武成家

(1.晉能集團有限公司，山西 太原 030006； 2.山西煤炭運銷集團科學技術研究有限公司，山西 太原 030006)

引 言

礦井現(xiàn)有采煤方法主要為綜采放頂煤和綜采一次采全高，其中，一次采全高采煤方法適合開采煤層厚度為5 m～6 m以下的煤層。近年來，出現(xiàn)了8 m綜采一次采全高采煤方法。對于10 m以上厚及特厚煤層主要采用綜采放頂煤采煤方法，分別為分層開采和綜放開采。分層開采的生產系統(tǒng)較為復雜，下分層開采安全性差、效率低，已較少使用；綜放開采隨著煤炭開采技術的成熟而成為開采厚及特厚煤層的主要方法[1-5]。

厚及特厚煤層采用綜放開采，首先，需要分析圍巖條件及冒放性是否能滿足頂煤冒放回收的需要，確定是否需要相應的技術措施提高頂煤的放出效果。其次，還需要分析工作面綜放工藝的整體適應性，特別是初次采用綜放的礦井，以減少技術投入的風險，為礦井發(fā)展規(guī)劃提供保障。本文以沙坪煤業(yè)13號煤層作為研究對象，從產能、經濟和安全角度，分別對該煤層采用分層開采和綜放開采進行分析，得到合理的采煤方法。該研究可以為礦井的生產規(guī)劃提供依據，提高煤炭生產安全性、高效性與回收率。

1 13號煤層賦存特征

13號煤層位于太原組二段中下部，分布于全井田。在井田一盤區(qū)，分為13上煤層和13號煤層，其中，13上煤層厚度4.57 m～9.39 m，平均5.92 m；13上煤層與13號煤層間距1.16 m～9.35 m，平均5.61 m；13號煤層厚度6.10 m～22.22 m，平均16.84 m；13號煤層夾矸層數1層～18層，夾矸累計厚度0.43 m～9.47 m。在一盤區(qū)劃分的工作面內，靠近井田邊界處的13上煤厚度較大，基本在4.5 m以上；越靠近井田內部，13上煤層厚度越小，經歷5個～7個工作面，煤層厚度從9.5 m變薄至0.5 m；一盤區(qū)北面，夾層厚度呈中間厚四周薄的分布特征，最厚處達9 m以上，最薄處1 m；一盤區(qū)南面，夾層厚度呈單斜構造，從西南邊界處至井田內部，厚度從8 m減小至1 m。在二盤區(qū)，13上煤層和13號煤層合并，稱為13號煤層，二盤區(qū)13號煤層厚度未出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，大部分區(qū)域煤層厚度在15 m以上。

煤層頂板巖性以泥巖為主，局部為砂質泥巖、粉砂巖、砂巖；底板巖性以泥巖為主，局部為炭質泥巖、砂質泥巖。13號煤層的單軸抗壓強度平均為18.43 MPa，抗拉強度為1.035 MPa，屬于中硬煤層，韌性較低，煤層埋深平均167 m。13號煤層在4.00 Mt/a產量生產條件下，開采13號煤層時，礦井最大絕對瓦斯涌出量15.48 m3/min，最大相對瓦斯涌出量為1.84 m3/t；回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為4.52 m3/min，掘進面最大絕對瓦斯涌出量為1.69 m3/min，開采13號煤層時為瓦斯礦井。13號煤層自燃傾向性等級均為Ⅱ類，屬自燃煤層，煤塵均具有爆炸危險性。

2 13號煤層分層開采方法分析

由沙坪煤業(yè)13號煤層的具體賦存條件可知，該煤層開采時主要問題為綜放開采時頂煤的冒放性，分為頂煤可冒性和可放性。頂煤的冒放性和煤層的硬度、裂隙發(fā)育程度、埋深等相關。1) 頂煤體抗壓強度普遍偏高，大部分在25 MPa以上，即，煤層普氏硬度系數f大于2.5；2) 煤層裂隙不發(fā)育，整體性比較好，韌性較大；3) 煤層埋深比較淺，當煤層埋深較小時，頂煤受支承壓力作用的影響較小，頂煤不易破壞，不利于頂煤的放出。13號煤層平均厚度為16.84 m，為中硬煤層，煤層普氏硬度系數平均為1.84，煤層埋深較淺，該煤層的冒放性需進一步分析。利用現(xiàn)有綜采裝備在13號煤層分兩層布置工作面進行大采高綜采開采，以工作面產能為目標，從技術、經濟及安全角度針對分層開采方法進行分析。

