采空區(qū)下特厚煤層綜放開采技術(shù)實(shí)踐

尚雁文，于洋

（1.同煤國電同忻煤礦有限公司，山西大同 037001；2.同煤集團(tuán)忻州窯礦，山西大同 037021）

采空區(qū)下特厚煤層綜放開采技術(shù)實(shí)踐

尚雁文1，于洋2

（1.同煤國電同忻煤礦有限公司，山西大同 037001；2.同煤集團(tuán)忻州窯礦，山西大同 037021）

通過對同忻礦石炭系3-5號層8107綜放工作面地質(zhì)條件的分析，確定了合理的開采工藝，解決了采空區(qū)積水防治、上覆采空區(qū)CO氣體下泄、防滅火等問題，使工作面回收率達(dá)94%，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效。

特厚煤層；綜放開采；采空區(qū)積水；CO氣體下泄；防滅火

同忻礦現(xiàn)開采石炭系3號-5號煤層，該煤層位于侏羅系煤層之下，為一特厚煤層，采用綜采放頂煤開采。3號-5號煤層屬易自燃煤層，自然發(fā)火期3～6個月。上覆侏羅系煤層群存在多層采空區(qū)，采空區(qū)積水、瓦斯、煤炭自燃等災(zāi)害，增加了石炭系煤層防治水、火、瓦斯的難度。

1 工作面情況

1.1 地質(zhì)概況

同忻礦石炭系3號-5號煤層8107工作面平均走向長度1 709 m，傾向長度200 m，煤層厚度12.79～19.55 m，平均厚度15.32 m。煤層中以半亮型煤為主，半暗型煤次之，弱玻璃到玻璃光澤，塊狀，參差狀或階梯狀斷口，內(nèi)生裂隙發(fā)育，夾有鏡煤條和薄層暗煤，較破碎，易塌落，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，煤層含夾石6層左右。工作面基本頂為粉、細(xì)砂巖、中砂巖、含礫粗砂巖，直接頂為粗砂巖，直接底為炭質(zhì)泥巖。

1.2 巷道布置

8107工作面為一進(jìn)二回三巷布置，其中2107巷、5107巷沿3號-5號煤層底板布置，8107頂抽巷沿3號-5號煤層頂板穩(wěn)定巖層布置。三條巷道均為矩形斷面，使用錨、網(wǎng)、索聯(lián)合支護(hù)。2107巷為運(yùn)輸、進(jìn)風(fēng)巷，巷道凈寬5 300 mm，凈高3 600 mm；5107巷為運(yùn)料、回風(fēng)巷，巷道凈寬5 300 mm，凈高3 700 mm；8107頂抽巷凈寬3 600 mm,凈高2 700 mm，與5107巷內(nèi)錯20 m布置，為工作面專用抽瓦斯巷。8107工作面巷道布置示意圖，見圖1。

2 開采工藝

根據(jù)3號-5號煤層賦存條件、頂板巖性及頂煤冒放性等因素，工作面采用走向長壁后退式低位放頂煤開采工藝。經(jīng)計(jì)算，液壓支架選用ZF15000/ 27.5/42型中支架，ZF13000/27.5/42型過渡架、中支架支架支撐高度為2.75～4.2m，工作阻力15 000 kN，支護(hù)強(qiáng)度1.46 MPa。與中部支架相適應(yīng)，選擇ZFG13000/27.5/42H型低位放頂煤過渡支架和ZTZ20000/30/42型端頭支架。采煤機(jī)選用Eickhoff SL-500型，最大采高5.24 m，截深800 mm，功率1 715 kW，產(chǎn)煤能力2 700 t/h；前、后刮板輸送機(jī)選用JTAFC1050型，功率均為2x1 050 kW，前刮板輸送機(jī)運(yùn)煤能力2 500 t/h，中部槽寬1 000 mm，后刮板輸送機(jī)運(yùn)煤能力3 000 t/h，中部槽寬1 250 mm；轉(zhuǎn)載機(jī)選用JBSL600型，功率600 kW，運(yùn)煤能力3 500 t/h；破碎機(jī)選用JCRSH400型，功率400 kW，破碎能力4 250 t/h；皮帶機(jī)選用DSJ1400/3x500型，功率3x500 kW，運(yùn)煤能力3 500 t/h；乳化液泵選用BRW400/31.5型，功率250 kW，公稱壓力31.5 MPa。

