钻孔水力采煤新技术.doc

钻孔水力采煤新技术一、钻孔水采的发展及提出的必要性1、钻孔水采的发展111271013212018161714151968519189192010111718211615141312234567图1　钻孔水力开采原理示意1—高压；2—矿浆；3—吊钩；4—矿浆管道；5—回转装置；6—压盖；7—套管；8—输水管道；9,10—管道接箍；11—密封圈；12—水枪；13—水枪调节阀；14—水枪整流罩；15—矿层；16—混合室；17—喷嘴；18—钻具开关；19—硐室；20—矿浆进入孔；21—钻头　　随着世界各国经济的飞速发展，普遍面临地下浅部富矿的日趋枯竭，开采深部矿产和浅部贫矿势必造成开采成本增加开采劳动生产率低，开采成本高以及环境保护等问题，都对传统的地下坑道和露天开采提出挑战所以，人类迫切需要技术含量高、低耗、高效的采矿方法来缓解这一危机新一代的开采方法就是利用热传递、质量交换及化学和水力学过程，把固体矿物在地下转化为液态或气态，然后再经过钻孔抽出地表，经过分选处理之后加以应用钻孔水力开采技术就是这类最有前景的开采技术之一，它是基于钻孔技术和水力学原理之上的一种矿产开采新方法钻孔水力开采固体有用矿物的基本原理分别于1932年由美国埃·克拉伊托尔和1936年由前苏联普·姆·图皮岑提出，后因战争没有进行研究和试验。

到50年代末，德国、前苏联、日本和美国等国对钻孔水力采煤进行了研究、试验和工业性应用，如1964年苏联国立矿山化学原料科学研究所进行了钻孔水力采矿的初步试验，从20世纪60年代以来，除苏联以外，美国、匈牙利、波兰、印度、澳大利亚、南斯拉夫等国家先后应用钻孔水力开采技术进行开采低强度的磷矿石、煤、建筑砂砾、铝、铀、砂金、锡砂等矿的试验但在煤矿中，由于工作面单产较低，到70年代末这些国家在煤矿基本停止了使用然而，到20世纪80年代以来，随着技术的发展，美国和苏联两国在孔内采矿工具和采矿工艺以及地面设备等的研究方面又取得了显著的进展，苏联发表了许多钻孔水力采矿工具和工艺方面的专利，人们开始又重视起这种开采方法20世纪90年代以来，由于俄罗斯的一些稀有矿物原料需要大量进口，所以，俄罗斯投入了大量的人力和资金进行了这方面的试验，取得了很好的技术经济效果，解决了钻进、回采、选矿、压力控制等方面诸多设备、工具、工艺等技术难题2、钻孔水力采煤必要性近几年这些发达国家对钻孔水力采煤重视的主要原因是：近百年的煤炭开采，特别是近几十年的机械化开采大部分是在地质条件较好的厚及中厚煤层中进行对于薄煤层、不规则煤层、有突出危险煤层，除缺少煤炭资源的个别国家或个别地区外，基本没有开采。

而且在开采煤层群时这些煤层往往被丢掉，浪费了资源如苏联水力采煤联合体所属煤田的薄煤层储量占地质储量的46%，由于这些煤层用常规旱采或水采，开采成本高，被视为没有开采价值的储量目前如何充分利用地球煤炭资源，延长煤炭资源为人类服务年限，己逐渐引起越来越多的采煤国家重视，把有限的煤炭资源尽量开采出来，是几代人的责任俄罗斯、乌克兰等国家己投入资金，研究薄煤层的开采工艺与设备钻孔水力采煤即是解决开采薄煤层，近地表煤层和有突出危险煤层的技术途径之一3、钻孔水力开采技术工作原理钻孔水力开采技术首先是钻进成孔，然后将水力冲采器(水枪)放入孔内，通入高压水冲切破碎矿体，破碎为小块的矿石与循环水拌合形成矿浆，通过设置在钻孔中的喷射泵或升液器的作用将矿浆输送到地表，矿浆经沉淀分选即可得到有用矿石，水继续作为循环介质进行下一步开采，如图1所示1)钻孔钻孔可以采用常规方法，但最好采用系统中的设备进行高压水射流辅助钻进来提高效率，降低钻孔成本，常用的水力开采孔的直径为219～370ｍｍ，孔深由矿层的埋深而定到目前为止，此项技术的实际孔深已超过800ｍ，理论深度可达1500ｍ，但最适合的开采深度为100～350ｍ2)水力冲采。

