开采关键技术

开采关键技术（精选6篇）

开采关键技术 篇1

油气资源是人类的财富, 开发利用需要智慧。目前, 我国非常规天然气除煤层气已经处于试开发阶段外, 致密砂岩储层气、煤层气、页岩气、水溶气、天然气水合物、浅层生物气等方面的研究尚处于起始阶段。页岩气作为一种新兴的现实可行的非常规天然气资源备受关注, 它既是常规能源天然气的潜在替代能源, 也是一种清洁环保能源。

1 页岩气资源分布

我国各地质时期页岩分布广泛, 勘探开发潜力大, 页岩气资源十分丰富。据粗略估算, 我国页岩气总资源量可达100万亿立方米, 相当于常规天然气量的两倍。据国际能源署估计, 我国14个盆地中25个页岩构造的页岩气资源量约为15~30万亿立方米, 中值23.5万亿立方米, 经济潜力巨大。大规模开采页岩气将对我国未来能源供应、消费经济结构和油气资源开发格局产生战略性影响。

研究认为, 我国页岩气资源以南方和中西部地区盆地为主要赋存地区, 富集于下寒武、下志留、中二叠三套富含有机质暗色泥页岩中, 在平面上呈区域性分布。根据沉积环境, 可将我国广泛存在的富含有机质页岩分为三类:海相页岩、海陆交互相页岩以及陆相页岩。

2 页岩气开采现状及难题

2.1 页岩气开采现状

全球页岩气历史始于1821年在美国东部泥盆系页岩中钻成的第一口页岩气井, 1914年美国发现第一个页岩气田—Big Sandy气田。目前已有30多个国家开展页岩气相关工作, 美国与加拿大已实现商业开发。经过多年的研究和开发实践, 美国等发达国家在页岩气形成机理、富集条件及成藏规律等方面已有深刻认识。与页岩气相关的设备、软件及技术已经成熟且商业化。

2.2 页岩气开采难题

由于页岩气储层的高度致密性和极低渗透率, 页岩气开发的规模化生产和商业化利用一直面临技术瓶颈问题。此外, 我国页岩气的勘探开发尚面临技术、成本等因素的制约。从国外页岩气经验来看, 页岩气勘探开发亟待解决的问题主要包括页岩气机理分析与研究、实验测试与分析、有利选区与评价、含气特点与模拟、产能分析及预测、钻井工艺与钻井液、压裂技术与压裂液、三维地震与储层改造等。

鉴于我国含气页岩的地质特殊性, 近期需要解决的关键技术问题有中国页岩气资源及其富集特点的客观评价、页岩气勘探开发选区及评价技术、页岩气工业化开发的经济界限问题、页岩气储层压裂增产技术等。

3 页岩气开采关键技术

3.1 页岩气储层评价技术

页岩气藏是一种“自生自储”型气藏, 因此, 页岩气储层评价的内容就是储层含气性和气藏可开采性。主要就是对页岩气储层的有机质特征、无机矿物组成、物性及岩石学特征四个方面进行研究。

关键技术就是对有机质特征的研究, 有机质含量的高低直接决定了页岩气含气量的大小。据北美研究成果, 将有机碳含量大于2%的页岩气藏视为可具有商业价值。估算有机碳含量的方法有lg R法和体积密度法。评价页岩储层含气性的方法是根据现场损失气量测定及页岩等温吸附实验, 直接测定页岩的游离气量及吸附气量。

3.2 页岩气测井解释技术

测井解释的目标就是要对页岩气层的生烃能力、储集性能和开采能力进行测井评价。主要利用测井曲线的形态、幅度、相对大小等快速而直观地识别页岩气储集层。识别页岩气所需的常规测井方法主要是:自然伽马、井径测井、中子密度测井、岩性密度测井、体密度测井、声波时差、电阻率测井。通过测井解释资料可以定量分析储集层的岩性, 确定储集层的基本评价参数, 包括评价储集层物性, 评价储集层含气饱和度, 含水饱和度与束缚水饱和度, 储集层厚度等。

实测中页岩气储集层在测井曲线上有明显的特征响应, 自然伽马、中子、声波时差均显示高值, 地层密度和电阻率显示低值。此外, 自然伽马和无铀伽马的差异幅度反映地层中有机质含量;核磁共振测井分析泥页岩的有效孔隙度;微电阻率扫描成像处理成果判别裂缝的有效性;通过交叉偶极声波提取质量可靠的纵波、横波、斯通利波时差, 分析储层的有效性, 计算岩石力学参数及用于地层各向异性分析;元素俘获能谱测井可以正确识别泥页岩中黏土、石英、长石、碳酸盐岩、黄铁矿等成分的含量等。

3.3 页岩气三维地震技术

通常来讲, 单独开采页岩厚度小于15m页岩气是具有较大风险与挑战的。页岩气开采目的层厚度常在20m以上, 泥页岩与围岩地震波传播速度不同, 在其顶底界面就会产生波阻抗界面。同时结合录井、测井资料, 识别和解释泥页岩地层, 进行构造解释是可行的。

利用地震数据体相干分析技术可以判别储层横向岩性变化, 控制页岩储层的平面展布。通过切片解释或拾取沿层相干数据, 能够有效的识别页岩储层断层带和裂缝发育区。为井位设计、井眼轨迹设计、后期压裂等提供可靠的参考依据。

