淺談古城煤礦厚煤層綜放開采的關(guān)鍵技術(shù)及問題

李 鑫

(潞安集團(tuán) 古城煤礦建設(shè)管理處，山西長治 046108)

古城煤礦位于潞安井田西南部，是潞安集團(tuán)在建的一座特大型礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力800萬t/a，服務(wù)年限71.4 a，開采深度+500～-100 m標(biāo)高，主采3號煤層，煤層均厚6.3 m。井田總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角4°左右，現(xiàn)已查明斷層有10余條，工程地質(zhì)條件中等，3號煤層頂?shù)装鍡l件較好，礦井直接充水含水層為頂板砂巖裂隙含水層，礦井正常涌水量為341.6 m3/h，最大涌水量500 m3/h，水文地質(zhì)條件為中等。礦井瓦斯平均含量為10.34 ml/g，屬于高瓦斯礦井。本文以S1301工作面為例，探討古城煤礦厚煤層開采的關(guān)鍵技術(shù)。S1301工作面位于古城礦井南一盤區(qū)，可采范圍1 297 m，切眼長302 m，煤厚6.32 m，可采儲量346.6萬t，采用走向長壁、后退式低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機(jī)械化采煤法。

1 厚煤層開采工藝簡介

目前，我國厚煤層開采工藝主要采用分層開采工藝、大采高一次采全高采煤法和綜采放頂煤采煤技術(shù)[1]。在現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)條件下，分層開采主要適用于大于10 m厚煤層的開采，大采高一次采全高采煤法主要適用于3.5～6 m的煤層厚度，綜采放頂煤采煤技術(shù)主要適用于6～10 m煤層開采，其中為了節(jié)約成本，提高采煤效率，綜采放頂煤采煤工藝的適用范圍越來越廣泛[2]。

1) 分層開采工藝是將厚煤層按照2.0～3.0 m的厚度進(jìn)行分層，自上而下逐層開采，在上分層開采形成人工假頂或者再生頂板后，下分層進(jìn)行煤層回采。該方法投入設(shè)備少，頂板及地表變形較緩和，便于瓦斯治理，但開采成本高，巷道布置較困難，下分層的支護(hù)難度較大。

2) 大采高一次采全高采煤法是沿煤層走向或傾向一次采全高的綜采工藝，該方法具有產(chǎn)量大、效率高，適用于集中生產(chǎn)或者簡單礦井生產(chǎn)。但一次采全高對機(jī)械設(shè)備、巷道布置和硐室尺寸等要求較高，生產(chǎn)投資較大。

3) 綜采放頂煤采煤技術(shù)是沿厚煤層底板布置一定高度的長壁工作面，用常規(guī)綜采方法采煤，借助煤層采空區(qū)頂板壓力或者外界輔助爆破等方法，使上部未采煤層垮落或破碎，然后利用輔助運(yùn)輸設(shè)備將頂煤運(yùn)出工作面的采煤工藝，見圖1。綜采放頂煤技術(shù)是采用單一的采煤技術(shù)獲取雙倍的煤層采量，該方法具有巷道掘進(jìn)少，采煤成本低，煤炭產(chǎn)量大、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于厚煤層的開采，并且獲得了很好的生產(chǎn)效益。

圖1 綜采放頂煤開采示意

2 綜采放頂煤采煤工藝關(guān)鍵技術(shù)

隨著科技的發(fā)展以及綜采放頂煤采煤技術(shù)的不斷成熟，綜采放頂煤技術(shù)已經(jīng)成為建設(shè)高產(chǎn)高效礦井的有效途徑，并且為我國不穩(wěn)定煤層開采提供了最有效方法[2-3]。綜采放頂煤技術(shù)的關(guān)鍵在于綜放比的選擇，放頂煤時(shí)機(jī)的把握，沿煤層底板掘進(jìn)巷道的支護(hù)等。而對于古城煤礦來說，礦井屬于高瓦斯礦井，且屬于大斷面巷道掘進(jìn)，所以綜采放頂煤應(yīng)當(dāng)制定合理的瓦斯防治措施以及大斷面煤巷的支護(hù)穩(wěn)定。

