正升煤礦采煤工藝的分析和選擇

曹旭平

(山西約翰芬雷華能設計工程有限公司，山西 太原 030002)

0 引言

在煤礦開采中，井下采礦作為一項核心環(huán)節(jié)，其采煤工藝直接關乎到井下采礦的效率與安全，這主要是由于井下采礦作業(yè)特點決定的。如何使煤礦井下采煤工藝合理、高效、安全性不斷提高，已經(jīng)成為煤礦開采工作中重點關注及亟待解決的問題。因此，探討分析正升煤礦井下采煤工藝應用實踐具有重要的理論意義和現(xiàn)實指導作用。

1 正升煤礦基本情況

1.1 基本情況

正升煤礦為兼并重組整合礦井，由山西楊家莊煤業(yè)有限公司、山西楊家莊金泰和煤業(yè)有限公司、山西楊家莊安源煤業(yè)有限公司、山西汾陽金平煤業(yè)有限公司、山西汾陽安興煤業(yè)有限公司5個小型煤礦資源整合而成。設計生產(chǎn)能力90萬t/a，斜立井混合開拓，其中主斜井為新建斜井、改造原金平煤業(yè)有限公司副立井為礦井副立井、改造原金泰和煤業(yè)有限公司主立井為礦井回風立井。礦井地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，開采技術條件簡單，主采煤層平均厚度7.24 m，水文地質(zhì)條件中等，發(fā)熱量高，煤質(zhì)優(yōu)良，市場前景好。

1.2 煤礦存在的主要問題

正升礦井是多個小型煤礦整合而成，這些小煤礦又分別為2005年多個小煤窯整合而成，幾經(jīng)整合，更換業(yè)主，煤礦原始狀況，特別是井下開采狀況，資料缺失，雖經(jīng)地質(zhì)部門搜集整理、調(diào)查了解，但由于年代久遠，人員變化較大，資料缺失嚴重。要徹底查明井下開采現(xiàn)狀，老巷、老空分布情況難度很大，這給礦井建設和生產(chǎn)帶來巨大安全隱患。井田內(nèi)鉆孔施工年代跨度大，封孔情況及封孔質(zhì)量不詳。報廢井筒個數(shù)、位置、處理方式等不明，這些有可能溝通上下含水層、地表水或者采空區(qū)、老空區(qū)積水，積氣等。井田勘探報告采用的瓦斯鑒定資料為整合前個別礦井近年來瓦斯鑒定結(jié)果，由于采煤方法、通風條件變化，鑒定結(jié)果不能準確反映整合后礦井瓦斯情況。

2 正升煤礦采區(qū)布置

2.1 采區(qū)數(shù)目和位置

首采區(qū)數(shù)目：根據(jù)礦井開拓布置及達產(chǎn)時工作面?zhèn)€數(shù)，達到設計生產(chǎn)能力時移交一個采區(qū)。

首采區(qū)位置選擇：根據(jù)井田開拓部署及采區(qū)劃分，91采區(qū)東以F3斷層為界，西至井田邊界，南、北邊界均為井田邊界，采區(qū)面積大，儲量豐富，服務年限長，勘探程度高，9+10+11號煤層未經(jīng)開采，推薦作為首采區(qū)。

首采區(qū)特征：采區(qū)東西走向長1.8～4.2 km，南北傾斜寬1.1～2.5 km，面積約3.12 km2。采區(qū)內(nèi)含煤1層，即9+10+11號煤層，可采儲量31.62 Mt。

2.2 煤層分組、開采順序

煤層分組：上組煤層和9+10+11號煤層平均間距約70 m，不能采取聯(lián)合開采，按煤層分組布置。

開采順序：兩煤層相距較遠，經(jīng)計算2號煤層處于9+10+11號煤層開采所形成的冒裂帶之上，具備上行開采條件。但本井田2號煤層開采殆盡，不影響初期9+10+11號煤層的開采，因此為避免“蹬空”開采，可根據(jù)9+10+11號煤層開采計劃，適時安排上組煤層開采，實行上行開采方案。