3.4 钻井技术

水平井可以提供比直井更大的泄气效率, 增加波及面积。然而, 每个页岩气区块都有其不同的特点, 所以相对应的钻井和完井方法也不相同。关键环节比如初始造斜技术, 水平段长度和完井作业中水平段分段数目等最优化方案都是从实验或者经验中得到的。初始造斜段、造斜段和水平段钻进过程中将扭矩和阻力都控制到最小是非常重要的, 必须围绕井壁稳定, 最大化的泄油气面和产量最大化考虑。

水平井位与井眼方位应选择在有机质与硅质富集、裂缝发育程度高的页岩区及层位, 水平井的方位角及进尺对页岩气产量有着重要影响。从理论上讲, 在与最大水平应力方向垂直的方向上进行钻井, 可以使井筒穿过尽可能多的地层而与更多的裂缝接触, 从而简化在压裂过程中流出井筒和在生产过程中流入井筒的情况, 提高页岩气采收率。如今将随钻测井技术应用于水平井钻井, 能够实时监控关键钻井参数;将自然伽马测井曲线应用到水平井钻井中, 可以进行控制和定位。将井数据和地震数据进行对比, 可以避开已知有井漏问题和断层的区域。

4 结论

页岩气藏为致密泥页岩储层, 经济开采难度较大, 风险较高, 规模生产存在技术瓶颈。对页岩气进行合理的资源评估和经济开采技术的突破尤为关键。页岩气经济开采的关键技术主要是储层评价技术、水力压裂技术、钻井与完井工程。

参考文献

[1]《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会.北美地区页岩气勘探开发新进展[M].北京:石油工业出版社, 2009.[1]《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会.北美地区页岩气勘探开发新进展[M].北京:石油工业出版社, 2009.

[2]李新景, 胡素云, 程克明.北美裂缝性页岩气勘探开发的启示[J].石油勘探与开发, 2007, 8 (4) :392-400.[2]李新景, 胡素云, 程克明.北美裂缝性页岩气勘探开发的启示[J].石油勘探与开发, 2007, 8 (4) :392-400.

[3]杨振恒, 李志明, 沈宝剑, 等.页岩气成藏条件及我国黔南坳陷页岩气勘探前景浅析[J].中国石油勘探, 2009, 14 (3) :2428.[3]杨振恒, 李志明, 沈宝剑, 等.页岩气成藏条件及我国黔南坳陷页岩气勘探前景浅析[J].中国石油勘探, 2009, 14 (3) :2428.

地下矿山数字开采关键技术探讨 篇2

一、数字矿山

数字矿山是建立在信息化、数字化、虚拟化、集成化、智能化等基础上的, 通过计算机网络管理技术的一体化管理体系, 综合生产、管理、经营等因素, 实现企业的整体优化, 促进企业的可持续发展, 进而提高企业整体的经济效益。数字矿山发展的最终目标是做到基础信息的数字化、控制管理的一体化、生产过程的虚拟化、决策处理过程中的集成化, 最终全面实现矿山综合发展的自动化。

目前, 数字矿山作为我国战略资源安全保障体系的重要组成部分, 已成为衡量矿山资源生态环境的数据基础。在矿产资源的发展进程中, 数字矿山建设是矿产资源可持续发展的重要途径。

二、数字采矿

数字采矿是从数字矿山的概念上延伸出来的, 以计算机和网络技术为主要手段, 使矿山这一开采对象和开采时所使用的开采工具的所有空间和有用属性数据实现数字化存储、传输、表述和深加工, 应用于采矿各个生产环节与管理决策中, 实现优化生产方案、科学化对策决定、高效化管理的最终目的。数字采矿的具体内容包括以下几部分: (1) 建立三维数字地质模型; (2) 虚拟条件下进行矿山模拟开采技术研究, 即数字开采; (3) 采矿生产过程管控一体化。第三部分的内容也就是数字开采技术与采矿设备的有机结合过程, 最终实现自动化采矿的目的。

三、数字化矿山的关键技术分析

目前, 对数字矿山关键技术的提法各有不同, 但它们都是基于矿山开采而被提出来的。数字矿山的关键技术始终围绕着矿山开采这一核心问题展开, 为矿山开采对象提供可视化, 开采过程提供自动化、数字化的技术支持。同时, 矿山的开采需要各专业的相互协作, 如, 科研单位、矿山企业、高等院校的相互协作, 齐心协力为数字矿山的关键技术提供解决之道。

(一) 建立矿山数字地质、矿床模型技术

建立地下矿山的地质、矿床模型, 主要是建设两个系统:第一, 数字地质模型子系统。这一系统的主要功能是根据钻探或者遥感、遥测信息, 建立矿床地质构造模型, 如矿岩体、断层、破碎带、岩性、构造等。第二, 数字矿床模型子系统。这一系统的功能是建立有关矿岩属性的空间数字模型。目前国际上普遍使用的是数字块状模型, 大部分优化算法都是以此模型为基础。建立数字块状模型的数据主要来源于钻孔、探槽和炮孔取样, 根据数据形成的品位模型、杂质含量模型以及价值模型对矿岩圈定、矿量品位计算和设计、计划具有重要意义。

(二) 地下矿生产调度监测技术

这一监测系统主要用于地下矿水、风、运等系统监控和通讯调度, 由三个子系统组成:第一, 提升运输监控子系统。该子系统通过计算机网络和通信技术, 集中监视和控制井下提升运输水平的信号系统、铁路道岔等, 解决目前井下运输自动化程度低的问题。第二, 供排水监控子系统。该系统利用仪器检测各供水管路水压、流量等信息, 通过网络和通信技术实时监控井下供水情况, 及时解决出现的问题。同时完成水泵房的数字化, 建立自动控制系统。第三, 压气通风监控子系统。数字化压机的性能, 提高补偿系数, 实时控制空压机运行情况, 实现高效节能的目的。