2.1 產能要求分析

產能要求為800萬t/a。分層開采時，13號煤層工作面長度為300 m，采煤高度6.8 m，按照年生產330 d計算，每天要求產量達到24 242 t。工作面日推進循環(huán)數計算公式見式(1)。

(1)

式中，n為日循環(huán)數；L為工作面長度，m；K1為生產不均衡系數，取1.18；Qr為工作面日產量，取24 242 t；H為煤層采厚，m；B為循環(huán)進尺，0.8 m；γ為煤體容重，取1.45 t/m3；C為工作面回采率，取95%。

礦井在開采8號煤層時，工作面長度為240 m和300 m，工作面日推進6刀～10刀，可以滿足工作面產能240萬t/a要求。預計13號煤層工作面日推進循環(huán)數達到10刀，對應日推進度為8 m，但需要工作面長度達到300 m，以目前礦壓顯現(xiàn)情況和工作面管理水平，13號煤層綜采工作面很難以實現(xiàn)年產量800萬t的產能要求，當年產量為400萬t時，日產量要求12 121 t，工作面長210 m，日推進8刀，可以滿足產量要求。

2.2 經濟要求分析

從經濟角度分析，采用分層開采時存在的問題主要為：1) 煤柱損失量大。對于13號煤層分層開采，由于上、下層距離較近，上煤層回采留設煤柱引起應力集中，造成下煤層巷道需要避開應力集中區(qū)，一般需要采用內錯或外錯式布置方式，這樣就增加了煤柱煤炭損失，尤其是下部煤層煤質較好，影響了煤層開采的經濟性；2) 巷道掘進率高。13號煤層采用分層回采方式時，每個工作面均需要多掘進兩條巷道、一條切眼，造成巷道掘進、支護及維護費用增加；3) 工作面設備投資大。采用分層開采時，工作面設備的投資費用高于綜放開采，13號煤層可布置50個工作面。根據煤礦生產實際情況，13號煤層服務年限可達34.7年，工作面整套裝備壽命按6年計算，至礦井回采后期需要6套裝備。

2.3 安全要求分析

1) 自然發(fā)火。在同樣煤層條件下，一次采全高比分層開采自然發(fā)火的機率小得多，13號煤層屬自燃煤層，即便本煤層開采未出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，由于埋深較淺，8號煤層有采空區(qū)，上分層開采可能引起的頂板破壞、不能形成規(guī)則“三帶”，造成采空區(qū)漏風，在下分層開采對上分層采空區(qū)重新揭露后，采空區(qū)及巷道自然發(fā)火的危險性將大幅度增加。

2) 頂板管理。受上組煤層采動影響，開采下部煤層工作面時頂板和巷道管理困難，易造成頂板冒頂傷人的事故，開采效率低。13號煤層厚度大所具有的單位面積儲量上的優(yōu)勢反而變成了開采經濟效益上的劣勢。13號煤層開采下分層頂板維護困難，需要增加鋪網工藝，在很大程度上限制了正常生產。煤壁穩(wěn)定性較差，要采取綜合措施防治煤壁片幫，增加了工作面頂板管理的難度，增加了經濟成本。

3) 瓦斯。13號煤層單層開采達4 Mt/a時，礦井瓦斯最大絕對涌出量15.48 m3/min，瓦斯最大相對涌出量為1.84 m3/t；回采工作面瓦斯最大絕對涌出量為4.52 m3/min，掘進面瓦斯最大絕對涌出量為1.69 m3/min；該礦井開采13號煤層時為瓦斯礦井。根據13號煤層賦存條件，上部煤層預先開采形成解放層，有利于下部煤層瓦斯釋放。

3 13號煤層綜放開采方法分析

3.1 產能要求分析

13號煤層在分層開采條件下很難滿足800萬t/a產量的要求?；谏称好旱V13號煤層的條件，適當增大割煤高度條件可進行整層合并開采。在國內現(xiàn)有的開采設備水平下，綜放工作面每日循環(huán)為6刀～10刀，13號煤層整層開采時產能可以滿足工作面年產800萬t的生產目標；綜放工作面每日循環(huán)數為3刀～4刀，13號煤整層開采時產能可以滿足年產400萬t的生產目標。

3.2 經濟要求分析

1) 降低煤炭損失、降低巷道掘進率。采用一次采全厚綜放開采避免了厚度較大處頂煤及巷道之間煤柱的損失，降低了噸煤生產成本，提高了工作面生產效率。13號煤層整層開采降低了巷道掘進量，按井田范圍內25個工作面計算，單層煤少掘巷道近150 000 m，合并開采減少了采煤機割煤量，材料及電力消耗減少，噸煤生產成本大幅降低，生產效率提高，實現(xiàn)高效集約化生產。

