彬長礦區(qū)多重災(zāi)害條件下工作面采煤方法及工藝參數(shù)研究

孫東飛

(中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

彬長礦區(qū)是國家規(guī)劃建設(shè)的14個大型煤炭基地之一——黃隴基地的核心區(qū)域，是我國實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重要地區(qū)，是陜西省能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移接續(xù)區(qū)的主要礦區(qū)，肩負(fù)著陜西關(guān)中地區(qū)主要能源供應(yīng)的任務(wù)。煤層賦存條件好，一般為厚到特厚的近水平煤層，煤質(zhì)優(yōu)良；外部建設(shè)條件便利。規(guī)劃建設(shè)的多為大型、特大型礦井。但礦區(qū)大部分礦井存在瓦斯大、動壓現(xiàn)象強、煤層易自燃、煤塵易爆炸、水文條件復(fù)雜、熱害嚴(yán)重等問題[1-5]，井下災(zāi)害種類多，多種災(zāi)害的耦合使得災(zāi)害防治變的更為復(fù)雜，如何合理確定采煤方法及工藝參數(shù)成為影響煤礦“安全、高效”生產(chǎn)的主要因素。本文在深入調(diào)研礦區(qū)內(nèi)大佛寺煤礦、亭南煤礦、下溝煤礦、胡家河煤礦、高家堡煤礦、小莊煤礦、文家坡煤礦的工作面實際生產(chǎn)情況的基礎(chǔ)上，分析了彬長礦區(qū)典型災(zāi)害種類及特征，以及各災(zāi)害耦合作用關(guān)系，提出了采煤方法及工藝參數(shù)確定的原則和經(jīng)驗結(jié)論，對同類礦井的設(shè)計、建設(shè)及生產(chǎn)組織有一定借鑒意義。

1 采煤方法研究

彬長礦區(qū)煤層厚度大，最厚達(dá)26m。目前，對于特厚煤層開采的常規(guī)辦法主要是分層開采。由于彬長礦區(qū)主采煤層頂板洛河組砂巖富水性強，煤層易自然發(fā)火，煤層具有沖擊傾向性的原因，下分層開采需要考慮眾多復(fù)雜的因素，因此盡可能的少分層或者不分層是采煤方法選擇的一個重要思路，也就是上分層盡可能的增加采高。但是，增加采高會提高導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，引發(fā)劇烈的礦壓顯現(xiàn)甚至是沖擊地壓現(xiàn)象，給水文和沖擊地壓防治工作帶來巨大的困難；另一方面，目前國內(nèi)綜采工作面成套設(shè)備的最大采高為8.6m左右，進(jìn)一步提高采高上限需要在裝備制造領(lǐng)域取得更多突破?？紤]到以上因素，大采高一次采全高采煤方法并非在所有情況下都是最優(yōu)方式。通過生產(chǎn)實踐，綜放開采在開采本區(qū)主采煤層或者第一分層時具有明顯優(yōu)勢。首先是可以增大采放總高，使第一分層盡可能的多采；其次是綜采放頂煤采煤法相對于綜采一次采全高支承壓力分布范圍增大，且應(yīng)力明顯降低；在釋放彈性能量方面，放頂煤開采煤層中的彈性能超前釋放，并連續(xù)釋放，減緩頂板來壓的彈性動能，降低沖擊地壓發(fā)生的幾率，有利于沖擊地壓防治[6]；再者，放頂煤采煤方法與一次采全高相比，相同總采高的前提下割煤高度越小，導(dǎo)水裂隙帶波及高度越低，越有利于礦井的防治水或保水采煤。

彬長礦區(qū)煤層強度雖然略高，但煤層埋藏較深，煤層的裂隙較為發(fā)育，在上覆巖層壓覆作用下具有較好的冒放性。因此，根據(jù)本礦區(qū)的煤層賦存特征及開采技術(shù)條件，放頂煤是較為理想的一種采煤方法，放頂煤目前已在彬長礦區(qū)大部分礦井得到應(yīng)用和推廣。