(三) 井下无线通信与人员定位技术

采用无线通信系统, 实现地下矿无障碍通讯和人员定位, 全新、实时、动态地反映井下人员分布状况。井下无线通信技术是基于由传输系统、接收机以及软件包所组成的井下无线通信系统来实现井下人员调度、生产管理、安全管理等工作。井下人员定位系统在事故中可以迅速指出全体人员所在的位置, 有效保障井下工作人员的安全。

(四) 地下矿山的三维可视化技术

地下矿山的三维可视化技术是矿产资源开采的基础, 只有全面的了解矿床、了解采矿的环境状况, 才能建立数字化的矿山建设平台, 进而做好开采建设中的后续工作, 如生产调度、矿井通信系统的建立、设备人员的定位工作等。

(五) 虚拟现实技术

虚拟现实技术是近年发展起来的高新技术。它是利用电脑模拟生产一个三维空间的虚拟世界, 提供使用者关于视觉、触觉、听觉等感官的模拟, 实现对三维空间内事物无时间、空间限制的观察。目前, 虚拟现实技术已逐步应用到矿山产业中, 且发展前景相当可观。随着虚拟现实技术的快速发展及其在矿山产业中的逐步深入, 矿山产业在矿山的系统设计、矿山安全管理、确定爆破参数等方面均得到了广泛应用。虚拟现实技术的发展为矿山开采及技术管理方面提供了新的机遇与挑战。

(六) 终端设备技术的智能化

终端设备的智能化是指设备具有完备的控制执行功能和检测功能, 同时又可以通过接口实现与第三方的信息交互。目前, 随着信息技术的不断发展, 虽然矿业资源的发展得到了一定程度上的改善, 但其整体水平的发展仍旧比较低下, 且在生产作业中的设备资源只在部分程度上得到了改善, 如, 综掘及综采的生产设备只是改善了电液方面的控制。在煤矿开采中, 综采工作面的机械设备的智能化较低, 这就加大了信息参数的获取难度。矿井的勘探测量以及定位系统的智能化是目前矿产资源发展中的一大障碍, 所以说, 终端设备的智能化是数字化矿山发展的基础所在。

(七) 专业的数据处理分析

专业的数据处理技术是矿山资源得以开发利用的关键。数据只有经过专业的处理才能凸显出它的价值所在。数字矿山在数据管理系统中要包含大量的数据处理方法, 主要常见的数据处理方法包括对数据自身的统计、数据的专业处理、数据挖掘等, 同时专业的数据处理需要包含对开采挖掘、运输、供电等各生产模块的系统分析, 建立数据模型, 设置访问界面, 做好与其他应用系统的连接工作, 提供良好的服务。

三、结语

信息化技术的革新和资源危机的冲击为矿产资源的发展提供了新的挑战。数字化矿山的发展是一个持续长久的过程, 它符合当前信息化社会建设的需求, 同时也为我国矿产资源的发展带来了新的技术挑战, 综合网络信息技术、自动化控制技术, 实现矿业生产管理的一体化, 提高资源的利用率, 最终实现信息资源的共享。

摘要：本文通过对数字矿山的简单介绍, 着重对地下矿山数字开采中的几项关键技术做了分析与探讨。

关键词：数字化矿山,数字开采,关键技术

参考文献

[1]王大江, 等.构建数字矿山存在的问题与对策[J].中国矿业, 2004, 13 (10) :70-72.

[2]张鹏鹏.数字化安全管理矿山——记首云矿业地下金属矿山数字化建设[J].劳动保护, 2013, 3:104-106.

开采关键技术 篇3

1 炮采方式开采

炮采是采用爆破的方法落煤, 利用人工或机械装煤, 皮带运输机运煤, 工作空间顶板采用单体支柱支护。这种爆破落煤为主的采煤工艺相对于现代化的机械化开采方式是一种落后的、高消耗的采煤方式, 在采煤技术不先进的时期大量应用, 其缺点是:工人劳动强度较大、空间顶板支护复杂且不安全、日产量和劳动生产效率都很低。但是这种原始的炮采工艺在某些特殊复杂的地形或在某些小型矿井中应用较多, 这种方式技术简单, 设备使用少, 成本低。

2 普采方式

普采方式是当前使用最广泛的开采方式, 普采用机械方法破煤、装煤、运输机运煤、单体支柱支护顶板的采煤工艺。在普采的生产中, 跟随采煤机架设单体支柱支护顶板, 耗费大量时间和人工, 是造成煤炭开采效率低下的主要因素。传统的普采方式中使用的单体支柱支护方法费时, 费力, 后期又出现了高档普采方式, 高档普采方式是在普采方式的基础上把支护方法机械化、增加采煤机功率, 增加刮板运输机的功率, 把常规金属支柱用单体液压支柱替换, 大大提高了开采工作效率和机械化程度。但这种普采方式的缺点是布置和撤回单体液压支架的工作强度大, 工人工作强度大, 在工作面上对开采中冒顶危险的控制强度差。但是普采及高档普采方式设备初期投资少, 适应性强, 容易掌握, 是一种比较实用的开采方式。

3 综合机械化开采方式

随着煤炭新兴的开采技术不断得到提高和发展, 越来越多的煤矿开采机械集成了高技术的机电液一体化技术, 薄煤层综合机械化开采方式取得了新的进展。目前主要使用的机械化设备有螺旋钻机、刨煤机和滚筒采煤机3种。

