué)特征的基礎(chǔ)上，運用數(shù)值模擬方法對上分層刀柱式采空區(qū)圍巖的應(yīng)力、變形特征進(jìn)行了分析，進(jìn)一步掌握了刀柱的破壞變形特征及其支撐壓力分布規(guī)律。
2）運用三維數(shù)學(xué)模型對上分層刀柱式老采空區(qū)條件下殘留煤體的長壁回收工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測計算，為工作面支架選型及參數(shù)確定提供了依據(jù)。
3）提出了刀柱式老采空區(qū)條件下殘留煤體長壁綜采回收工作面老頂來壓步距不減反增的觀點，為工作面頂板管理措施的制定提供了依據(jù)。
4）提出了通過破壞上分層刀柱的完整性是減小頂板壓力、減輕工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈程度的技術(shù)途徑。
技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及進(jìn)步作用:自2004年開始本項目應(yīng)用，至2009年9月已成功回收11個工作面，回收遺留煤量130.2萬噸，新增產(chǎn)值約1.1億元。
本項目的研究和成功應(yīng)用，不僅使二百余萬噸棄滯煤的回收成為了可能，有效延長了礦井服務(wù)年限，有力地促進(jìn)了礦山的穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展，而且為同行業(yè)在該領(lǐng)域的實踐提供了較為成熟的技術(shù)和可資借鑒的寶貴經(jīng)驗。
應(yīng)用推廣情況:2002年5月至2009年9月，莒山煤礦進(jìn)行了“刀柱式老采區(qū)遺留煤體長壁綜采回收技術(shù)研究”項目試驗工作并取得了成功，本項目首次將刀柱采空區(qū)下遺留煤體作為研究對象，對上分層刀柱式采空條件下的下分層遺留煤體的長壁綜采回收理論和技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過本礦復(fù)采11個工作面的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
項目詳細(xì)內(nèi)容:
1、立項背景、科技內(nèi)容、特點及應(yīng)用推廣情況：
a、立項背景：
老齡礦井大多面臨資源枯竭，急需建設(shè)接替礦井或進(jìn)行企業(yè)轉(zhuǎn)型，在此期間如何維持生產(chǎn)、解決龐大職工群體的工作、生活問題，穩(wěn)定礦區(qū)社會的和諧穩(wěn)定，是許多老齡煤礦的共同燃眉之急。
我公司自投產(chǎn)以來，主要開采 3# 煤層，該煤層是優(yōu)質(zhì)動力煤和化工原料用煤，煤層厚度為 5.1 — 6.57 米，平均厚度為 5.84 米。我礦曾在60年代末至80年代初，采用舊式采煤法開采了一采區(qū)，二采區(qū),四采區(qū)和三采區(qū)的南翼，由于當(dāng)時全國采礦技術(shù)、采礦設(shè)備還不先進(jìn)，采用落后的刀柱式回采工藝，3#煤炭資源僅僅間隔性地開采了上部約3米厚的煤層，下部資源被白白的棄滯，當(dāng)時煤炭資源回收率僅35%左右，十幾年期間，開采面積 134.6 萬 m2 ，動用儲量 1171 萬噸，其中采動 586 萬噸，棄滯 585 萬噸。
由于建礦時間長，加上近年來受周邊小煤窯掠奪性開采的影響，使 3# 煤常規(guī)可開采資源迅速枯竭，而且，受某些人為因素干擾，接替礦井遲遲沒有著落，使公司近萬名職工及家屬的繼續(xù)正常工作和生活受到嚴(yán)重威脅。
如何對3#煤刀柱下棄滯煤炭資源進(jìn)行回收，提高煤炭資源回收率，延長礦井服務(wù)年限，是目前解決我公司近萬名職工及家屬的生存問題、實現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的唯一途徑。
面對上述背景局面和種種難題，蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司與有關(guān)專家進(jìn)行合作，對刀柱式采空區(qū)下殘留煤體的長壁綜采技術(shù)立項進(jìn)行系統(tǒng)研究，為提高煤炭資源回收率、為解決我國老齡礦井資源匱乏等問題尋求出路。