2.1 綜放比選擇及放頂煤時(shí)機(jī)把握

綜放開采的出煤量主要包括采煤機(jī)割煤和放頂煤兩部分，綜放比是采煤機(jī)割煤高度與放頂煤高度之比，選擇合理的綜放比是采煤工作面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的重要前提。按照古城煤礦工作面煤層賦存條件，綜采放頂煤設(shè)備條件，以及已有相鄰礦井工作面綜放比經(jīng)驗(yàn)值，古城煤礦S1303工作面綜采高度控制在(3.3±0.1)m，綜放比為1∶0.915。

放頂煤時(shí)機(jī)主要包括初次放頂煤距離和放煤步距的確定。為了防止老頂初次來壓對工作面的威脅，工作面開始只進(jìn)行采煤機(jī)割煤不放頂煤，待老頂突然來壓過后，再進(jìn)行放頂煤。放煤步距是相鄰2次放頂煤的間隔距離，直接關(guān)系到工作面的回采率和含矸率，為了簡化采煤工藝，一般選擇采煤機(jī)割煤深度的整數(shù)倍。S1301工作面采用MG400/930-WD電牽引雙滾筒采煤機(jī)，截深0.8 m，利用支架尾梁擺動的低位放煤方式，采用兩人雙輪順序放煤法，放煤步距0.8 m。

2.2 大斷面煤巷支護(hù)

大斷面巷道由于巷道跨度范圍廣，兩幫及頂板都為煤層，巷道圍巖抗壓能力低，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平恳搽S之增大。再加上斷層、陷落柱等地質(zhì)異常的存在，巷道圍巖變形量可能更為嚴(yán)重，對巷道的安全快速掘進(jìn)造成威脅。除此之外，大斷面厚煤層巷道對支護(hù)條件提出了更高的要求，如果出現(xiàn)支護(hù)失穩(wěn)或者支護(hù)強(qiáng)度不夠等情況，巷道圍巖容易發(fā)生冒頂和片幫事故[4]。以S1301工作面輔運(yùn)巷例，斷面為5.2 m×3.8 m，為矩形斷面，支護(hù)形式為錨網(wǎng)索+梯子梁支護(hù)形式，錨桿采用錨桿采用左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，型號為D22 mm×2 400 mm，錨桿托盤為150 mm×150 mm×10 mm的弧形高強(qiáng)度托盤。錨索采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線錨索，直徑18.9 mm，長度為8 300 mm，錨索托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm。金屬網(wǎng)片采用D10鐵絲加工編制的經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)孔為40 mm×40mm。梯子梁選用D14 mm圓鋼加工而成。

2.3 瓦斯防治

煤礦開采破壞了煤層中瓦斯平衡，致使煤層賦存瓦斯大量涌出，而綜采放頂煤開采技術(shù)，相當(dāng)于對煤層進(jìn)行了二次干擾，對煤層和上覆巖層的擾動程度加大，造成裂隙發(fā)育，為瓦斯釋放提供了有力的通道，同時(shí)也為瓦斯治理提供了有力條件[2-5]。主要表現(xiàn)在：①綜采過程開采強(qiáng)度大，煤炭一次產(chǎn)量較大，造成工作面絕對瓦斯涌出量大；②放頂煤過程中，煤炭產(chǎn)量相對降低，而此時(shí)煤層機(jī)理發(fā)生變化，形成破裂甚至破碎，為瓦斯釋放提供了有力條件，造成工作面瓦斯積聚。對于古城煤礦來說，高瓦斯礦井更容易造成工作面瓦斯積聚，引起瓦斯事故的發(fā)生，因此，要加強(qiáng)瓦斯涌出規(guī)律和瓦斯防治工作。綜采放頂煤開采瓦斯防治主要以有效的通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)排瓦斯和高抽巷瓦斯抽采為主，其中距煤層頂板一定垂直距離范圍內(nèi)開掘高抽巷是高瓦斯工作面瓦斯的排放，尤其是上隅角瓦斯的治理最有效的措施之一。已有兄弟礦井高抽巷應(yīng)用效果顯示，高抽巷抽采量占工作面總瓦斯涌出量的50%以上，有效抑制了瓦斯對工作面的安全影響。而為了提高高抽巷的瓦斯抽排效果，應(yīng)當(dāng)根據(jù)裂隙帶高度發(fā)育和煤層頂板條件選擇合適的高抽巷位置。