3.1 螺旋钻机开采方式

螺旋钻机开采薄煤层是一种高效新型的开采方式, 它属于一种基本实现工作面无工作人员的开采方法。螺旋钻机机械设备实现了在工作面上无人开采, 并且可以把落煤、装煤、运煤集成到一台设备上, 极大节省了工时和劳动量。一旦出现设备故障, 检修工作可以在工作以外的范围进行, 方便实施和维护。提高了设备维护灵活性, 节约了时间, 这种方式的开采厚度大致为0.5m~0.9m, 采用螺旋钻机开采方式有以下几个特点:

1) 巷道掘进速率高, 采出的煤质好;

2) 采煤后不需要回撤综采设备, 实现简单;

3) 井下工人劳动强度大大降低, 用工量小, 开采效率得到提高;

4) 螺旋钻机特别适合于有瓦斯突出危险的薄煤层;

3.2 滚筒采煤机开采

滚筒采煤机包括双滚筒采煤机和单滚筒采煤机, 在开采的工作面中, 设备主要有采煤机、刮板运输机和液压支架。当滚筒旋转并截入煤壁时, 利用安装在滚筒上的截齿破煤, 沿工作面往复进行全场切割, 并通过滚筒上的螺旋叶片将破碎下来的煤装入刮板输送机, 采煤机经过后, 液压支架推溜前进到一个新的开采位置, 如此反复循环。在滚筒采煤机的实际运行中, 如果遇到煤质硬度大, 煤矸石含量高, 煤层厚度小于1m, 甚至有的地方瓦斯深度较大时, 滚筒采煤机开采需要解决以下生产技术问题:

1) 增加采煤机截割机构及牵引机构强度, 用以降低机面总高度, 近而缩短采煤机尺寸, 节省空间, 大大提高工作效率;

2) 在安全条件下, 设计新型小厚度液压支架顶梁, 增加通风有效面积, 提高薄煤层适应能力。

采用滚筒采煤机开采薄煤层, 是地质条件及煤层赋存条件满足的情况下, 应用较普遍、并可以达到高产高效、安全的开采方式。

3.3 刨煤机开采方式

刨煤机开采方式是目前实现井下无人工作面管理的最好典范。随着机电液集成控制技术的不断发展和革新, 煤矿开采机械的机电一体化技术和定量、定向、定程推溜、精密传感等先进开采技术得到进一步的提高和发展, 智能化刨煤机越来越多地被使用在薄煤层开采中, 其技术和方法成熟高效, 是一种实用的开采方式。

刨煤机是一种采用刨削方式落煤的采煤机械, 刨刀对煤层部分进行刨削, 刨落后的煤顺着刨头的犁形斜面溜集到刮板输送机送出采煤工作面。刨煤机的刨头可分为滑行刨和拖钩刨二种形式。刨煤机的特点是结构简单可靠、便于维护;刨削截深较小, 只刨落煤层表壁压酥区域, 故刨落单位煤量能耗较少;刨落煤的块度大, 减少了开采时产生的煤粉及煤尘量, 另外, 劳动条件好, 工人的工作环境好。

4 薄煤层矿井开采的发展趋势

薄煤层工作面内地形复杂, 可开采的煤层高度小、支护顶板的压力较小, 所以今后我国的薄煤层采煤技术主要集中在发展工作面的自动化程度, 减少工作面的工作人员两方面。传统的炮采方式采出率及生产效率低, 适用于薄煤层的采煤机械应以发展滚筒采煤机、螺旋钻机采煤机、以及新型刨煤机技术为主, 扩大综合机械化开采方式的应用空间, 当前急需要解决或应在以下几个方面加大研发力度:

1) 由智能控制器实现定向、定量开采的刨煤机与螺旋钻采煤, 实现工作面的采煤机械智能化。

2) 由于薄煤层工作面内地形复杂, 不安全因素较多, 人员处在危险环境中, 今后重点提高薄煤层开采工作面内的机械自动化程度, 提高煤品产出率和资源利用率。

3) 研究高功率、高可靠性, 维护成本低、维护工作量小的大电机驱动、多电机驱动集成等新型技术, 从而提高能效比, 并且以小型化, 集约化的机械设备为主要发展方向, 并增强薄煤层采煤机对煤层结构复杂、煤层起伏的适应性。

参考文献

[1]梁洪光.薄煤层综采技术发展现状[J].煤矿开采, 2009.

[2]郭玉辉, 王赟.浅谈薄煤层开采技术现状与发展趋势[J].煤矿开采, 2012.

开采关键技术 篇4

1 矿山概况

黄岗梁铁矿I区矿体顶底板直接围岩为蚀变凝灰质粉砂岩、各种矽卡岩及花岗岩。矿体夹层为各种矽卡岩。Ⅰ区地质构造条件中等, 构造破碎带较发育, 风化带厚度30m~55m。大部分矿体位于当地侵蚀基准面 (1473.87 m) 及地下水位以下, 区域补给条件好, 在54线以西, 矿体位于查木罕河古河道及其掩埋阶地下部, 古河道中沉积了厚70 m~160 m富水砂层。也有部分矿体为风成砂覆盖, 易于形成流沙, 个别矿段矿层和近矿围岩 (矽卡岩) 处, 空洞发育, 岩石破碎。该矿床属水文地质、工程地质条件复杂类型的矿床。矿区主要含水层有第四系冲-洪积孔隙潜水、第四系冰水沉积承压水、基岩风化裂隙潜水含水层。

