白集礦急傾斜松軟厚煤層開采方法研究

王 君，鞏思園，周紹華

（1.中國礦業(yè)大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州221116;3.河南大有能源股份有限公司常村煤礦，河南義馬 472302）

白集礦急傾斜松軟厚煤層開采方法研究

王 君1，鞏思園2，周紹華3

（1.中國礦業(yè)大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州221116;3.河南大有能源股份有限公司常村煤礦，河南義馬 472302）

根據(jù)白集礦急傾斜松軟厚煤層賦存狀況和原有的開采技術(shù)水平，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有的急傾斜煤層開采經(jīng)驗，提出了適合該礦煤層開采的4種采煤方法，在技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，從經(jīng)濟(jì)角度對開采方法進(jìn)行比較，并運(yùn)用多目標(biāo)決策進(jìn)行最優(yōu)選擇，最終確定該礦的采煤方法，對類似煤層的開采實踐具有借鑒意義。

急傾斜松軟厚煤層;采煤方法;技術(shù)分析;經(jīng)濟(jì)比較;多目標(biāo)決策

對于急傾斜煤層開采，國內(nèi)目前分為3種方式:水平分層及斜切分層采煤法、水平分段放頂煤采煤法和倉儲采煤法。在此基礎(chǔ)上形成了偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法、斜切分段放頂煤采煤法、水平分段放頂煤采煤法、深孔爆破鉆孔通風(fēng)無人工作面采煤法、偽俯斜走向長壁放頂煤和偽傾斜分層走向長壁全部垮落采煤法等采煤方法［1－3］。

1 地質(zhì)概況

白集礦急傾斜松軟厚煤層主要分布于－500m，－800m兩個水平，地層均為第四系沖積層所覆蓋，沖積層下部煤系地層發(fā)育較全。試驗區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，主要構(gòu)造有F10斷層，落差0～390m;F4－23斷層，落差3～30m，并有次生小斷層。主采煤層3號煤傾角平均50°，煤質(zhì)松軟，煤厚4～9m，平均6m，煤厚由東向西逐漸增厚，層位穩(wěn)定。3號煤直接頂主要由頁巖、砂頁巖等組成，厚度變化較大，一般厚0.2～10.7m;基本頂為中細(xì)粒長石石英砂巖，中厚層狀泥質(zhì)膠結(jié)，極難冒落，厚5.46～28m，比較穩(wěn)定;直接底主要有砂頁巖互層、砂質(zhì)頁巖、頁巖組成，一般厚2～3m，比較穩(wěn)定，巖性較軟。3號煤頂?shù)装鍘r性見綜合柱狀圖1。

圖1 3號煤頂?shù)装鍘r性綜合柱狀圖

2 采煤方法選擇

2.1 主要影響因素

影響采煤方法選擇的因素較多，其中主要有工作面地質(zhì)條件和技術(shù)裝備水平。工作面地質(zhì)條件包括煤層傾角、厚度、圍巖特征、地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯及自燃發(fā)火情況等。

煤層傾角是影響采煤方法選擇的重要因素，其關(guān)系到采煤工作面采煤方法、運(yùn)煤方式、采場支護(hù)和采空區(qū)處理等主要回采工藝的選擇，還影響到采煤方法各種參數(shù)的確定。該試驗區(qū)域煤層傾角平均達(dá)50°，屬于急傾斜煤層;煤層厚度也影響到采煤方法的選擇和采空區(qū)的處理方式，試驗區(qū)域的煤層厚度變化較大，對采煤方法的選擇帶來一定的困難;煤層頂?shù)装鍘r性堅硬程度將影響到開采空間周圍巖層的移動、破壞和冒落程度，試驗區(qū)煤層基本頂為厚約7m的中細(xì)粒砂巖，巖性堅硬，其單軸抗壓強(qiáng)度平均值82.5MPa，已采工作面曾出現(xiàn)頂板冒落的大塊矸石推垮工作面支架的事故，威脅了工作面的安全生產(chǎn)。

