復(fù)雜厚煤層回采工作面采煤方法研究

鄭建平

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

陽泉礦區(qū)是我國最大的無煙煤生產(chǎn)基地，15號(hào)煤(俗稱丈八煤)煤層厚度大、煤質(zhì)好，是礦區(qū)主采煤層之一，但礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、瓦斯含量高，煤層賦存條件較為復(fù)雜。

綜采放頂煤采煤法在1988年引入陽煤集團(tuán)以來，一直是15號(hào)煤層的主要采煤方法，并為陽煤集團(tuán)的持續(xù)發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)[1]。進(jìn)入新世紀(jì)以來，伴隨著我國綜采設(shè)備制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，大采高綜采和大采高綜放開采技術(shù)也不斷蓬勃發(fā)展，創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)的高產(chǎn)高效生產(chǎn)紀(jì)錄[2-5]。為不斷提高開采效率，陽煤集團(tuán)近年來通過與各大科研院所合作，陸續(xù)引進(jìn)和應(yīng)用了大采高綜采和大采高綜放開采等先進(jìn)采煤工藝，并積極推廣煤礦智能化開采技術(shù)。但采煤工藝的選擇有其適用性，尤其是特定的煤層地質(zhì)條件是選擇采煤方法的先決條件[6-9]。本文以陽煤二礦81201工作面為工程背景，對(duì)厚煤層復(fù)雜地質(zhì)條件下采煤方法的選擇進(jìn)行了研究。

1 工程概況

81201工作面為陽煤二礦12采區(qū)首采工作面，工作面東、西、北三面均為實(shí)體煤，南部為12采區(qū)準(zhǔn)備巷，埋藏深度為440～669m。工作面開采15號(hào)煤層，煤層總厚度平均為7.24m，含平均1.18m厚泥巖夾矸，煤層傾角為2°～8°，平均4°，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量為1.5m3/min，無煤塵爆炸性，煤層不易自燃。工作面基本頂為12.29m厚的石灰?guī)r與泥巖互層，直接頂為2.28m厚的泥巖，頂板裂隙較為發(fā)育，直接底為2.28m厚的泥巖。工作面總體為一由東向西傾伏的單斜構(gòu)造，其上發(fā)育次一級(jí)寬緩褶曲構(gòu)造，陷落柱較發(fā)育，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。工作面走向長(zhǎng)2062m，傾斜長(zhǎng)220m，共布置進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、內(nèi)錯(cuò)尾巷、高抽巷4條巷道，回風(fēng)巷和內(nèi)錯(cuò)尾巷回風(fēng)。巷道布置見圖1。

圖1 81201工作面巷道布置

2 采煤方法主要影響因素分析

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

81201工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造主要為陷落柱，其特點(diǎn)是數(shù)量多、尺寸大、分布范圍廣、對(duì)工作面回采影響大。根據(jù)上方3號(hào)煤層工作面回采過程中揭露的陷落柱構(gòu)造預(yù)測(cè)，81201工作面回采范圍內(nèi)可能揭露的陷落柱為D82，D114，D115，D54，D100，D105，陷落柱位置分布如圖1所示，各陷落柱的預(yù)測(cè)尺寸以及對(duì)工作面回采影響預(yù)測(cè)如表1所示。當(dāng)采用大采高綜采工藝回采時(shí)，由于機(jī)采高度增加，工作面割矸量也將隨之增大，因此，陷落柱對(duì)大采高工作面的影響程度將明顯大于綜放開采[10-11]。另外，陷落柱附近的煤巖強(qiáng)度降低，也將進(jìn)一步加大大采高工作面煤壁與頂板的管理難度。

表1 81201工作面陷落柱尺寸及對(duì)工作面回采影響預(yù)測(cè)