2 采高研究

2.1 割煤高度

割煤高度越高，越有利于提高工作面單產(chǎn)，有利于提高煤炭回收率。但是隨著割煤高度的增大，礦山壓力影響范圍也隨之增大[7]，易造成應(yīng)力集中區(qū)域，增大誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害的可能性。另外，割煤高度的增加還會帶來煤壁片幫的問題。彬長礦區(qū)主采煤層屬侏羅系延安組含煤地層，煤層f系數(shù)一般為1.2～1.8，煤層結(jié)構(gòu)簡單，裂隙發(fā)育，在強礦壓的作用下易形成片幫。追求高產(chǎn)、高效、高回收率應(yīng)建立在安全的前提下，割煤高度應(yīng)盡可能避免誘發(fā)沖擊地壓及煤壁片幫。實踐證明，彬長礦區(qū)煤層回采高度當(dāng)達(dá)到3.8m時，會經(jīng)常性出現(xiàn)礦山壓力異?，F(xiàn)象，小范圍煤壁片幫現(xiàn)象，所以，彬長礦區(qū)一般將煤層割煤高度控制在3.5m左右。

另外，煤層割煤高度加大會使工作面支架、采煤機(jī)等設(shè)備的最大不可拆重量增加。彬長礦區(qū)煤層埋深一般在400～800m，大部分采用立井提升，割煤高度加大同時會帶來提升系統(tǒng)的整體提級，造成礦井輔助提升系統(tǒng)的投資及運營成本加大，經(jīng)濟(jì)效益下降。

2.2 放煤高度

放頂煤采煤方法除了割煤工藝還有放煤工藝。割煤高度確定后，放煤高度一般不大于割煤高度的3倍，放煤高度與割煤高度之和便是工作面的總采高。放煤高度一般從煤層的冒放性、煤層總厚或分層厚度等方面確定，但該礦區(qū)還需重點考慮采放總高及采放比例對上覆洛河組砂巖承壓含水層的影響，即放頂煤工藝參數(shù)對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響。目前國內(nèi)外的導(dǎo)水裂隙帶計算公式只使用于單層采厚1～3m、累計采厚不超過15m的分層一次采全高采煤方法，對于厚、特厚煤層采用放頂煤或分層放頂煤還沒有計算公式。放頂煤開采導(dǎo)水裂隙帶受上覆巖層結(jié)構(gòu)、埋深、采放比、總采高、放煤工藝等諸多因素影響，彬長礦區(qū)內(nèi)各礦井的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度也大不相同，具不完全統(tǒng)計裂采比從12.71到22.32，發(fā)育高度從125.8m到225.4m，差異較大，沒有明顯規(guī)律。彬長礦區(qū)部分煤礦放頂煤開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況見表1。

表1 彬長礦區(qū)部分煤礦放頂煤開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況

綜上，確定首采工作面的采高及采放比例時，可以參考臨近礦井的實際測定值，有條件礦井可專門開展本礦井導(dǎo)水裂隙發(fā)育研究，通過打鉆取樣分析，結(jié)合臨近礦井進(jìn)行綜合分析得出最終發(fā)育高度理論值，以此確定采放總高。在礦井投產(chǎn)后，隨著觀測數(shù)據(jù)的豐富，逐漸地掌握本礦井的導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況和規(guī)律，進(jìn)一步修正本礦井的最佳采放高度和采放比。目前，彬長礦區(qū)采放高度一般在5～12m，一般不超過12m，采放比一般在1∶1～1∶3。

3 工作面長度研究

工作面長度越大工作面循環(huán)產(chǎn)量越高，越容易高產(chǎn)、高效。但工作面長度受諸多因素的制約，其主要因素一般為：地質(zhì)因素、技術(shù)裝備因素、效益因素，其中地質(zhì)因素是最主要的影響因素。地質(zhì)因素包括瓦斯等級、自然發(fā)火傾向、沖擊地壓傾向等，而彬長礦區(qū)受上述幾種因素影響較大，以下分析瓦斯、自然發(fā)火和沖擊地壓對工作面長度的影響。

