大海則煤礦厚煤層采煤方法的選擇

雷佳(中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦，陜西 榆林 719000)

0 引言

眾所周知，我國(guó)不僅是全球煤炭生產(chǎn)大國(guó)，同時(shí)也是煤炭消費(fèi)大國(guó)，煤炭這一資源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。根據(jù)我國(guó)的煤炭?jī)?chǔ)量來(lái)看，其中厚度超過(guò)3.5m的厚煤層在全部煤炭資源中的儲(chǔ)量為44%，其中厚煤層的產(chǎn)量在煤炭總產(chǎn)量中所占的比例為45%左右[1]。根據(jù)厚煤層的分布情況來(lái)看，其主要分布在我國(guó)大多數(shù)的產(chǎn)煤、區(qū)與各大煤炭集團(tuán)公司中，當(dāng)前厚煤層開(kāi)采已經(jīng)成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)高效、安全開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)，其中針對(duì)千萬(wàn)噸級(jí)的礦井開(kāi)采方式為厚煤層開(kāi)采。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備制造工藝的不斷提高，煤層埋深的逐漸加大，為機(jī)械化采煤快速發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，其中長(zhǎng)壁采煤法的發(fā)展尤為突出；而厚煤層開(kāi)采方法則主要有分層開(kāi)采、放頂煤開(kāi)采、大采高綜采3種[2]。要建設(shè)高產(chǎn)高效礦井，選擇適宜的采煤方法是關(guān)鍵，應(yīng)按照煤層地質(zhì)條件以及開(kāi)采煤礦的經(jīng)濟(jì)條件決定選用哪種采煤方法，盡可能滿足回采安全、產(chǎn)量大、煤質(zhì)好、成本低、效率高等要求。

1 工程概況

大海則煤礦原屬于神華集團(tuán)神東煤炭公司，是一個(gè)規(guī)模較大的出口煤基地，大海則井田位于陜西省榆林市榆陽(yáng)區(qū)西部，2號(hào)煤層厚度4.41～10.97m，平均厚度6.32m。煤層厚度由南向北漸變厚，規(guī)律明顯，以厚-特厚煤為主，2號(hào)煤層在區(qū)內(nèi)以埋藏淺、厚度大為顯著特征。這一煤層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，通常不含或者只含0.10m～0.35m厚的一層粉砂質(zhì)泥巖夾矸。其直接頂板巖性主要是泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，直接底板巖性主要是泥巖和泥質(zhì)粉砂巖。

2 煤層賦存條件

2.1 煤層傾角

煤層傾角對(duì)支架穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生直接影響。伴隨傾角的增大，上覆巖層重力會(huì)沿著切向?qū)用嬷饾u增大分量，沿著垂直法向?qū)用娴姆至縿t逐漸減小，頂?shù)装寤屏垦刂鴮用嬷饾u增大[3]。如此一來(lái)，煤層工作面支架的垂直荷載較小，但承受著較大的側(cè)向力，弱化支架的穩(wěn)定性。大海則礦井對(duì)應(yīng)的地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單，2號(hào)煤層有0.6°傾角，屬于近水平開(kāi)采，方便使用大采高開(kāi)采。

2.2 埋深

按照在多個(gè)礦區(qū)得到的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)周期來(lái)壓步距大多不超過(guò)20m，也就是支架支護(hù)強(qiáng)度不超過(guò)1.4MPa。根據(jù)架寬為2.05m來(lái)考慮，支架工作阻力則能達(dá)到15785kN。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的采高為7m的液壓支架的工作阻力最大能達(dá)到18000kN，可以滿足大海則煤礦深部超大采高回采的支護(hù)要求[4]。

2.3 煤層厚度

2號(hào)煤層全礦井煤層厚度主要集中在5.0～7.5m之間，其中有87.65%的煤層厚度都在5.0～7.5m之間。根據(jù)當(dāng)下超大采高綜采技術(shù)的發(fā)展情況，超大采高綜采中7m是一個(gè)界限，全礦井中有77.17%煤層的厚度都在5～7m之間。綜合煤層賦存條件分析，2號(hào)煤層具備采用割煤高度5.6m和割煤高度6.9m的大采高綜采煤層厚度條件。

3 安全生產(chǎn)條件分析

3.1 瓦斯

按照地質(zhì)報(bào)告，通過(guò)對(duì)勘探瓦斯采樣測(cè)試進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)2號(hào)煤層中含有瓦斯，每一克可燃物質(zhì)中有0～5.14ml/g二氧化碳、0～0.38ml/g甲烷、0～0.02ml/g重?zé)N。瓦斯的成分為：0～23.89%二氧化碳、0～18.14%甲烷、0～1.57%重?zé)N。這表明煤層瓦斯就是屬于二氧化碳-氮?dú)鈳В绻褂贸蟛筛呔C采方法，其工分帶作面就會(huì)有較大的通風(fēng)斷面，可以使有害氣體被有效稀釋。