2.2 頂板條件

為探究81201工作面頂板結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育情況，分別在工作面開切眼、進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷進(jìn)行了頂板鉆孔窺視。圖2為81201工作面頂板窺視素描圖，根據(jù)頂板裂隙發(fā)育程度的不同，分為完整或較完整頂板、微小裂隙發(fā)育頂板、節(jié)理或?qū)永砹严栋l(fā)育頂板以及破碎或較破碎頂板4種類型。由圖2可知，81201工作面頂板裂隙整體較為發(fā)育，完整頂板占比較少，裂隙發(fā)育和破碎頂板占比較多，頂板完整性差。計(jì)劃探孔深度為10m，實(shí)際探孔深度多在5.0m左右，原因主要為頂板破碎發(fā)生塌孔、頂板離層以及頂板淋水影響導(dǎo)致探孔被迫終止。頂板破碎程度嚴(yán)重以及頂板淋水預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)工作面回采過程中頂板控制造成不利影響，不利于大采高綜采的應(yīng)用。

2.3 煤層強(qiáng)度

在81201工作面巷道掘進(jìn)過程中對(duì)15號(hào)煤上下分層分別進(jìn)行了取樣，并按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，得出15號(hào)煤力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果如表2所示。15煤上抗壓強(qiáng)度平均為11.845MPa，15煤下抗壓強(qiáng)度平均為13.199 MPa，均屬松軟煤層，采用5.5m以上大采高綜采時(shí)煤壁片幫的危險(xiǎn)性較大[12-13]。

圖2 81201工作面頂板鉆孔窺視素描

煤巖層試件編號(hào)抗壓強(qiáng)度/MPa平均抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa平均彈性模量/GPa泊松比平均泊松比15煤上1-112.8401-212.7731-39.9221-412.4401-518.10711.8452.43392.46081.62842.02652.02872.1740.3220.3160.3520.2330.2920.33015煤下2-116.5122-213.0282-310.0582-485.5142-583.71513.1992.44501.7449-9.642111.78212.0950.3570.290-0.1130.1340.324

2.4 煤層傾角

81201工作面整體平緩，煤層在傾向呈近水平分布，如圖3所示，76.8%的區(qū)域煤層傾角小于5°，傾角超過10°的區(qū)域比例僅占到2.2%。如圖4

所示，81201工作面進(jìn)風(fēng)巷整體以小角度仰采為主，最大不超過10°，俯采范圍較小，局部超過15°，對(duì)開采影響有限；回風(fēng)巷以小角度仰、俯采為主，仰采和俯采角度大于10°的比例分別為0.9%和2.3%，對(duì)開采影響有限。因此，預(yù)計(jì)煤層傾角對(duì)81201工作面回采以及采煤方法選擇影響較小。

圖3 81201工作面傾角分布

圖4 81201工作面巷道走向角度分布(角度小于0表示俯采)

2.5 煤層及夾矸厚度

根據(jù)陽煤二礦12采區(qū)15號(hào)煤層相關(guān)地質(zhì)鉆孔柱狀圖以及在81201工作面巷道過程中探煤鉆孔，生成12采區(qū)81201工作面頂煤、夾矸、底煤厚度分布圖，如圖5所示。

統(tǒng)計(jì)81201工作面頂煤、夾矸、底煤厚度及儲(chǔ)量如表3所示。結(jié)果顯示，81201工作面頂煤、夾矸、底煤平均厚度分別為3.97，1.18，2.08m，儲(chǔ)量分別為2.3082，0.9817，1.2089Mt，煤層(含夾矸)總厚度平均為7.24m，煤炭?jī)魞?chǔ)量為3.4949Mt。

圖5 81201工作面頂煤、夾矸和底煤厚度等值線分布

表3 81201工作面煤層和夾矸厚度、儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)目前81201煤層賦存特征以及陽煤集團(tuán)15號(hào)煤層開采經(jīng)驗(yàn)，有割煤高度6.5m大采高綜采、割煤高度4.5m大采高綜采開采15煤上以及綜采放頂煤等3種開采方法可供選擇。煤層夾矸巖性為泥巖，強(qiáng)度較低，堅(jiān)固性系數(shù)f≤4.0，采用放頂煤開采時(shí)，可選擇生產(chǎn)能力和割煤高度較大的大采高綜放開采，配備大功率采煤機(jī)，實(shí)現(xiàn)夾矸的直接切割，減小夾矸對(duì)放頂煤的影響。3種開采方法技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表4所示，計(jì)算時(shí)大采高綜放的割煤高度取3.8m。