3.1 瓦斯的約束

低瓦斯礦井在其他條件滿足需要的前提下，工作面長度可大幅度提高，工作面長度可達(dá)300m以上。但對高瓦斯礦井，工作面長度的確定要受到瓦斯涌出量的限制，工作面長度越長，瓦斯涌出量越大，工作面斷面和過風(fēng)能力是有一定限度的。在瓦斯預(yù)先抽采、邊采邊抽、抽空區(qū)抽采等綜合防治措施下，工作面過長將會導(dǎo)致瓦斯涌出量不能及時通過通風(fēng)稀釋，易發(fā)生工作面瓦斯?jié)舛瘸?，?dǎo)致設(shè)備保護(hù)性停機(jī)，影響生產(chǎn)；嚴(yán)重時會造成瓦斯集聚帶來安全隱患，《煤礦礦井采礦設(shè)計手冊》中規(guī)定：以礦井通風(fēng)能力校核工作面長度的公式如下[8]：

式中，L為根據(jù)工作面通風(fēng)能力確定的工作面最大長度，m；v為工作面內(nèi)允許的最大風(fēng)速，取4m/s；m為工作面采高，m；lx為工作面最小控頂距，m；Cf為風(fēng)流收縮系數(shù)，取0.9～0.95；q為晝夜產(chǎn)煤1t所需風(fēng)量，m3/min；Sn為循環(huán)進(jìn)度，m；p為煤層生產(chǎn)率，即單位面積上出煤量，p=mρc，t/m2；ρ為煤的體積質(zhì)量，kg/m3；c為工作面回采率；φ為晝夜循環(huán)數(shù)，個。

3.2 自然發(fā)火的約束

采煤工作面采空區(qū)內(nèi)存在著自然發(fā)火三帶[9]，從外向里分別是：冷卻帶、氧化升溫帶、窒息帶。冷卻帶的氧氣充分，但由于受工作面通風(fēng)影響，空氣流動速度快，熱量會源源不斷被風(fēng)流帶走，不宜造成熱量集聚，不易發(fā)生自燃；窒息帶距離工作面最遠(yuǎn)，里面蓄熱條件好，溫度高，但在窒息帶內(nèi)屬于缺氧區(qū)，氧氣濃度低于氧化下限值，不具備自燃條件；最容易發(fā)生自燃的是位于中間的氧化升溫帶，當(dāng)氧化升溫帶持續(xù)蓄積熱量升高溫度同時有足夠的氧氣供應(yīng)時，很容易發(fā)生采空區(qū)遺煤自燃。所以，影響工作面安全生產(chǎn)的重點區(qū)域是位于三帶中間的氧化升溫帶。氧化升溫帶如圖1所示[10]。

圖1 氧化升溫帶示意圖

通過大量的回歸分析，得到采空區(qū)漏風(fēng)流場自燃條件下的工作面長度l與自燃氧化帶寬度Lm近似服從二次曲線關(guān)系式[10]：

式中，a，b為回歸系數(shù)(a單位為m0.5，b單位為m)。

利用數(shù)值模擬的手段，計算不同工作面長度所對應(yīng)的自燃氧化帶寬度，然后確定a和b值。從上式可以看出，工作面越長自燃氧化區(qū)的寬度越大，對于煤層自然發(fā)火的防治越不利[10]。有關(guān)研究證明，工作面長度安全臨界值(最大值)與煤的最短自然發(fā)火期成正比關(guān)系。