2.3 采區(qū)巷道布置

根據(jù)推薦的井田開拓方案，首采區(qū)布置在91采區(qū)，利用西翼膠帶運輸大巷、西翼輔助運輸大巷、西翼回風大巷作為采區(qū)準備巷道，在大巷北側(cè)布置回采巷道，輔助運輸順槽通過聯(lián)絡巷與西翼輔助運輸大巷相聯(lián)，膠帶運輸順槽與西翼膠帶運輸大巷直接連接，膠帶輸送機直接搭接；輔助運輸順槽與西翼回風大巷通過回風聯(lián)絡巷聯(lián)接。

2.4 采區(qū)車場、裝車點及硐室

井下輔助運輸大巷采用無軌膠輪車運輸方式，與工作面輔助運輸順槽采用中部平車場、聯(lián)絡巷方式聯(lián)絡，工作面設備由無軌膠輪車直接運送至工作面。

煤炭運輸采用帶式輸送機，順槽內(nèi)可伸縮膠帶輸送機和大巷帶式輸送機直接搭接。

3 正升煤礦采煤工藝選擇

3.1 開采技術條件

正升礦井的主要可采煤層為9+10+11號煤層，位于太原組，全區(qū)穩(wěn)定可采，厚度6.17～8.28 m，平均7.24 m，該煤層結(jié)構(gòu)較簡單，一般含0～2層夾矸，偶含4層。頂板為石灰?guī)r，局部有泥巖偽頂，底板多為泥巖，局部為炭質(zhì)泥巖。9+10+11號煤層自然傾向性為容易自燃，煤塵具有爆炸危險性，屬低瓦斯礦井。煤層埋藏較淺，地溫、地壓正常，水文地質(zhì)條件簡單。

3.2 采煤方法

正升煤礦主采煤層為9+10+11號煤層，根據(jù)煤層地質(zhì)構(gòu)造及賦存特征，9+10+11號煤層采用長壁式采煤方法，后退式開采，全部冒落法管理頂板。

3.3 厚煤層采煤工藝

大采高一次采全高：通常大采高綜采被認為是指采煤機割煤高度和分層高度大于3.5 m的綜采，但事實上伴隨大采高技術和設備的不斷進步與更新，大采高工作面目前最大采高已經(jīng)可以達到6 m，成為了我國煤礦礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效的主要井下采礦工藝之一。與分層開采相比，大采高一次采全高的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①實現(xiàn)了煤炭資源利用率的提高，有利于煤炭資源的保護；②煤層掘進量小，使得采掘關系得到了有效緩和以及掘進費用低；③使得回采工作面搬家次數(shù)減少，從而節(jié)省了設備搬遷安裝工作量和安裝費用；④與普通采煤工藝相比，回采工作面單產(chǎn)開采量提高了1～3倍；⑤提高了塊煤率，增加了煤炭售價；⑥減少了注黃泥漿和鋪網(wǎng)等工序，節(jié)省了材料及巷道維修費用；⑦有利于礦井實現(xiàn)集中生產(chǎn)，達到了提效、減面、減人等目標；⑧減少了通風、運輸環(huán)節(jié)，一定程度上降低了事故的發(fā)生幾率；⑨提高了勞動生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。缺點是設備大，巷道斷面大，設備運輸和搬家較難，采煤面容易片幫。

人工假頂分層開采：所謂人工假頂分層開采是指將厚煤層分成若干層，上分層要為下分層鋪設人工假頂?shù)囊环N采煤工藝，適用于煤層頂板中等冒落，直接頂具有一定厚度的緩傾斜及傾斜厚煤層。這種采煤工藝的優(yōu)點是能夠有效提高煤炭回收率，使厚煤層回采率最高可以達到95%以上，但由于鋪設假頂工作量大，工藝復雜，不僅需要更多的人力，而且推進速度比較慢，巷道及下分層頂板維護困難，這些都使得生產(chǎn)組織管理復雜，雖然巷道掘進率高，但相應地提高了勞動生產(chǎn)成本。