当开采孔钻穿矿层后，将钻孔水力冲采器(水枪)下入钻孔最下部的矿区，然后通入高压水破碎矿体，破碎的矿石和水混合后变成流动状态，经提升设备抽出地表当采空下部区域后，水力冲采器上提进行上部矿体的开采，同时回转，使采空区体积增大由于开采先由下部开始，上部的矿体在水力破碎的同时，松散矿体也产生崩落，这样一来，可以提高劳动生产率4、钻孔水力采煤的类型目前钻孔水力采煤方法大体可分为三种类型：井工钻孔采煤、地面钻孔采煤和气液脉冲采煤二、井工钻孔水力采煤方法1、基本过程图2 钻孔沿煤层倾斜布置的上行钻孔下行采煤过程井工钻孔水力采煤方法系50年代末由原西德煤矿协会、埃森煤炭公司和鲁尔煤炭公司在短壁无支护采煤法基础上发展起来的，即将回采巷道改为大孔径钻孔，通过钻杆内的通道将高压水输入到钻头，经旋转钻头的喷嘴，进行水力钻孔和水力扩孔落煤2、适用条件该采煤法适用条件：煤层沿倾斜方向比较规则，煤层顶、底板稳定(俄罗斯视顶板暴露面积大于100 m2不冒落为稳定顶板)；煤质在中硬以下且节理比较发育的煤层；厚0.3 m以上的倾斜、急倾斜煤层或煤层群3、回采工艺按钻孔布置方式可分为两种工艺系统：一种是钻孔按煤层倾图3 钻孔沿煤层倾斜布置的下行钻孔上行采煤过程斜布置，曾在德国、前苏联和日本进行了工业开采和试验，图2、图3所示为这两种布置方式的示意图，一般所说的钻孔水力采煤就是指这种布置方式；另一种是钻孔按煤层走向布置，是前苏联提出的一种布置方式。

见图4图4 钻孔沿煤层走向布置的后退式钻孔采煤过程1）、按煤层倾向布置的钻孔水力采煤方法按阶段高50m～150m开上(回风)、下(运输)煤层巷道，煤层巷道断面要有一定安装设备和操作设备的空间，前苏联规定断面不能小于5.4 m，日本规定巷道宽度必须在3m以上该采煤方法也有两种布置方式：上行钻孔下行采煤和下行钻孔上行采煤上行钻孔下行采煤方式的钻机等设备均安放在溜煤巷道，参见图8首先用钻削钻头沿煤层上行钻透到上部回风巷道，在上部回风巷道更换为破煤钻头，然后下行扩孔落煤采落的煤沿钻孔流至溜煤巷道该方式的优点是：当开采下一水平时，该水平的溜煤巷道可作为下水平的回风巷道，巷道布置比较简单；回采时可通过煤流了解水射流工作情况其缺点是：如果顶板不十分稳定，顶板岩石可能冒落，产生堵孔事故根据顶板情况，可采取两种措施：（1）回采煤柱内自上而下每回采5～12m，留0.6～1.0 m的挡矸煤柱；（2）采用单面开采，煤柱开采宽度为双面开采的一半下行钻孔上行开采方式的钻机等设备安装在回风煤巷，参见图9首先用钻削钻头沿煤层下行钻透到下部溜煤巷道，然后将钻削钻头更换为破煤钻头，进行上行扩孔落煤，采落的煤沿采空区底板自溜至溜煤巷道。

该采煤方式没有堵孔和淹没回采面的问题，回采速度高但当顶板不十分稳定时，原煤含矸量高该方式每个采区要有各自的回风巷道、溜煤巷道为了回风巷道内的安全作业，在孔口处应用3m长的钢管加固回采时，根据射流打击煤体、岩体和穿透邻近采空区的声音不同以及从钻孔流出的煤水比的不同来判断射流工作情况，控制钻头回撤速度以上两种布置方式均在德国进行过试验，试验结果上行钻孔下行回采比下行钻孔上行回采效果好因此后来在前苏联和日本均采用了上行钻孔下行回采方式无论采取什么方式开采，要保证有一个钻孔连通回风、溜煤巷道，以保持上下煤层巷道的通风畅通2）、按煤层走向布置的钻孔水力采煤方法这种采煤方法是俄罗斯根据走向短壁水力采煤法提出的一种后退式钻孔水力采煤方法，参见图10，可适用于煤层顶板不稳定的急倾斜煤层这种采煤方法目前尚未见使用实例的报道4、主要参数的选定钻孔水力采煤法的主要参数是钻孔直径和开采煤柱的宽度1）、钻孔直径只在上行钻孔下行回采时钻孔直径才影响回采效率前苏联曾提出钻孔直径公式 ≥：不卡管系数，一般取3～4；：煤的最大粒径（mm）；：钻杆最大外径；该公式仅考虑到最大固体颗粒不卡孔的最小孔径，而没考虑由于射流流量、单位产量、煤层倾角等因素而造成的煤水流能否畅通经钻孔流至溜煤巷道，以保证孔内液位水平低于喷嘴射流水平。