綜上，除上述兩項主要地質(zhì)影響因素外，還有礦壓、水文地質(zhì)條件、地?zé)釛l件等因素?？傊?，在彬長礦區(qū)工作面長度的確定存在影響因素多而復(fù)雜，確定難度大，目前尚未有全因素影響分析模型來準(zhǔn)確提供理論指導(dǎo)。通過彬長礦區(qū)近十幾年的煤礦開采經(jīng)驗總結(jié)，綜放工作面長度安全臨界值一般在180m，個別礦井可達(dá)到200m；一次采全高臨界值為260m。彬長礦區(qū)部分煤礦工作面長度統(tǒng)計見表2。

表2 彬長礦區(qū)部分煤礦工作面長度統(tǒng)計表

4 工作面推進(jìn)速度研究

工作面推進(jìn)速度是生產(chǎn)管理時的重要指標(biāo)，直接影響著礦井的產(chǎn)量。陜北一些高產(chǎn)高效礦井之所以可以達(dá)到工作面單產(chǎn)超千萬噸甚至達(dá)兩千萬噸級的水平，其中最主要的一個因素就是推進(jìn)速度快。目前許多礦井日進(jìn)度突破24m，但這些礦井的開采技術(shù)條件都比較簡單，而彬長礦區(qū)在多重災(zāi)害尤其是沖擊地壓的影響下，難以實現(xiàn)類似陜北地區(qū)的推進(jìn)速度。與此同時，由于采空區(qū)防滅火的需求，彬長礦區(qū)礦井工作面回采速度也不能過慢，這就需要找出各矛盾影響因素的平衡點，使回采工作兼顧安全與效率。

快速推進(jìn)工作面被公認(rèn)為煤層自然發(fā)火防治的最佳措施。其原理是快速推進(jìn)過程中使采空區(qū)中的三帶快速的完成角色轉(zhuǎn)換，使窒息帶快速消失、氧化升溫帶快速轉(zhuǎn)換為窒息帶、冷卻帶快速轉(zhuǎn)換成氧化升溫帶及新的冷卻帶的變換過程，在整個變換過程中采空區(qū)中同一區(qū)域位于氧化升溫帶的時間大幅減少，縮短了氧化升溫帶蓄積熱量升高溫度的過程，使其未達(dá)到氧化自燃所需熱量的條件時就轉(zhuǎn)換成窒息帶，如此連續(xù)快速推進(jìn)便是有效防治煤層自然發(fā)火的絕佳措施。反之，工作面推采速度過慢，使采空區(qū)內(nèi)同一區(qū)域位于氧化升溫帶的時間增加，氧化升溫帶持續(xù)蓄積熱量升高溫度，工作面的通風(fēng)風(fēng)流可導(dǎo)致氧化升溫帶氧氣濃度達(dá)到滿足氧化自燃的條件，極易發(fā)生采空區(qū)遺煤自燃災(zāi)害。

除此之外，彬長礦區(qū)同時還存在沖擊地壓的影響，沖擊地壓誘發(fā)機(jī)理主要是由于煤層本身具有沖擊傾向性，在采掘活動的影響下形成應(yīng)力集中和彈性能量的聚集，當(dāng)彈性變形能瞬間釋放時產(chǎn)生突然而且劇烈的動力破壞現(xiàn)象，破壞性極大。而工作面快速推進(jìn)會加劇應(yīng)力集中和彈性能量的聚集，容易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生。