從出煤量與出矸量可知，在不考慮頂板混矸的情況下，采用4.5m大采高只開采15煤上時(shí)，采出夾矸率為0，但出煤量和煤炭采出率最低。若只采上層煤棄采下層煤，會(huì)造成煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重，而采用分層開采上下層煤時(shí)，采法工序復(fù)雜，開采效率低[14]，并會(huì)打亂采掘銜接計(jì)劃，因此不建議采用該種開采方法。采用6.5m大采高綜采時(shí)，由于需要留一定厚度底煤，實(shí)際煤炭采出率低于3.8m大采高綜放開采，含矸率也略高于3.8m大采高綜放開采。且根據(jù)工作面煤層賦存條件及陽煤集團(tuán)大采高綜采使用經(jīng)驗(yàn)，采用6.5m大采高綜采時(shí)煤壁和頂板的管理難度很大，受陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的影響程度也更大，另外，布置一個(gè)大采高工作面的初期設(shè)備投資也遠(yuǎn)大于綜放工作面。

表4 81201工作面3種采法條件下技術(shù)參數(shù)

注：15號(hào)煤容重取1.4t/m3，夾矸容重取2.0t/m3，割煤采出率取93%，放煤采出率取80%。

因此，綜合煤層開采條件以及經(jīng)濟(jì)、安全性等3方面對(duì)比分析，認(rèn)為大采高綜放開采是81201工作面合理的采煤方法。

3 大采高綜放工作面割煤高度確定

綜放工作面割煤高度的確定主要考慮煤壁穩(wěn)定性以及頂煤冒放性兩方面因素，割煤高度的增大有利于頂煤的充分破壞，但不利于煤壁穩(wěn)定性的管控。以陽煤二礦81201工作面煤層賦存條件為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)綜放開采不同割煤高度下煤壁穩(wěn)定性及頂煤冒放性進(jìn)行了分析，如圖6所示。以煤壁最大水平位移量來表征煤壁穩(wěn)定性，以頂煤拉伸破壞面積占支架上方頂煤總面積的比值來表征頂煤冒放性好壞，并將該系數(shù)定義為頂煤拉伸破壞性系數(shù)，且將頂煤拉伸破壞系數(shù)大于50%作為判斷頂煤冒放性好壞的臨界值。

圖6 割煤高度4.0m時(shí)煤壁及頂煤體塑性區(qū)分布情況

圖7為割煤高度4.0m時(shí)煤壁及頂煤體塑性區(qū)分布情況。

圖7 不同割煤高度煤壁最大水平位移和頂煤拉伸破壞性系數(shù)

如圖7所示，隨著割煤高度的增加，煤壁最大水平位移和頂煤拉伸破壞性系數(shù)均呈增大趨勢(shì)；當(dāng)工作面割煤高度達(dá)到3.0m以上時(shí)，頂煤具有良好的冒放性，割煤高度繼續(xù)增大時(shí)，主要考慮煤壁穩(wěn)定性的影響；當(dāng)割煤高度達(dá)到4.0m時(shí)，煤壁最大水平位移增加量明顯超過頂煤拉伸破壞性系數(shù)的增加量，因此從煤壁穩(wěn)定性的角度考慮，工作面割煤高度不宜超過4.0m。

考慮煤層夾矸厚度及發(fā)育層位，工作面割煤高度應(yīng)不低于3.26m，最終取81201工作面割煤高度為3.8m，放煤高度為3.44m，采放比為1∶0.9。

4 結(jié) 論

(1)陽煤二礦81201工作面陷落柱構(gòu)造發(fā)育，頂板破碎，煤層松軟，不利于大采高綜采的應(yīng)用。

(2)對(duì)比6.5m，4.5m大采高綜采以及3.8m大采高綜放開采3種采煤工藝可知，3.8m大采高綜放開采煤炭采出率最高，且含矸率低于6.5m大采高綜采。通過煤層開采條件以及經(jīng)濟(jì)、安全性綜合分析，認(rèn)為大采高綜放開采具有明顯優(yōu)越性。

(3)通過綜放開采不同割煤高度下煤壁穩(wěn)定性及頂煤冒放性的數(shù)值模擬分析，得出81201工作面割煤高度應(yīng)不高于4.0m，并考慮夾矸厚度及發(fā)育層位影響，最終取工作面合理割煤高度為3.8m。