3 綜采放頂煤開采的技術(shù)問題

綜采放頂煤開采存在的問題主要集中在如何提高煤炭資源回采率，以及控制地表沉陷減小對地表建(構(gòu))筑物、公路等的損毀影響。

3.1 提高煤炭資源回采率

選擇合理的綜放比，對提高煤炭資源回采率具有重要意義。如果按照綜放比理論來講，煤炭資源回采率可以達(dá)到80%～90%以上，但由于綜放比選擇的不合理性，以及達(dá)不到充分放頂煤，致使現(xiàn)有綜采放頂煤工作面回采率仍舊較低。充分放頂煤是將頂煤完全放落，放煤后煤層頂板可見，如何提高資源回采率，除了選擇合理的綜放比和放頂煤時(shí)機(jī)把握，還需要對放頂煤的實(shí)施過程進(jìn)行細(xì)化。古城煤礦為了提高資源回采率，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)人員的綜合能力與專業(yè)素質(zhì)的培訓(xùn)，并加強(qiáng)放頂煤監(jiān)督管理，切實(shí)做好放頂煤工作。除此之外，可以借鑒王莊煤礦、余吾煤業(yè)等相鄰礦井采用的“5 m行動”，即在下達(dá)月度生產(chǎn)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)下每百米少推進(jìn)“5 m”進(jìn)尺或每刀煤提高5%的產(chǎn)量，在規(guī)定產(chǎn)量不變的情況下節(jié)約“5 m”煤炭資源，實(shí)現(xiàn)煤炭的精采細(xì)采。

3.2 控制地表下沉

綜采放頂煤開采對上覆巖層更為劇烈、范圍更廣的影響，對地表造成的破壞程度也隨之加重。古城煤礦存在村莊下、公路下壓煤現(xiàn)象，為了提高煤炭資源的回采量，減小地表建(構(gòu))筑物、公路等損毀程度，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，必須采用科學(xué)方法對采煤塌陷進(jìn)行控制。目前，我國建(構(gòu))筑物、公路下采煤主要以充填開采為主，村莊下壓煤開采可以采用搬遷開采和不搬遷充填開采兩種，搬遷開采因耗時(shí)耗費(fèi)，逐漸被淘汰?；诰C采放頂煤后頂板垮落和上覆巖層活動規(guī)律的研究，可以采用覆巖離層注漿技術(shù)控制采煤塌陷。但關(guān)鍵在于獲取準(zhǔn)確的地表移動參數(shù)、選取合適的注漿離層、選擇適合的注漿材料、把握注漿時(shí)機(jī)等，根據(jù)具體生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語

古城煤礦作為潞安集團(tuán)未來發(fā)展的重要礦井，礦井的高產(chǎn)高效生產(chǎn)對古城煤礦的發(fā)展具有重要意義。隨著現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，古城煤礦更應(yīng)當(dāng)把握煤礦現(xiàn)代化建設(shè)的契機(jī)，充分發(fā)揮綜采放頂煤技術(shù)在煤炭資源回采中的優(yōu)勢，提高礦井生產(chǎn)安全和煤炭資源回采率。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循國家對礦區(qū)環(huán)境治理的政策和法規(guī)，選擇更為科學(xué)綠色的采煤方法，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，努力達(dá)到生態(tài)平衡。