2 问题的提出

最近几十年的强化开采导致了生产矿床的储量逐渐枯竭。而目前正在劫探的矿床大都不具备良好的开采条件。在开采复杂富水矿床时要求综合研究技术、经济和生态诸多问题, 这是很费动力和材料的工艺过程[1,2]。

内蒙古黄岗梁铁矿位于富水地带, 不能进行正常开采, 为了不造成资源的浪费, 有效地解决富水矿床的开采问题, 必须采用先进的技术进行有效开采。根据黄岗梁铁矿的开采实践, 本文提出定向钻孔和注浆封堵井下突水技术以及高黏性细粒尾矿胶结充填技术的应用分析。

3 定向钻孔和注浆封堵井下突水技术的应用

采用本技术的原因是:

(1) 矿区的水文地质条件复杂, 对破碎带导水构造认识不足及巷道支护处理不当。

(2) 破碎带的蚀变充填物被高水位压力作用软化, 强度降低, 造成突水。

3.1 地表注浆方案

黄岗梁铁矿采用注入水泥浆固结破碎带松散体并封堵充填突水巷道的施工方案。

注浆段起始位置:突水点上、下各10m区段为注浆段, 即钻孔274.4~296m, 钻孔斜长21.6 m。

注浆材料:首先选用普通525#硅酸盐水泥加0.5%的氯化钠和0.05%的三乙醇胺做早强促凝剂制备成的单液水泥浆, 对注浆起始岩帽段和断层破碎带进行多分次定量灌注, 封堵突水巷道及破碎裂隙带。最后选用MG-646化学浆液封堵水泥浆固结后与巷道岩壁产生的收缩裂隙及岩体的微细裂隙。其水泥单液浆具有结石体的高强度, 与岩石的黏结性能好的特点。化学浆液黏性好, 有良好的可灌性和快速止水作用, 可形成可靠的加固止水带。

3.2 大位移定向钻孔施工工艺

定向钻孔技术要求:为达到水平位移106.9m的要求, 经计算钻孔需垂直钻进60m, 然后造斜。注浆孔要穿过120m的松散表土层, 即在土层中有60m直孔和70m斜孔。设计130m以上孔径为241mm, 井壁管长130m, 护壁管径180mm, 130~299m变孔径152mm, 裸孔钻进。

定向造斜钻具组合:牙轮钻头-井下动力钻具-无磁钻铤-钻杆-定向钻机立轴 (钻头型号:y4-y5;钻进方法:无芯造斜) 。

钻进过程:利用地球磁场和本地区磁偏角以及孔口和靶心坐标, 按计算钻孔轨迹进行造斜和测定方位, 输入计算机及时掌握孔内动态。在钻孔钻进过程中, 将探头从钻杆内下入无磁钻铤内, 跟踪钻孔测斜, 发现钻孔偏离时, 调整钻具参数扭动钻具, 达到设计装置角值为止。

3.3 注浆工艺

水泥单液浆:采用KWS型止浆塞进行严格分段后, 进行定量、多次复注, 每次注入30~60 m3浆液待凝固后再扫孔复注直至升压。MG-646化学浆:通过止浆塞、钻杆、注浆泵将化学浆液压入钻孔, 用于封闭细小裂隙, 直至达到设计压力后停止注浆。

3.4 应用效果

此次定向钻孔注浆堵水用时60d, 突水点经定向钻孔注浆封堵后, 从清淤揭露情况看, 破碎带裂隙被浆液充满, 整个过水通道均被水泥浆液封堵, 凝固后的水泥体须打眼爆破处理, 巷道顶板没有淋水, 底板仅有0.2 m3/h的涌水, 说明大位移定向钻孔和注浆封堵井下突水技术的实施效果良好[3,4]。

4 高黏性细粒尾矿胶结充填技术应用

4.1 高黏性细粒尾矿工艺性能

通过对尾矿采用标准筛筛分法进行粒度组成测定, 结果表明该尾矿以-325目微细粒为主, -325目含量达到68.71%, -200目含量达到76.38%。尾矿最大粒度约为0.18 mm (-0.18 mm含量占98.50%) 。

4.2 胶凝材料的选择及充填料浆配比

为了确定不同胶凝材料的性能及确定适宜的充填料浆配比, 分别采用水泥和MC胶固粉进行了试验。从试验结果来看, 与普通水泥相比, 采用胶固粉胶结表现出以下几个特点:

(1) 用量较低。在浓度50%~60%的范围内, 用量15%的条件下7d的胶结强度可达到0.72~1.34 MPa, 可达到水泥用量20%的胶结强度。

(2) 对浓度的适应性较强。尽管随着尾矿浓度的降低, MC胶固粉的胶结强度也在逐渐降低, 但与水泥相比, 其胶结强度的降低幅度较小。

(3) 早期强度相对较高。在灰砂比1:6时, 采用水泥胶结, 尾矿浓度为55%~60%时, 3d的胶结强度为0.12~0.31 MPa;采用MC胶固粉胶结, 尾矿浓度为55%~60%时, 3d的胶结强度为0.42%~0.52 MPa。从不同浓度的试验结果可以看出, 当灰砂比为1∶6、尾矿浓度在55%~60%的范围内变动时, 3 d的强度均可达到0.3~0.5 MPa、7d的胶结强度达到0.8~1.1 MPa, 可满足正常生产的要求。但是, 当浓度降低至50%, 其胶结强度明显降低, 28d强度未达到1.5 MPa。因此, 尾矿浓度不宜过低。经过不同的胶凝材料的试验对比, 选择采用MC胶固粉作为胶凝材料, 可降低充填材料成本, 其用量明显低于水泥, 一般灰砂比1∶6左右即可达到充填强度的要求 (>1.5 MPa) , 而且早期强度相对较高, 充填体凝固1 d后即可行人, 实测充填体强度均可达到1.5~2.0 MPa, 完全满足采矿要求。