所以，在同時具備易自然發(fā)火和沖擊地壓兩種災(zāi)害的情況下，出現(xiàn)了防治沖擊地壓要求不能快速推進(jìn)而防治采空區(qū)發(fā)火要求工作面快速推進(jìn)的矛盾。所以，工作面長度必須兼顧兩者的平衡。兩種災(zāi)害從優(yōu)先級來考慮，應(yīng)優(yōu)先考慮目前最難防治的煤礦災(zāi)害——沖擊地壓，因為煤層自然發(fā)火除快速推進(jìn)外還有采空區(qū)灌漿、注氮等防滅火措施。根據(jù)彬長礦區(qū)胡家河礦井生產(chǎn)實踐證明，當(dāng)工作面推采日循環(huán)6刀時，即大于4.8m/d，工作面壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，同時會出現(xiàn)煤炮等壓力顯現(xiàn)。目前，彬長礦業(yè)集團(tuán)公司已將日進(jìn)尺6刀煤作為防治沖擊地壓的推采速度上限，要求胡家河煤礦、小莊煤礦、文家坡煤礦等遵照執(zhí)行。對于防滅火方面的實踐經(jīng)驗是當(dāng)工作面日推采循環(huán)小于4刀(即小于3.2m/d)，持續(xù)1個月以上時采空區(qū)CO會出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，出現(xiàn)發(fā)火征兆。所以，彬長礦區(qū)內(nèi)同時具備沖擊地壓和自然發(fā)火兩種災(zāi)害時的工作面最佳推采速度宜為3.2～4.8m/d，即每天4～6刀。

5 工作面推進(jìn)長度分析

工作面推進(jìn)長度直接影響到工作面搬家倒面的頻率，間接影響礦井的生產(chǎn)能力。陜北一些地質(zhì)條件簡單的礦井，為了保證連續(xù)生產(chǎn)，縮短搬家倒面時間，工作面長度一度提升到6km以上。工作面推進(jìn)長度一般受井田開拓部署、煤層賦存條件、開采技術(shù)條件和技術(shù)裝備等較多因素影響。井田開拓部署主要指是采區(qū)單翼推進(jìn)長度否具備布置長推進(jìn)度工作面的條件；煤層賦存條件主要指是否受煤層傾角及斷裂構(gòu)造等影響；技術(shù)裝備因素一般指成套綜采設(shè)備的過煤量或大修周期，以及工作面運輸、供電、供液等影響；而開采技術(shù)條件影響比較復(fù)雜，就本區(qū)礦井而言，影響最大的是底板及地壓條件。彬長礦區(qū)主采煤層4號煤底板為鋁土質(zhì)泥巖，遇水膨脹，最大膨脹率20倍；該區(qū)域大部分礦井在工作面巷道掘進(jìn)過程中由于強地壓的影響，掘進(jìn)困難，底板處理難度大，巷道成形差；另外，該區(qū)大部分礦井為高瓦斯礦井，工作面預(yù)抽時間均在6個月以上，工作面巷道維護(hù)時間較長。因此，若工作面推進(jìn)長度過大，會造成工作面巷道掘進(jìn)和維護(hù)困難。從彬長礦區(qū)的實踐經(jīng)驗來看，工作面推進(jìn)長度應(yīng)控制在2.3km以內(nèi)。彬長礦區(qū)部分煤礦工作面推進(jìn)長度見表3。

表3 彬長礦區(qū)部分煤礦工作面推進(jìn)長度統(tǒng)計表

6 結(jié) 論

1)放頂煤采煤方法有利于減緩頂板來壓的彈性動能，有利于沖擊地壓防治，同時適合特厚煤層開采，是適宜彬長礦區(qū)的一種采煤方法。

2)彬長礦區(qū)受強礦壓的影響和頂板洛河砂巖承壓含水層的影響，割煤高度一般不超過3.5m；采用放頂煤時采放總高受導(dǎo)水裂隙帶是否波及含水層與煤層間的有效隔水層的制約。

3)彬長礦區(qū)工作面長度受煤層自然發(fā)火和高瓦斯因素的制約，綜放工作面長度安全臨界值一般在180m，個別礦井可達(dá)到200m；一次采全高安全臨界值可達(dá)260m。

4)彬長礦區(qū)工作面推進(jìn)速度主要受沖擊地壓和煤層自然發(fā)火的影響，根據(jù)經(jīng)驗，同時具這兩種災(zāi)害時的工作面推采速度宜為3.2～4.8m/d。

5)彬長礦區(qū)工作面推進(jìn)長度受強礦壓的影響較大，根據(jù)經(jīng)驗，工作面推進(jìn)長度應(yīng)控制在2.3km以內(nèi)。