2.2 可選擇采煤方法的技術(shù)分析

依據(jù)高產(chǎn)、高效、低耗、安全的要求和煤層賦存特征，結(jié)合白集礦的地質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)條件，可供選擇的主要采煤方法為:偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法、斜切分段放頂煤采煤法、深孔爆破鉆孔通風(fēng)無人工作面采煤法和偽傾斜分層走向長臂全部垮落采煤法。這些采煤方法的主要特點如下:

（1）偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法 該方法可使工作面傾角變緩，具有生產(chǎn)系統(tǒng)簡單、掘進(jìn)率低、自溜運(yùn)煤勞動強(qiáng)度低等特點。但柔性掩護(hù)支架對斷層、煤層厚度和傾角等產(chǎn)狀變化的適應(yīng)性比較差，白集礦試驗區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，斷層多，煤層厚度變化較大，所以在支架下放過程中容易被卡住而影響正常生產(chǎn)，且柔性掩護(hù)支架結(jié)構(gòu)目前還不夠完善，使用壽命短，故障率高。

（2）斜切分段放頂煤采煤法 該采煤方法將工作面以斜切分段形式布置，工作面采用滑移頂梁液壓支架。支架體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，安、拆、搬運(yùn)方便。支架實現(xiàn)自移，可減輕工人勞動強(qiáng)度，較能適應(yīng)煤層的變化，落煤方式靈活，投資僅為機(jī)械化液壓支架的1/5。但滑移頂梁自身穩(wěn)定性差，支柱易插入底板，影響支撐阻力的提高，支架構(gòu)件之間的連接件易損壞。白集礦試驗區(qū)域為松軟厚煤層，在放頂煤開采時容易發(fā)生片幫冒頂事故;直接底巖性較軟，支柱易插入底板，頂煤冒落時容易引起支架不穩(wěn)定，出現(xiàn)歪架、倒架情況。同時，白集礦原有技術(shù)裝備不夠先進(jìn)，采用該方法需更新技術(shù)設(shè)備。

（3）深孔爆破鉆孔通風(fēng)無人工作面采煤法該采煤方法的工作面長25～30m，在區(qū)段運(yùn)輸巷內(nèi)由下向上平行于煤層頂板沿工作面走向每5m鉆進(jìn)直徑500mm的通風(fēng)鉆孔，直通區(qū)段風(fēng)巷，承擔(dān)通風(fēng)。在兩通風(fēng)鉆孔之間打直徑90mm的爆破鉆孔，在爆破鉆孔內(nèi)裝藥放炮，完成破煤工作。該方法具有噸煤成本低的優(yōu)點，但掘進(jìn)率高，采出率低，含矸率高。因白集礦試驗區(qū)煤質(zhì)松軟且煤層傾角大，在深孔爆破時，通風(fēng)鉆孔容易被拋出的破碎煤塊堵塞，引起通風(fēng)不暢，不能及時排除爆破產(chǎn)生的粉塵和有毒氣體，產(chǎn)生安全隱患，所以采用該采煤方法時應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)。

（4）偽傾斜分層走向長壁全部垮落采煤法該采煤方法的工作面呈偽斜直線布置，爆破落煤，單體液壓支柱、鉸接頂梁支護(hù)，四、五擋控頂，全部垮落管理頂板。這種采煤方法的主要優(yōu)點是巷道布置和回采工藝簡單、采出率高。近幾年來，白集礦在傾角27～45°左右的煤層中積累了豐富的大傾角煤層開采技術(shù)和生產(chǎn)管理經(jīng)驗，因此該方法是首選的采煤方法。但是隨著開采深度的增加，煤層傾角逐步增大，煤層頂板變得復(fù)雜，開采條件和難度加大，要求必須做好工作面設(shè)備防倒滑工作，加強(qiáng)煤壁和分層頂?shù)装宓墓芾?，防范冒落矸石下滑和落煤下放時對人和設(shè)備造成的沖擊。