b、科技內(nèi)容
技術(shù)原理：本項目結(jié)合莒山煤礦的具體主客觀條件，將理論分析、數(shù)值計算、現(xiàn)場研究等方法有機(jī)結(jié)合，對特厚煤層上分層采用刀柱式開采后下分層煤體的圍巖結(jié)構(gòu)特征、應(yīng)力場特征、采用長壁綜采方式回收下分層時的礦壓特征、綜采支架選型及合理支護(hù)參數(shù)的確定等內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
c、特點
提出并實踐了刀柱式采空區(qū)條件下下分層殘留煤體長壁回收，為同條件下資源回采提供了依據(jù)。
d、應(yīng)用推廣情況
目前我國不同特點的殘留煤炭資源相當(dāng)豐富，類似莒山煤礦情況的也不在少數(shù)。本課題研究在此領(lǐng)域作了有益的嘗試，得出了一些有益的結(jié)論，在類似條件煤炭資源的回收方面具有很好的推廣應(yīng)用前景。
今后應(yīng)進(jìn)行更加深入、系統(tǒng)的研究，包括采場、巷道圍巖控制理論及技術(shù)，支護(hù)、采掘、運輸設(shè)備及系統(tǒng)，通風(fēng)、防滅火技術(shù)等，同時應(yīng)重視受到非正規(guī)開采擾動煤層的開采技術(shù)研究，進(jìn)一步完善殘留煤炭資源回收的理論技術(shù)體系，使煤炭資源的開發(fā)更加合理。
2、發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及創(chuàng)新點：
1）將特厚煤層上分層刀柱式采空條件下遺留下分層煤體的長壁回收作為研究課題進(jìn)行系統(tǒng)研究，并取得了預(yù)期進(jìn)展，實現(xiàn)了對遺留煤體的成功回收，形成了較為完整的理論技術(shù)體系；上分層刀柱式采空區(qū)條件下殘留煤體回收中出現(xiàn)困難的根本原因是刀柱的存在，因此，削弱或消除刀柱的集中支承性能是解決上述問題的有效途徑。具體做法是破壞刀柱的完整性，對煤柱及頂板進(jìn)行預(yù)深孔爆破，削弱煤柱集中應(yīng)力的影響，減小了頂板來壓步距和強度；
2）突破了對頂板進(jìn)行爆破以減弱礦壓顯現(xiàn)劇烈程度的傳統(tǒng)思維定式，提出了降低上分層刀柱的完整性從而減弱下分層回收工作面礦壓顯現(xiàn)的技術(shù)途徑；
3）提出了特厚煤層上分層刀柱式采空區(qū)條件下，下分層開采時所對應(yīng)的頂板結(jié)構(gòu)為間隔式集中支撐的概念；復(fù)采一采區(qū)采區(qū)運輸及回風(fēng)大巷布置于原采區(qū)隔離煤柱間，半煤巖巷掘進(jìn)，預(yù)制棚配合卸壓預(yù)制板支護(hù)，防止在回采過程中煤柱破壞后壓力大面積傳遞對采區(qū)巷道造成破壞；
4）提出了上分層刀柱式開采后下分層所處的應(yīng)力場呈現(xiàn)出波動波動性變化特征的結(jié)論；
5）得出了采場頂板來壓步距和來壓強度比常規(guī)綜采工作面增大的結(jié)論；
6）、對工作面進(jìn)行了合理的三機(jī)配套，有效地防治了過刀柱時集中應(yīng)力的破壞；支架增設(shè)前探梁，加強煤幫及時支護(hù)，較好地控制了煤幫大面積片幫、冒頂危害；
7）、選擇合理的瓦斯探放設(shè)施，排放刀柱房積聚的瓦斯，減少其對工作面的危害。
4、應(yīng)用情況：
早在 1993 年，我公司在太原煤科院的幫助下，在“ 3305 ”刀柱采空區(qū)下進(jìn)行復(fù)采試驗，由于當(dāng)時工作面支架存在許多缺陷、工作面地質(zhì)條件差、底板涌水、煤質(zhì)軟，噸煤成本較高，加之當(dāng)時煤炭市場疲軟，工程被迫停止。但也為復(fù)采工程試驗邁出了第一步，提供了一定的理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。