放煤步距,放頂煤方式采用一刀一放多輪順序放煤，循環(huán)進(jìn)度、放煤步距均為0.8 m。

采放比,工作面采用一次采全高放頂煤開采，機(jī)采高度為3.9 m，放煤厚度為11.42 m，采放比1∶2.9。

放頂煤方法,采用多輪順序放煤。采煤機(jī)割完煤移過支架后，滯后移支架5～8架開始放煤，第一個人從2號支架開始，按照2號、3號、4號……順序放第一層煤（每層放2 m左右厚），第二個人與第一個人相距5個支架同樣按照2號、3號、4號……順序放第二層煤（每層放2 m左右厚），第3人和第4人到第5人也按照前兩人的方法順序放煤，之后再折返進(jìn)行放煤，重復(fù)多次，直到把頂煤放完，見矸關(guān)窗。多輪順序放煤方法適用于煤層厚度大于10 m的工作面，可保證煤流均勻，減少運(yùn)輸系統(tǒng)過載而停機(jī)，開機(jī)率高；各層頂煤有時間間隔，上部頂煤有充分的受壓破碎時間，易自然垮落，放煤效果好，回收率高；分層順序放煤，可避免或大大地減少頂板矸石混入煤流[1]，提高煤質(zhì)，避免了大塊矸石堵塞運(yùn)輸系統(tǒng)而造成機(jī)電事故。

3 上覆侏羅系采空區(qū)對石炭系3號-5號煤層開采的影響

為掌握3號-5號煤層開采后頂板運(yùn)移規(guī)律，同忻礦在8100工作面采空區(qū)對應(yīng)地面施工電視鉆孔，對采空區(qū)三帶進(jìn)行觀測。地面電視觀測鉆孔距離2100運(yùn)輸順槽32 m，該處煤層厚度約為13 m。通過觀測，分析得出垮落帶上部邊界距煤層頂板65 m，裂隙帶頂部距離煤層頂板105 m，高度約40 m。根據(jù)分析，石炭系3號-5號煤層開采后垮落帶高度105 m左右，與侏羅系之間可以通過裂隙帶溝通，雙系之間有堅(jiān)硬厚的巖層，可以形成穩(wěn)定的平衡拱。石炭系3號-5號煤層開采后，上覆侏羅系采空區(qū)積水、CO等有害氣體會向石炭系3號-5號煤層運(yùn)移。3號-5號煤層頂板遠(yuǎn)移示意圖，見圖2。因此在3號-5號煤層開采前，必須探明上覆侏羅系采空區(qū)積水、煤層自燃情況，以采取有效防范措施。

4 采空區(qū)積水防治措施

8107工作面上覆為煤峪口礦侏羅系9號、11號、14號煤層采空區(qū)，地表水、砂巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水、火區(qū)灌漿水、開采中的噴霧灑水等原因，使得在采空區(qū)地勢低洼區(qū)可能有積水賦存[2]，且因礦坑不再進(jìn)行排水，使得采空區(qū)內(nèi)的積水范圍和積水量不斷擴(kuò)大，對3號-5號煤層的開采帶來很大隱患。

為防治上覆采空區(qū)水患，在8107工作面開采前，先利用地面瞬變電磁法對全工作面范圍進(jìn)行物探，通過物探勘查，在查明8107工作面上覆為侏羅系采空區(qū)積水范圍和積水量的基礎(chǔ)上，合理布置探放水鉆孔位置，通過探放水鉆孔將采空區(qū)積水排出地表。

瞬變電磁探測使用的儀器是加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電法儀，接收機(jī)兩套，接收線框6個。圖3為三層采空區(qū)中層位最低的14號煤層TEM等視電阻率平面圖，其阻值變化較大，電阻率值介于100 Ω·m～700 Ω·m之間，高阻區(qū)域（粉色、紅色）多為采空區(qū)；低阻區(qū)域（藍(lán)色）多為采空塌陷裂隙富含礦物質(zhì)水，測區(qū)平面未見明顯的低阻采空區(qū)積水異常。上部9號、11號煤層測區(qū)平面也未見明顯的低阻采空區(qū)積水異常。

通過物探成果分析，推斷9號、11號、14號煤層已被大范圍采空，且各層采空區(qū)內(nèi)無明顯的積水異常區(qū)，須在采空區(qū)低洼處施工鉆探放水孔進(jìn)一步驗(yàn)證。在2107巷對應(yīng)地面施工探放水孔2個，井下分別位于從輔運(yùn)巷口往里410 m及1 670 m處，確定該區(qū)無積水現(xiàn)象。5107巷對應(yīng)地面施工探放水孔1個，井下位于從輔運(yùn)巷口往里約1 030 m處，該采空區(qū)無積水現(xiàn)象。通過鉆探，驗(yàn)證了8107工作面上覆侏羅系采空區(qū)無積水。