通過上面的技術(shù)分析比較，初步選擇偽傾斜分層走向長壁全部垮落采煤法。主要技術(shù)依據(jù)為白集礦具有大傾角煤層回采的經(jīng)驗，原有的設(shè)備、設(shè)施可充分利用，采出率高，工作面單產(chǎn)能夠滿足生產(chǎn)系統(tǒng)要求，與其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)較為配套。

為確定該條件下最優(yōu)的采煤方法，需要從經(jīng)濟(jì)角度入手，進(jìn)一步分析以上采煤方法的優(yōu)缺點。

2.3 采煤方法選擇的經(jīng)濟(jì)比較

通過對上述4種采煤方法作技術(shù)分析后，結(jié)合白集礦生產(chǎn)情況作進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)比較。構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)P，見式 （1），使其費(fèi)用最低。

式中，Hi為工作面第i項費(fèi)用，元/t;P為工作面噸煤成本，元/t。

約束條件:煤層厚度M取6m，工作面長L取80～100m。

依據(jù)白集礦具體生產(chǎn)技術(shù)條件，建立求解目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值的函數(shù)模型，并通過計算機(jī)編程求解，經(jīng)濟(jì)比較參數(shù)見表1。

計算結(jié)果表明:偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法噸煤費(fèi)用為76.8元/t;斜切分段放頂煤采煤法噸煤費(fèi)用為96元/t;深孔爆破鉆孔通風(fēng)無人工作面采煤法噸煤費(fèi)用為67.4元/t;偽傾斜分層走向長壁全部垮落采煤法噸煤費(fèi)用為78.3元/t。

綜合技術(shù)分析和經(jīng)濟(jì)比較得出:斜切分段放頂煤采煤法噸煤費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他3種;偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法因其支架對斷層、煤層厚度和傾角等產(chǎn)狀變化的適應(yīng)性比較差，容易因故障停產(chǎn);深孔爆破鉆孔通風(fēng)無人工作面采煤法噸煤成本最低，但掘進(jìn)率高，采出率低，含矸率高且存在一定的安全風(fēng)險;偽傾斜分層走向長壁全部垮落采煤法，技術(shù)上可行，且生產(chǎn)成本較低。

表1 經(jīng)濟(jì)比較參數(shù)

3 多目標(biāo)決策

在以上技術(shù)分析和經(jīng)濟(jì)比較的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步確定最優(yōu)采煤方法，利用最高積分法根據(jù)多目標(biāo)決策原理對上述4種可選采煤方法進(jìn)行比較分析。

（1）目標(biāo)選取 根據(jù)當(dāng)前開采技術(shù)條件和采煤評價標(biāo)準(zhǔn)，選取噸煤費(fèi)用、單產(chǎn)、工效、含矸率、煤塵及采出率等6個目標(biāo)。

（2）確定目標(biāo)權(quán)重 一般情況下，目標(biāo)權(quán)重大小反映該目標(biāo)對采煤方法選擇的影響程度。為便于計算比較，隱含約定最重權(quán)重值為20。此外，定權(quán)重采用平均權(quán)重法，即幾個專家對6個目標(biāo)所定權(quán)重進(jìn)行平均作為最后各目標(biāo)權(quán)重，見表2。

表2 專家評價表

（3）指標(biāo)無量綱化 由已知地質(zhì)和開采技術(shù)條件及部分計算結(jié)果可得到4種采煤方法的各目標(biāo)的指標(biāo)值。指標(biāo)無量綱是針對這些指標(biāo)為多目標(biāo)決策的需要而進(jìn)行的數(shù)值轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化公式見式（3），其中隱含約定最好指標(biāo)值無量綱化結(jié)果為10，見表3。

表3 目標(biāo)的指標(biāo)值及其無量綱化

式中，Bij為i方案j指標(biāo)的無量綱化結(jié)果值;Aij為i方案j指標(biāo)的指標(biāo)值;Aj0為j指標(biāo)的最優(yōu)值;Ajmax為j指標(biāo)的最大值;Ajmin為j指標(biāo)的最小值。