4.3 高黏性细粒尾矿充填料浆流变性研究

尾矿浓度不仅影响充填料浆的胶结强度, 而且也是影响流动性、确定充填能力的关键因素。为了确定该类高黏性细粒尾矿的适宜充填浓度, 为实际充填时料浆浓度的选择提供依据, 对不同浓度充填料浆的流动性进行了研究。

4.3.1 充填料浆塌落度的测定

随着料浆浓度的增加, 扩展度和塌落度呈现出逐渐减小的趋势, 并且随着料浆浓度的增加, 两者的降低幅度增大。当料浆浓度小于63.3%、尾矿浓度小于60%时, 随着浓度的增加, 扩展度和塌落度降低较为缓慢;当料浆浓度大于63.3%、尾矿浓度大于60%时, 下降的趋势加剧, 说明料浆的流动性急剧变差。

4.3.2 料浆浓度对料浆流速的影响

为了进一步考查砂浆浓度对流动性的影响, 参照高阳铁矿目前的充填倍线, 通过实验室斜管流动试验, 考察了不同浓度砂浆对流动速度的影响。

试验结果表明:随着料浆浓度的增加, 其流动速度逐渐减小, 说明浓度是影响其流动性的重要因素。另外, 当尾矿浓度从60%增加至61%时, 流速急剧降低;进一步增加尾矿浓度, 流动速度降低变缓。说明尾矿浓度60%左右是该尾矿流动性变化的转折点。

4.4 充填工艺

4.4.1 尾矿胶结充填流程

充填系统采用可编程控制器 (PLC) 和相应的检测仪表来完成对工艺的控制, 并采用1台计算机进行监测和管理。仪表采集的数据送给PLC, 由PLC通过编程控制砂浆和水泥的加入量、水的加入量, 保证混合充填料浓度的稳定。

4.4.2 充填造浆工艺

针对此工艺存在的尾矿难以充分分散、充填效率低、能耗高等问题, 经过实验室试验, 确定了“强力搅拌-缓冲槽”连续造浆工艺, 该工艺将卧式砂仓造浆改为强力搅拌机造浆, 采用1台JS3000。

型卧式双轴强制式搅拌机替代原来的300 m3卧式砂仓及气力造浆系统, 利用搅拌机的强力剪切搅拌作用, 一方面可以将结块滤饼硬块打散, 另一方面浓度的调节和控制更为简单。由于该搅拌机为间歇工作, 每批尾矿搅拌时间为5~6 min, 为了保证连续制浆, 在搅拌机后设置2个4.5m3缓冲铁槽 (1.5m×1.8m×1.8m) 。饼状尾矿经搅拌机搅拌后流入缓冲槽, 通过已安装的小型移动式3m3空压机向缓冲槽吹气, 以使浆液混合均匀。在槽内可继续稀释, 控制搅拌浓度为60%左右时, 按一定流量输送到原来安装的二次搅拌机内, 与胶凝材料混合后进行井下充填。这样尽管双轴搅拌机的生产是间断性的, 但是整个生产线却是连续的[5,6,7]。

5 结论

创新采用大位移定向钻孔和注浆封堵井下突水、高黏性细粒尾矿胶结充填等技术, 将治水技术与矿体回采进行了系统的整合, 消除了矿山原有两步骤回采的技术、安全难题, 提高了生产效率和资源回收率。有效地控制了顶板岩层移动, 保护隔水层, 避免了地下采矿造成的地表塌陷和安全隐患, 减少了尾矿地表堆存的占地和环境污染, 在国内类似矿山具有广泛的推广应用前景。但对于复杂富水矿床安全的开采还不能做到经济化。类似以上技术还需要进一步研究。

摘要：针对内蒙古黄岗梁铁矿在复杂富水矿床开采过程中存在的技术难题, 采用大位移定向钻孔和注浆封堵井下突水、高黏性细粒尾矿胶结充填等技术, 将治水技术与矿体回采进行了系统的整合, 提高了资源回收率, 有效地控制顶板岩层移动, 避免了地下采矿造成的地表塌陷和安全隐患, 实现了矿体的安全高效开采。

关键词：复杂富水矿床,安全开采,技术研究

参考文献

[1]贺可强, 王广义等.复杂复水矿床水患监测与疏堵探综合优化防治方法研究[R].淄博:高阳铁矿, 2010.

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[3]王喜兵, 王义德.定向钻孔注浆封堵井下突水[J].矿业工程, 2006 (2) :19-21.

[4]张省军.张马屯铁矿床无废开采综合技术研究[J].采矿技术, 2006, 6 (3) :161-166.

[5]吕宪俊等.高黏性细粒尾矿胶结充填技术研究与应用[R].淄博:高阳铁矿, 2010.

[6]吕宪俊等.细粒尾砂充填料浆的流变特性及输送工艺参数研究[A]∥第5届充填采矿技术与装备大会论文集[C].合肥:中国有色金属学会采矿学术委员会, 2011:92-95.