即煤水临界面(钻孔孔口面)至煤水实际液面不能超过钻孔直径的1/3～1/2，以保证射流有效长度和水力破煤强度否则射流被淹没，在煤水中破煤，其结果破煤效率下降、冲采距离减小、煤炭损失加大、吨煤电耗大幅度增加根据这一情况，前苏联又提出，当射流流量为72～175 m3/h时，急倾斜煤层最小钻孔直径不得小于400mm，缓倾斜煤层最小钻孔直径不得小干500mm 德国、前苏联、日本等国曾使用过的钻孔直径为300～800 mm例如，前苏联奥尔忠尼启则煤炭生产联合企业4号水采矿井开采倾角为640～720的煤层，经计算钻孔直径为300mm，射流流量采用119 m3/h开采第一个煤柱时，从上回采巷道回采最初段水位就上升，煤水沿上回采巷道下流，在扩孔落煤过程中，煤水淹没采垛，射流在半淹没或全淹没的煤水中进行落煤，射流在很短距离扩散，有效射程仅2～2.5 m，仅是空气中射流有效射程的20%左右，落煤效率急剧下降根据这一情况，钻孔直径在经修正到500 m m，射流流量调至90 m3/h，有效射程增加到5.5～6 m，落煤效率提高1.0～1.5倍，采垛的轴向夹角变大，采出率提高，回采进入正常状态可见，该公式用于生产还应修正，要考虑到射流流量、单位产量、煤层倾角等因素。

因此，经验数为： Q=72～175m3/，≥400 mm；（急倾斜） ≥500 mm；（缓倾斜）2）、开采煤柱宽度=：煤层厚度；：落煤条件系数，= ：回采巷道内已开采的煤垛数；：影响采垛横断面和钻孔直径系数，一般取0.32～0.55；：煤层倾角；：射流流量（m3/s）单面开采时，开采煤柱的宽度为双面开采煤柱的一半稍多为了防止毗邻条带采空区冒落的研石窜入工作面，条带间要留有很窄的隔离煤柱，隔离煤柱的宽度视煤层厚度，采空区宽度、顶板岩性而定一般在开采薄煤层时，隔离煤柱不大且顶板较易控制钻孔间距为开采煤柱宽与隔离煤柱之和，德国、前苏联、日本等国曾采用过的钻孔间距离为16～25 m不等单面时为双面的一半稍多5、钻孔水力采煤优缺点1）、优点 （1）、基建投资少，矿山建设期限短，基建投资回收快，适应性强，可以开采0.3 m以上的薄煤层和中厚下限偏薄的煤层其开采成本比同等条件的短壁无支护水采方法低也可开采埋藏在河滩、工业区和建筑物密集区的矿床以及储量小、埋藏深的矿床当然矿层越厚，其产量、效率越高，开采成本越低据俄罗斯统计，短壁无支护水采落煤成本的加权平均值为8卢布/ t，而钻孔水力采煤为4卢布/ t (1991年价格)。

2）矿石经水射流破碎和水流的洗选，到达地表之后几乎已达到研磨粒径，矿石质量好，适合就地选矿，而且很少需要建设传统的选矿厂3）采矿过程机械化、自动化程度高，采矿场工作人员少，劳动生产率高据俄罗斯统计，短壁无支护水采加权平均值为200 t/月·工，而钻孔水力采煤则为1000 t/月·工4）对周围环境的影响小，不需要征用大量土地，尾矿可送入孔内采空区5）工作人员在地面操作，生产安全并避免采矿作业时与粉尘和有害物直接接触，保护了人体健康6）采掘比小据俄罗斯统计，每开采1kt煤的加权平均值，短壁无支护水采方法为27 m，而钻孔水力采煤法则为5 m7）采出率高据俄罗斯统计，短壁无支护水采加权平均值为65%，而钻孔水力采煤则为75%。