（4）決策模型 根據(jù)多目標(biāo)決策方法采用最

式中，Dzi為i方案的多目標(biāo)決策積分結(jié)果;φj為j指標(biāo)權(quán)重。

根據(jù)白集礦的地質(zhì)與開采條件，以及當(dāng)前技術(shù)條件和評價標(biāo)準(zhǔn)，賦予以上6個目標(biāo)權(quán)重值見表4高積分法，可得決策模型見式 （4），求其最大值。所示，其目標(biāo)值見表5。

表4 目標(biāo)權(quán)重值

（5）決策結(jié)果分析 將以上所選參數(shù)輸入計算機(jī)計算，最終積分值見表6。

由表6可知:偽傾斜分層走向長壁全部垮落采煤法積分最高，也是多目標(biāo)決策的最優(yōu)方案。

表5 4種采煤方法的目標(biāo)值

表6 4種采煤方法最終積分值

通過技術(shù)分析、經(jīng)濟(jì)比較和多目標(biāo)決策研究得出，白集礦急傾斜松軟厚煤層的最優(yōu)開采方法為偽傾斜分層走向長壁全部垮落采煤法。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

白集礦試驗區(qū)域3121工作面，面長85m，傾角45～55°，采用偽傾斜分層走向長壁全部垮落采煤法，實現(xiàn)了安全高效的回采。該工作面平均月產(chǎn)11873t，工效4.64t/工，采出率達(dá)到了85.6%，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時形成了適用其地質(zhì)條件和技術(shù)水平的開采技術(shù)體系，為該礦類似條件的區(qū)域煤層開采提供了依據(jù)。

5 主要結(jié)論

（1）急傾斜煤層選擇開采方法時應(yīng)重點考慮煤層傾角、厚度、硬度及圍巖特性，分析采煤工藝和設(shè)備配套在特殊地質(zhì)條件下的可行性和適應(yīng)性，選擇與地質(zhì)條件和技術(shù)水平相匹配的開采方法。

（2）綜合運(yùn)用技術(shù)分析、經(jīng)濟(jì)比較和多目標(biāo)決策的方法，對急傾斜松軟厚煤層選擇開采方法的研究是可行的，研究得出白集礦急傾斜松軟厚煤層的最優(yōu)采煤方法為偽傾斜分層走向長壁全部垮落采煤法。

（3）基于技術(shù)分析、經(jīng)濟(jì)比較和多目標(biāo)決策的研究方法所確定的采煤方法在現(xiàn)場得到成功應(yīng)用，為同類煤層選擇最優(yōu)開采方法提供有益借鑒。

［1］杜計平，孟憲銳.采礦學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

［2］姬王鵬.急傾斜煤層綜采工作面頂板活動規(guī)律與支架穩(wěn)定性研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2011.

［3］劉 勇，鄭 偉.急傾斜煤層采煤方法優(yōu)化探討［J］.煤炭工程，2009（10）:12－13.

Steeply Inclined Soft Thick Coal-seam Mining Method in Baiji Colliery

WANG Jun，GONG Si-yuan，ZHOU Shao-hua
（1.China Coal Import＆ Export Company，Beijing 100011，China;2.Management School，China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou 221116，China;3.Changcun Colliery，Henan Dayou Energy Co．，Ltd，Yima 472302，China）

Combining current mining experience of steeply-inclined coal-seam，4 mining methods which fit for steeply-inclined soft thick coal-seam in Baiji Colliery were put forward.By economic comparison，multi-goal decision was applied to selecting optimal mining method.This could provide reference for mines with similar condition.

steeply-inclined soft thick coal-seam;mining method;technology analysis;economic comparison;multi-goal decision

TD823.21 3

A

1006-6225（2012）02-0034-04

2012－03－09

江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目 （PAPD）;江蘇省博士后科研資助計劃項目 （1002004B）

王 君 （1981－），男，江蘇江都人，助教。主要從事礦山壓力與安全高效開采方面的研究。

［責(zé)任編輯:于海湧］