开采关键技术 篇5

关键词：煤矿开采沉陷,充填开采技术,应用

0 引言

随着我国经济的快速发展, 煤矿开采行所暴露出的问题越来越严重, 这就为煤炭开采技术提出了更高的要求。本文主要探讨煤矿充填开采技术的应用效果, 主要介绍三种充填开采技术, 即覆岩离层分区隔离注浆充填技术、采空区膏体条带充填技术、条带开采冒落区注浆充填技术。从中可以看出, 充填开采技术对煤矿开采沉陷现象的控制具有重要的作用, 具有很好应用前景。

1 煤矿充填开采技术应用现状

在金属矿开采领域充填开采技术运用的比较广泛, 技术也已经达到成熟的阶段, 在煤矿开采中可以将这些成功的技术经验引入到煤矿充填开采中。然而, 由于煤矿地层与金属矿的岩层形状不同, 同时其岩层的运行规律也存在差异性, 另外, 两者之间也具有不同的填充目的。因此, 若想将充填技术在煤矿开采领域中应用, 必然要针对煤矿的岩层规律进行适当的调整, 也就是根据煤矿的特点确定其充填开采技术的应用。

在德国和波兰, 煤矿踩空充填开采技术应用比较广泛, 并且主要以煤矸石、河砂及电厂粉煤灰作为充填的材料。其中应用最广泛的就是水砂充填技术。一个成功案例为:波兰将水砂充填条带技术应用到煤矿开采中, 已经开采成功了众多的煤炭资源。对于我国来说, 最早采用充填技术要源自于20世纪60年代, 抚顺胜利矿应用伪倾斜上行水砂充填技术将工厂保护煤柱成功开采出来, 之后我国很多煤矿业进行了水砂充填试验。但是这种技术由于成本过高, 无法在我国得到推广。直到20世纪80年代我国成功地进行了多次离层注浆减缓地表沉降试验, 成效显著。此时国外膏体充填技术得到一定的发展, 由于其充填效率较高, 该项技术被广泛地应用到金属矿的开采中, 同时这些技术也在煤矿开采领域中尝试。

由于在煤矿开采领域中充填开采技术是一种“绿色开采技术”, 可以解决因为煤炭开采造成沉陷现象破坏土地资源, 同时对保护环境有重要的作用, 还可以减少开采废弃物的排放, 对土地资源有保护作用。因此对煤矿充填技术的应用进行研究意义重大。

2 煤矿充填开采技术的应用

由于煤矿充填开采技术是解决开采资源破坏问题的途径, 然而, 由于这项技术的应用成本较高, 因此对其推广和应用具有限制作用, 因此必然在应用前考虑其成本, 尤其是采煤塌陷赔偿等费用问题要进行综合考虑, 根据调查分析, 煤矿充填开采技术的成本就目前而言, 仍是一个比较严峻的问题, 只有国家出台相关的文件增加开采塌陷赔偿费, 给予政策支持才能提高充填技术的应用范围。下面对3种充填开采技术应用进行简要的分析, 以明确各项技术的特点, 为其应用提供借鉴。

2.1 覆岩离层分区隔离注浆煤矿充填技术

覆岩离层注浆充填技术主要应用原理就是通过利用岩移运动时在覆岩中产生的离层空洞, 将充填材料通过钻孔填充到离层空洞中, 以达到支撑覆岩的目的, 将覆岩移动传达到地表的现象减缓。其理论基础为离层量、覆岩离层的位置及覆岩层的发育规律的分析, 根据相关研究表明, 关键层下会出现覆岩离层, 如果两个关键层出现断裂现象那么就不会出现离层。在关键层首次产生断裂前可以进行注浆充填, 其断裂之后就较难充填。因此, 这种充填技术适合在关键层首次产生断裂之前。这项技术在我国没有得到广泛应用的原因为充填材料为液体会产生流动现象, 因此无法充满, 影响注浆减沉陷的效果。因此, 采用覆岩离层分区隔离充填技术可以将隔离分区一一注满, 对覆岩进行支撑, 减少沉陷现象。

2.2 采空区膏体条带煤矿充填技术

采空区膏体条带煤矿充填技术的应用原理就是在煤矿被采出之后, 同时在顶板冒落之前对采空区利用膏体材料进行充填, 构建成充填条带, 以此来支撑覆岩。当覆岩主关键层的首次断裂宽度大于未充填的采空区时, 同时充填条带可以长久稳定保持时, 对地表沉陷就可以有效控制。这种技术的应用主要有两种模式:长壁条带及短壁间隔条带充填开采模式, 其中短壁间隔条带充填开采技术的应用比较容易, 适合应用在煤矿开采中。

2.3 条带采冒落区注浆煤矿充填技术

现阶段, 我国在建筑物下压煤开采运用条带开采技术时, 有一定的问题, 就是煤炭采出率不高, 同时这种技术的应用也容易造成地表下沉现象。其主要原因就是由于冒落区的形成, 该区域承载能力丧失, 其载荷主要集中在两侧的煤岩柱上, 使其被压变形, 造成沉陷现象。条带采冒落区注浆充填技术的应用有效地弥补以上的不足, 在建筑物压煤条带进行开采时, 通过钻孔对条带冒落区进行注浆充填, 其充填材料为破碎矸石, 补充空隙, 起到承载的作用, 以分担两侧煤柱的载荷, 减少压缩变形, 减缓地表的沉陷现象。

3 结语

为了控制煤矿开采沉陷的问题, 采用充填开采技术可以有效控制这种现象的出现, 本文主要对3种充填开采技术进行了分析, 为充填开采技术在我国煤矿领域的推广和应用奠定基础, 以实现充填开采技术的应用提供理论支持, 因此, 研究控制煤矿开采沉陷充填开采技术具有重要的价值。

参考文献

[1]张文瑞.浅谈控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术[J].中国新技术新产品, 2012 (18) :158-158.