2) 設備投資降低幅度大。有利于設備的維護與保養(yǎng)，延長設備使用壽命。放頂煤開采工作面，由于煤炭產量的大部分由垮落頂煤構成，支架、采煤機和前部刮板輸送機等設備與相同產量的普通綜采工作面設備相比，使用時間短，過煤量少，設備使用壽命延長。

3) 含矸率增加。13號煤層間有0層～18層夾矸，總厚度3 m左右，占13號煤層總厚度的19%，此外，放頂煤易混矸，13號煤層整層開采會使原煤發(fā)熱量降低1 256 kJ～1 674 kJ，煤質變差。本層冒落塊度較大，洗選工藝簡單，但也會使洗選成本增加3元/t～4元/t。

3.3 安全要求分析

1) 自然發(fā)火。改善了自燃煤層的管理。與分層開采下部煤層自燃防治相比，13號煤層整層開采有利于煤層自然發(fā)火的防治。

2) 頂板管理。13號煤開采工作面壓力顯現(xiàn)劇烈。采用分層開采，由于上部煤層開采造成頂板巖層破壞，回采影響穩(wěn)定后，下部煤層開采在采空區(qū)下進行，工作面壓力較小。13號煤整層開采時，一次采出煤厚較大，回采強度增大，回采影響范圍較廣，工作面冒頂片幫加劇，礦壓顯現(xiàn)較為強烈，甚至造成工作面支架壓架等事故。

3) 通風安全。13號煤層瓦斯含量較低，但由于一次采出煤層厚度大，工作面的短時瓦斯涌出量相對較大，因此，要求有足夠大的通風斷面來滿足工作面大配風量的要求。

4) 有利于頂煤的破碎。當13號煤層整層開采時，結合綜放理論，由于一次采出厚度大，造成了更大范圍的頂板運動，煤層在下部煤體冒落和基本頂回轉壓力下發(fā)生破壞而冒落，從而保證了頂煤能夠充分破碎。

4 合理采煤方法選擇

13號煤層可選擇的采煤方法主要為分層開采和綜放開采。一盤區(qū)內有13個工作面范圍內的煤層出現(xiàn)了分叉，分叉為13上煤層和13號煤層，13號煤層厚度較大，適宜采用綜放開采方法；13上煤層為厚煤層，適宜采用大采高綜采開采方法。在一盤區(qū)南翼與二盤區(qū)共有20個工作面范圍內的13上煤層與13號煤層合并，此區(qū)域煤層厚度較大，賦存條件優(yōu)越，可采用整層綜放開采方法。

13上、13號煤層層間巖層是影響采法選擇的主要因素，層間巖層的厚度決定了頂煤的冒放性和原煤含矸率，因此，在選擇整層綜放開采時，要求13上、13號煤層層間距應該盡可能小，通過對一盤區(qū)、二盤區(qū)各煤層以及層間巖層厚度進行的統(tǒng)計分析，最終確定了各區(qū)域適宜采用的采煤方法，即，一盤區(qū)北翼工作面可以采用上分層綜采、下分層綜放開采，一盤區(qū)南翼、二盤區(qū)工作面宜采用整層綜放開采。

5 結論

本文基于沙坪煤礦13號煤層中硬偏軟、厚度較大、頂板堅硬等賦存條件，對13號煤層采煤方法進行了研究。

1) 沙坪13號煤層厚度較大，通過特厚煤層采煤方法進行科學論證，分析不同采煤方法對13號煤層的優(yōu)缺點及適應性，確定了13號煤層采煤方法，即，13號煤一盤區(qū)北翼13上煤層采用綜采開采方法；一盤區(qū)南翼、二盤區(qū)工作面，采用整層綜放開采方法；

2) 通過對13號煤層頂煤冒放性的分析，13號煤層頂煤冒放性較好(Ⅱ類)，頂煤可以自行垮落，但存在部分區(qū)域直接頂堅硬，不能隨采隨冒，在采空區(qū)形成懸頂，造成頂煤垮落不充分或滯后垮落，可采取頂煤弱化或增大割煤高度等措施提高頂煤冒放性；

3) 該礦井首次采用綜放開采，13號煤層工作面采用一次復合特厚煤層綜放開采，開采條件復雜，開采時仍存在較多問題，如，采煤方法論證、開采參數選擇、合理綜放工藝、設備選型配套等。本文可為礦井生產規(guī)劃提供依據。