3.2 煤塵爆炸危險(xiǎn)性

測(cè)試2號(hào)煤層，發(fā)現(xiàn)其火焰長(zhǎng)度超過(guò)400mm，有90%的抑制煤塵爆炸最低巖粉用量，所以將其確定為存在爆炸危險(xiǎn)的煤層，如果使用超大采高綜采技術(shù)，就會(huì)增大煤塵絕對(duì)總量，應(yīng)通過(guò)各種策略實(shí)施噴霧降塵，保證工作面回采的安全性[5]。

3.3 自燃傾向性

2號(hào)煤層煤的吸氧量0.68～0.74cm3/g，自燃傾向性等級(jí)為Ⅰ類和Ⅱ類，自燃傾向性屬容易自燃和自燃。據(jù)周邊資料，區(qū)域上的主采煤層露頭均已自燃，榆橫礦區(qū)中的小煤礦堆煤及巷道中的煤柱也有自燃現(xiàn)象發(fā)生，亦能說(shuō)明該煤層易自然發(fā)火。設(shè)計(jì)按易自燃煤層采取綜合預(yù)防煤層自然發(fā)火的措施。

3.4 頂?shù)装鍡l件

綜合上述分析得出頂?shù)装宓臈l件如下：

(1)煤層頂板主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，能夠做到隨采隨冒。

(2)頂板的及時(shí)垮落能在一定程度上減緩支架的載荷和煤壁壓力，防止片幫和冒頂。

(3)頂板強(qiáng)度中等，頂板完整度較好，利于大采高開(kāi)采。

(4)煤層底板主要是泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，其中有69.8%是粉砂巖，有22.5%是泥巖，屬于中等強(qiáng)度，對(duì)快速推移支架是有利的。

4 相似煤層開(kāi)采條件類比分析

從大海則煤礦所處位置看，處于榆林地區(qū)。附近的井田均沒(méi)有大規(guī)模開(kāi)采，可借鑒的是神木地區(qū)的神東礦區(qū)幾個(gè)超大采高開(kāi)采的礦井和陜煤集團(tuán)的紅柳林煤礦。

上灣第一個(gè)大采高7m工作面和大柳塔礦大采高7m工作面的埋深都較淺，而大海則礦有較大的埋深，要加強(qiáng)對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)構(gòu)成的分析，優(yōu)化支架選型；頂板和底板條件沒(méi)有明顯的差異，當(dāng)?shù)装迨悄鄮r時(shí)可能會(huì)使生產(chǎn)受到較大的影響，相比之下大海則煤礦具備較好的底板條件；大海則煤礦對(duì)應(yīng)較軟的礦體，在開(kāi)采環(huán)節(jié)有遇到片幫問(wèn)題的可能性，應(yīng)適當(dāng)借鑒開(kāi)采上灣、大柳塔煤礦的經(jīng)驗(yàn)。在開(kāi)采趙莊煤礦時(shí)使用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的ZY12000/28/62D型兩柱掩護(hù)式液壓支架，依托科學(xué)的采煤工藝和流程有效管理工作面現(xiàn)場(chǎng)，有序回采大采高工作面。在梁北煤礦的開(kāi)采中運(yùn)用臺(tái)階割煤、支架初撐力與正規(guī)循環(huán)率的提高、推進(jìn)速度的加快等手段，對(duì)特殊地段進(jìn)行注漿加固，確保工作面的生產(chǎn)正常而有序，在限產(chǎn)情況下達(dá)到月均單產(chǎn)15萬(wàn)t的標(biāo)準(zhǔn)。

綜上，根據(jù)將大采高綜采用于較軟厚煤層的實(shí)踐情況，發(fā)現(xiàn)工作面煤壁因?yàn)槊狠^軟必然會(huì)發(fā)生片幫現(xiàn)象，利用改善支架結(jié)構(gòu)或者提高初撐力或者加快推進(jìn)速度、注漿加固、臺(tái)階割煤等方案)等措施，完全能夠?qū)崿F(xiàn)超大采高綜采。