[2]赵光普, 郭文砚, 张逸男, 等.煤矿开采沉陷与减沉控制技术分析[J].中国科技纵横, 2013 (10) :237-237.

[3]丁玉龙.煤矿开采沉陷对四合木的影响与保护对策研究[D].北京:中国矿业大学, 2013.

[4]高明涛, 周明, 王玉英, 等.新汶矿区充填开采技术研究与实践[G]//2011年全国金属矿山现代采矿关键技术学术研讨与新设备展示会论文集, 2011:42-45.

开采关键技术 篇6

1 技术研究

1.1 绿色开采理念

我国是极度依赖煤炭资源的国家, 而以当前的技术条件, 无法全面采用其他资源取代煤炭在能源中的地位, 煤炭的开采已经造成了非常多的不利影响, 除了煤炭本身所造成的环境污染问题以外, 在煤炭开采过的地下会形成巨大的采空区, 极其容易造成地质灾害[1]。目前的形势是, 我国迫切需要更多的煤炭资源, 但大量的煤炭开采又会造成更多的采空区, 引发更多的地质灾害。在此严峻的形势下, 解决资源开采与环境保护之间的矛盾就成为核心问题, 正是在这种背景下, 绿色开采理念应运而生。

从广义上的资源角度来看, 应对煤矿采集区范围内包括煤炭在内的地下水、煤层气、土地以及其他矿物都加以开发和利用。目前, 煤炭开采引发环境灾害的主要问题都在于煤炭开采的岩层运动, 这一地区的岩层在被开发之前是不会发生任何事件的, 然而人类的活动彻底打破了它的平衡, 开采煤矿后, 这一地区的岩体遭到破坏, 因此导致此地区的地质结构和生态环境都变得非常脆弱, 而绿色开采体现就是建立在此之上的, 如图1所示。

1.2 填充开采技术

充填开采技术具有很强的实用性, 它利用廉价的材料, 填充采煤采空区的空间, 主要使用水砂、膏体等材料, 这些材料以往都是废弃物, 用来填充采空区, 既经济, 又妥善处理了垃圾物品。填充采空区能够从根本上缓解煤炭开采所造成的次生伤害, 并且能够有效提高煤炭的回采率。

其实, 填充采煤采空区并不是现代人的专利, 早在一个世纪以前, 就有矿工用废弃的石料填充整个煤炭的采空区, 但当时这种方法只是偶然行为, 不具备系统性和规划性。真正开始重视充填采空区是从20世纪30年代开始的。最开始通常采用干式充填的工艺, 使用的基本是煤矿开采的固体废弃物, 这样既有利于地质结构的稳定, 也简单地处理了矿山的废料等。但这种技术也有缺陷, 因此50年代开始, 用水砂填充采空区成为一种新的方式。但水砂也不是最完美的, 依然存在缺陷, 直到80年代, 膏体填充技术的开发利用才有效地解决了曾经所使用材料会出现的问题及缺陷。膏体充填是目前各矿区使用最广泛的新技术, 同时也受到越来越多的重视。

2 材料研究

2.1 充填材料的发展

根据充填技术的发展历程, 充填材料的发展大致和其相似, 充填材料是决定充填工艺和成本的核心因素。随着充填技术的发展, 充填材料也在不断发展当中。

最早的充填材料为干式充填料, 这种材料就是采矿区随处可见的石块或砂土等自然资源, 也包括工业废料 (固体) 等填充料, 这些材料被运到需要填充的矿井, 这样的填充材料会产生很多很大的缝隙, 结构非常松散, 并不十分稳定[2]。而且搬运这些材料需要耗费大量的人力物力, 不仅极大地消耗了时间成本, 还耗费了大量的运输和操作费用, 可谓得不偿失。

这之后, 水砂材料流行起来, 它是和干式填充料配合使用的, 先用大块的干式填充料填充整体空间, 然后灌入水砂填充缝隙区域, 最终填满整个采空区。此种材料只是干式填充料的补充, 并没有什么实质上的提升。

目前, 最先进的填充材料为胶结充填材料。胶结料具有低廉的成本和便捷的操作方法, 这种材料的原料来源相当广泛, 几乎随处可见, 成本极低, 并且胶结料具有足够的物理力学性能, 能够胜任采空区充填料, 更关键的是, 胶结料既不会是填充区产生大的缝隙, 也不会浪费大量的人力物力成本[2]。胶结料采用新的工艺和材料, 降低了水泥单耗量, 却不会降低填充的强度, 是目前最受欢迎的材料。

2.2 充填材料的研究方法

通过地面进行高压传输, 最终输送至指定位置, 材料固化后, 在支撑上覆盖新的材料, 由此可见, 充填材料的强度和稳定性及流动性是关键。

材料的不同成分所占比例要准确计算并配制, 将组分材料分为主材料、辅助材料和添加剂, 利用组分材料进行交叉配比, 通过实验的方式可以确定填充物的最优配比方案, 还有助于研究填充材料的微观特征。

3 结束语

煤炭资源是我国含量最丰富的化石资源, 也是我国使用比例最大的化石资源, 开采煤炭这种固体资源时, 一定会造成采矿区地下形成一片巨大而密集的采空区, 如果弃之不管就很有可能造成自然灾害, 因此, 才要发扬绿色开采的理念, 及时填充已开采区域, 保护地质结构, 保护自然环境。

参考文献

[1]王晓东.基于绿色开采理念的煤炭充填开采技术研究[J].陕西煤炭, 2012, 05:48-50.