5 防治上覆采空區(qū)CO下泄措施

根據(jù)對工作面采空區(qū)裂隙帶高度分析，工作面放煤后與上覆采空區(qū)塌通，形成漏風(fēng)通道，同時由于工作面采用抽放方法進(jìn)行瓦斯治理，導(dǎo)致上覆采空區(qū)CO等有害氣體下泄，嚴(yán)重威脅工作面正常開采。為有效治理上覆采空區(qū)CO下泄，故8107工作面采用均壓通風(fēng)系統(tǒng)。采用調(diào)節(jié)風(fēng)窗與調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)聯(lián)合均壓方式，8107工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)示意圖，見圖4。通過調(diào)節(jié)風(fēng)窗和調(diào)壓風(fēng)機(jī)聯(lián)合工作，能夠有效提高綜放工作面風(fēng)壓，使綜放面風(fēng)壓與上覆采空區(qū)氣體壓力相平衡，從而達(dá)到防止上覆采空區(qū)CO下泄的目的。具體實(shí)施步驟如下：a.首先在進(jìn)風(fēng)巷側(cè)實(shí)施專用均壓專用措施巷，用于放置風(fēng)機(jī)及鐵質(zhì)風(fēng)筒，并在巷內(nèi)施工一道密閉墻，墻體上砌筑三趟鐵風(fēng)筒和一個調(diào)節(jié)風(fēng)窗，將三組風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒安裝好；b.在進(jìn)風(fēng)斜巷和回風(fēng)繞道內(nèi)各施工三道均壓風(fēng)門，風(fēng)門間距能滿足現(xiàn)場要求，均壓風(fēng)門間設(shè)置閉鎖報警裝置；c.在回風(fēng)巷施工三道均壓調(diào)節(jié)，間距能滿足現(xiàn)場要求，并設(shè)置閉鎖報警裝置；d.待以上工作完成后，開啟局部通風(fēng)機(jī)，利用回風(fēng)巷均壓調(diào)節(jié)風(fēng)窗調(diào)整回風(fēng)巷風(fēng)壓和風(fēng)量，從而達(dá)到均壓、調(diào)風(fēng)的目的。

8107工作面當(dāng)2107巷推進(jìn)127.6 m，5107巷推進(jìn)129.1 m時，工作面采空區(qū)與上覆采空區(qū)導(dǎo)通，造成8107工作面CO氣體濃度超限，上隅角CO氣體濃度最大達(dá)106x10-6。監(jiān)測到CO濃度超限后，及時開啟了均壓通風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)過2個多小時的均壓通風(fēng)，工作面氣體便恢復(fù)正常，上隅角CO濃度穩(wěn)定在6x10-6以下，風(fēng)量為2 100 m3/min，進(jìn)風(fēng)壓差785 Pa，回風(fēng)壓差863 Pa，保證了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

6 防滅火措施

因放頂煤工作面煤層厚度大，采空區(qū)遺煤多，巷道斷面大，8107工作面配風(fēng)量較大，為2 319 m3/min，故遺留在采空區(qū)的浮煤極易氧化自燃，必須采取綜合防滅火措施防止煤炭自燃。

6.1 采空區(qū)注氮

當(dāng)?shù)獨(dú)庾⑷氩煽諈^(qū)后，在不改變采空區(qū)內(nèi)部氣體壓力場分布的情況下，氮?dú)獾某淙虢档土瞬煽諈^(qū)內(nèi)部氧氣的濃度，從而達(dá)到惰化采空區(qū)并抑制采空區(qū)自然發(fā)火的目的[3]。

8107工作面采用預(yù)埋雙管注氮工藝。具體方法是：在8107工作面的進(jìn)風(fēng)側(cè)沿進(jìn)風(fēng)順槽埋設(shè)1趟注氮管路。當(dāng)埋入采空區(qū)20 m后開始注氮，同時又埋入第二趟注氮管路。當(dāng)?shù)诙俗⒌墓芸诼袢氩煽諈^(qū)20 m時向采空區(qū)注氮，同時埋設(shè)第3趟注氮管路，當(dāng)?shù)谝惶斯苈仿袢氩煽諈^(qū)60 m時停止注氮。如此循環(huán)，直至工作面采完為止。注氮管口的錯距定為20 m。