2001年，我公司在吸取3305工作面復(fù)采試驗經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，精心組織技術(shù)力量在相關(guān)科研院校的大力支持下，順利完成了復(fù)采一采區(qū)采區(qū)設(shè)計，將復(fù)采一采區(qū)采區(qū)運輸及回風(fēng)大巷布置于原采區(qū)隔離煤柱間，半煤巖巷掘進(jìn)，預(yù)制棚配合卸壓預(yù)制板支護(hù)，防止在回采過程中煤柱破壞后壓力大面積傳遞對采區(qū)巷道造成破壞。2004年度，復(fù)采一采區(qū)工程準(zhǔn)備到位，工程完成情況如下：材料車場 140 米，大巷裝車?yán)@道 170 米，煤倉一個 120 米3 ，復(fù)采進(jìn)風(fēng)斜巷 30 米、運輸大巷交岔點 3 個，共 500 米3（巖巷），復(fù)采運輸及回風(fēng)巷 1399 米（半煤巖巷），復(fù)采移變站及水倉 60 米。2005年初，合理進(jìn)行了工作面的“三機(jī)”配套，復(fù)采首采101工作面設(shè)備全部到位，基本生產(chǎn)系統(tǒng)形成。 2005年4月，復(fù)采一采區(qū)首采101工作面正式開始試采，在試采過程中，我公司積極組織成立了專門的復(fù)采工作領(lǐng)導(dǎo)組和復(fù)采技術(shù)應(yīng)用課題攻關(guān)小組，不斷的完善、不斷的創(chuàng)新、不斷的突破，2005年6月，101工作面順利完成回采，標(biāo)志著復(fù)采技術(shù)在我礦的成功運應(yīng)用。在101工作面試采成功的基礎(chǔ)上，我們又相繼進(jìn)行了其它復(fù)采面的回收，截止2009年9月底，復(fù)采工作面回收棄滯煤炭資源共計110余萬噸。
中央電視臺《新聞聯(lián)播》欄目以《資源節(jié)約篇：莒山煤礦“刮鍋底” 償還資源債》為題對我公司上述成果進(jìn)行了報道，進(jìn)一步得到了各方面的充分肯定。2006年7月14日，經(jīng)山西省科技廳組織國內(nèi)有關(guān)專家對我公司完成的“刀柱式老采區(qū)遺留煤體長壁綜采回收技術(shù)”進(jìn)行鑒定，認(rèn)為該項研究理論方法、技術(shù)路線正確，方案設(shè)計合理，技術(shù)資料齊全，研究成果達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
5、經(jīng)濟(jì)效益:
a、截至2009年9月，已成功回收了11個工作面，共回采煤量：130.2萬噸,工效：7.68噸/工日,噸煤直接成本：21.05元,噸煤綜合成本：125.50元, 噸煤利潤：100元,實現(xiàn)利潤達(dá)1.1億。
b、根據(jù)規(guī)劃，復(fù)采一采區(qū)、二采區(qū)、三采區(qū)21個刀柱復(fù)采面，預(yù)計可回采煤量300多萬噸，噸煤利潤按100元計，預(yù)計可實現(xiàn)利潤約3億元，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益是顯著的。
6、社會效益：
雖然復(fù)采工作面從工效及經(jīng)濟(jì)效益分析無法同正常分層工作面的綜采工作面相比，但針對我礦3#煤資源已日益枯竭的情況，復(fù)采工作面如能順利回采，將對延長我礦服務(wù)年限、提高遺留煤炭資源回收產(chǎn)生相當(dāng)重要的影響。
1）、進(jìn)一步完善了刀柱下煤炭資源回收頂板控制理論，為相似條件下工作面的回采提供了理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗。
2）、資源回收率可由原30%左右提高至85%。
就我公司復(fù)采一采區(qū)和復(fù)采二采區(qū)預(yù)計可多回收煤炭資源180萬噸。
3)、延長礦井服務(wù)年限至少在6年以上解決企業(yè)職工的生存問題，大大緩解莒山礦接替緊張的矛盾，本項目的技術(shù)成果具有在同條件下推廣與應(yīng)用的前景，投資小、效果佳、可安全地進(jìn)行原煤回采，降低生產(chǎn)成本，不僅可為企業(yè)帶來十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還可為礦區(qū)的穩(wěn)定帶來難以估量的社會效益。