綜采放頂煤采煤法：①早在1982年，我國的綜采放頂煤采煤試驗就分別在陽泉、潞安、平頂山、沈陽礦務局等煤礦施行，自此綜采放頂煤采煤法在我國得到了極大的發(fā)展，并獲得了廣泛的推廣應用，出現(xiàn)了兗州、陽泉、潞安等主要采用綜采放頂煤采煤法的大型高產(chǎn)高效礦區(qū)。近些年來，伴隨綜采放頂煤技術的不斷進步以及設備的日趨完善，綜采放頂煤采煤法因為具有高產(chǎn)、高效、安全、低耗、適應性強等優(yōu)點，每當有厚煤層需要開采的時候，綜采放頂煤采煤法就成為了首選采礦工藝。據(jù)悉在2000年就有12個工作面通過運用綜采放頂煤采煤法實現(xiàn)了年產(chǎn)量超過2.00 Mt/a，而在2006年，兗州東灘礦綜采放頂煤工作面的單產(chǎn)達6.08 Mt/a，通過采用綜采放頂煤采煤法所帶來的經(jīng)濟效益非常明顯；②可以看到雖然綜采放頂煤采煤法有著許多優(yōu)點，然而不管哪一種采煤方法其優(yōu)點都是基于其試用條件的，如果沒有了適用條件，其優(yōu)點就沒有了存在的基礎。放頂煤由于主要是借助礦山壓力實現(xiàn)破煤，所以對煤層的賦存條件及可放性有著一定要求。結(jié)合我國多年的綜采放頂煤采煤工藝經(jīng)驗，可以看到主要有煤層厚度和頂?shù)装鍙姸?、開采深度、煤巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度、煤層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、頂板條件、瓦斯及水文地質(zhì)條件、自然發(fā)火等因素影響頂煤冒放性。

3.4 采煤工藝選擇

正升煤礦煤層條件分析：①通過有限元計算的頂煤破壞系數(shù)可以尋找到頂煤冒放性與開采深度的關系規(guī)律。通常情況下，當開采深度大于400 m的時候，此時頂煤易于冒落。本井田9+10+11號煤層采區(qū)埋深從80～420 m，從開采深度看，頂煤冒放性好；②煤層頂?shù)装鍙姸取镜V9+10+11號煤層頂板為K2灰?guī)r、致密、堅硬，厚度一般4.50 m左右。抗壓強度35.2～68.6 MPa，底板泥巖抗壓強度試驗為12.0～14.6 MPa，9+10+11號煤冒放性較好；③煤層厚度—本礦首采區(qū)域9+10+11號煤層平均厚度7.24 m，采高3.0 m，頂煤厚度平均為3.70 m左右，平均采放比1∶1.23，符合《煤礦安全規(guī)程》第68條規(guī)定；④煤層結(jié)構(gòu)—本井9+10+11號煤通常含夾矸0～2層，夾矸多為泥巖，且夾矸巖石強度相對較低，由于和煤層的強度基本相近，因此不會對頂煤的冒放性產(chǎn)生較大影響。

采煤工藝確定：根據(jù)以上采煤工藝分析，結(jié)合本礦9+10+11號煤層賦存情況及頂?shù)装鍡l件、冒放性的分析，適用于一次采全高和綜采放頂煤采煤法，由于厚煤層一次采全高綜采面的最大采高不宜超過5 m，結(jié)合鄰近高陽煤礦開采9+10+11號煤層冒放性好、無需人工強制放頂實踐經(jīng)驗，正升礦井將采用綜采放頂煤采煤工藝。

確定的工藝優(yōu)點：①采煤方法容易實現(xiàn)高產(chǎn)；②巷道掘進率低，能夠顯著緩和礦井采掘關系；③單位進度采煤能力大，相對減少了工作面搬家次數(shù)；④能夠明顯降低采煤成本，采煤方法更靈活。

4 結(jié)語

為了不斷提升煤礦采煤效率和質(zhì)量，各個煤礦企業(yè)有必要結(jié)合礦井的具體情況，探討如何通過相應的采煤工藝提高采煤工作的效率和質(zhì)量具有重要的意義，對開采煤礦的技術、設備進行改進和創(chuàng)新，選擇合理采煤工藝，提高采煤工作的安全性，進而促進煤礦行業(yè)健康有序發(fā)展。