5 煤炭質(zhì)量與效益

5.1 煤炭質(zhì)量

從混矸率和回收率角度分析，2號(hào)煤一般不含或含1層厚0.10m～0.35m的粉砂質(zhì)泥巖夾矸，若采用超大采高綜采工藝，含矸率預(yù)計(jì)低于0.05%或甚至不含矸石。若采用大采高綜放工藝，由于頂煤厚度較小，平均只有約2.9m，預(yù)計(jì)混矸率在5%～10%左右?；祉仿屎突厥章适窍嗷ッ艿?，若要提高回收率，則免不了導(dǎo)致原煤混入矸石量增加，神華柳塔礦2-2煤層厚度7.3m，由于其直接頂強(qiáng)度較低，原煤含矸率較高，達(dá)9.38%，柳塔礦原煤輸往臨近的布爾臺(tái)3000萬(wàn)t/a選煤廠，為了提高回收率，也容忍了一定的含矸率，在留有一定底煤的情況下，柳塔礦大采高綜放工作面純回收率仍達(dá)到了86.7%。

5.2 效益

從工作面定員來(lái)分析，超大采高綜采工工作面自動(dòng)化程度較高，一般一個(gè)綜采隊(duì)定員人數(shù)多為70～80人左右。大采高綜放工工作面由于有放煤環(huán)節(jié)，一個(gè)綜采隊(duì)定員人數(shù)一般在100～120人左右，雖然國(guó)內(nèi)有不少綜放面采用電液控制系統(tǒng)，但在放煤時(shí)往往需要人工干預(yù)。

從推進(jìn)速度和產(chǎn)量角度分析，超大采高綜采工作面推進(jìn)速度較快，一般日推進(jìn)12～16m，年產(chǎn)原煤12.0～14.0Mt/a，補(bǔ)連塔礦22303工作面曾創(chuàng)出日割煤21刀，生產(chǎn)原煤5.28萬(wàn)噸的記錄。而大采高綜放工作面推進(jìn)速度稍慢，一般日推進(jìn)6～10m，年產(chǎn)量約在6.0～8.0Mt/a左右，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)7～8m厚度煤層大采高綜放工作面日產(chǎn)量多在2萬(wàn)噸左右。

6 大采高綜采和綜放工藝對(duì)比

6.1 工藝成熟度對(duì)比

從割煤高度分析，2號(hào)煤層平均厚度6.9m，若采用超大采高綜采，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的7.2m綜采液壓支架完全可以滿足要求，若采用超大采高綜放，適宜的割煤高度為4.0m，國(guó)內(nèi)4.2m支護(hù)高度的大采高綜放支架也比較成熟。

6.2 設(shè)備投資對(duì)比

從設(shè)備投資分析，300m長(zhǎng)工作面設(shè)備投資在5～6億左右，而大采高綜放300m長(zhǎng)工作面設(shè)備投資在3～4億左右，超大采高綜采設(shè)備投入較綜放高1億左右，這主要是超大采高進(jìn)口采煤機(jī)和高強(qiáng)度支架費(fèi)用較昂貴。

6.3 影響因素對(duì)比

根據(jù)對(duì)影響因素的分析來(lái)看，超大采高綜采工藝要求設(shè)備具有較高的可靠性，而且煤壁片幫等會(huì)在一定程度上對(duì)快速推進(jìn)工作面產(chǎn)生制約作用，然而超大采高工藝的好處就在于布置工作面較為簡(jiǎn)潔，管理也較為簡(jiǎn)單。大采高綜采因?yàn)樯婕暗角昂髢刹抗伟?，需要多點(diǎn)出煤，所以其工作面的操作及管理都較為復(fù)雜。除此以外，脆性煤體放煤頂煤的工作面會(huì)有很大的粉塵，因?yàn)?號(hào)煤頂板大多都是砂質(zhì)泥巖，其強(qiáng)度比破碎塊度小，容易提高混矸率，而且采空區(qū)遺煤容易留下自然起火隱患[6]。

7 結(jié)語(yǔ)

綜合前述論證，從煤層條件、安全條件、相似煤層開(kāi)采條件類比分析、煤質(zhì)及效益、大采高綜采和綜放工藝對(duì)比5個(gè)方面比較分析認(rèn)為，大海則煤礦2號(hào)煤層能夠采用綜放開(kāi)采亦可以采用綜采開(kāi)采。并對(duì)可能采用的設(shè)備進(jìn)行了選型，對(duì)回采工藝進(jìn)行了研究。對(duì)比分析了大海則礦應(yīng)用超大采高綜采工藝和綜放工藝的主要指標(biāo)，認(rèn)為2號(hào)煤層適宜采用超大采高綜采，且分析的各項(xiàng)指標(biāo)一般均優(yōu)于綜放開(kāi)采，建議優(yōu)先考慮綜采開(kāi)采方案。