6.2 減少采空區(qū)漏風(fēng)量防滅火

a.減少工作面供風(fēng)量和壓差防止自然發(fā)火。在滿足瓦斯排放的最小風(fēng)量的條件下，確定了工作面最佳風(fēng)量。

b.堵漏防滅火。在漏風(fēng)壓差固定的條件下，采空區(qū)的漏風(fēng)量與其滲透系數(shù)成正比。在工作面進(jìn)回風(fēng)側(cè)進(jìn)行封堵，減少工作面漏風(fēng)通道，增大工作面氣密性，進(jìn)而減小工作面采空區(qū)松散煤巖的滲透系數(shù)。在進(jìn)、回風(fēng)側(cè)沿工作面推進(jìn)方向上錯位布設(shè)粉煤灰墻，墻體的具體尺寸視采空區(qū)垮落程度；在具體布設(shè)時，進(jìn)風(fēng)側(cè)在距離工作面煤壁3～5 m的采空區(qū)布設(shè)粉煤灰墻，其后每隔一天布設(shè)一道墻，根據(jù)工作面每天推進(jìn)度而言，具體距離為8～12 m；回風(fēng)側(cè)和進(jìn)風(fēng)側(cè)每兩天交替各布設(shè)一堵粉煤灰墻。

6.3 加快工作面推進(jìn)速度防滅火

推進(jìn)速度加快，使得遺煤在氧化升溫帶的時間縮短，采空區(qū)遺煤還沒有充分氧化就進(jìn)入了窒息區(qū)，氧氣濃度下降，氧化強(qiáng)度逐漸減弱直至停止。

采用束管對工作面溫度、CH4濃度和CO濃度的進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，進(jìn)而得到采取該綜合防滅火措施的實(shí)施效果。

7 開采效果

7.1 取得的效果

8107工作面開采歷時8.2個月，共計(jì)推進(jìn)1 424 m，平均日推進(jìn)5.8 m，日循環(huán)數(shù)0.73個?；卷敵醮蝸韷翰骄?07.5 m，周期來壓66次，周期來壓步距平均19.9 m。工作面共生產(chǎn)原煤875.8萬t，月均產(chǎn)煤106.8萬t，回收率達(dá)94%。

7.2 存在的問題

a.頂煤完整性較差，頂板較酥軟，液壓支架初撐力有時不能達(dá)到要求，當(dāng)采空區(qū)大面積垮落時，易將支架摧前，導(dǎo)致前伸梁千斤、護(hù)幫千斤、支架后擺梁千斤損壞。

b.工作面來壓前后，煤壁片幫大，機(jī)道頂煤局部破碎，易出現(xiàn)支架前頂煤冒落現(xiàn)象。須超前移架，及時將支架升緊、升平。

c.因開采強(qiáng)度大，臨空巷壓力大，巷道底鼓、幫鼓及頂板下沉嚴(yán)重，超前支護(hù)范圍內(nèi)巷道變形嚴(yán)重。

8 結(jié)束語

通過8107放頂煤工作面開采實(shí)踐，逐步解決了工作面上覆采空區(qū)積水防治、CO等有害氣體下泄防治、防滅火等技術(shù)難題，初步掌握了采空區(qū)下特厚煤層一次采全高放頂煤開采技術(shù)，為同類條件工作面開采提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

[1]孟憲臣，王永祥.煤礦開采方法[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2]王培盛，閻志義，聶秀英.大同礦區(qū)采空區(qū)積水的預(yù)測與防治[J].煤礦安全，2003，34（7）：26-28.

[3]孟凡龍.大同塔山礦石炭系特厚煤層綜采放頂煤工作面防火技術(shù)實(shí)踐[J].煤礦安全，2008，39（7）：44-47.

Fully-mechanized Mining in Ultra-thick Seam under Goaf

SHANG Yanwen1，YU Yang2
(1.Tongxin Mine,Datong Coal Mine Group,Datong 037001,China; 2.Xinzhouyao Mine,Datong Coal Mine Group,Datong 037021,China)

The analysis on the geological condition of 8107 fully-mechanized mining face among No. 3-No.5 carboniferous seam determined the rational mining technology to solve problems,including:water control in goaf,CO discharge in overlying goaf,and fire control,which increased the recovery rate to 94% and realized efficient production in Tongxin Mine.

ultra-thick seam;fully-mechanized mining;goaf water;CO discharge;fire control and prevention

TD823.8

A

1672-5050（2015）02-0024-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.009

（編輯：劉新光）

2015-01-21

尚雁文(1973-)，男，山西大同人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦開采技術(shù)工作。