煤質(zhì)中灰分分區(qū)統(tǒng)計(jì)分析與合理錯(cuò)距在煤層群配采中的應(yīng)用

王威欽，丁自偉，廖敬龍，張?jiān)?/p>

(1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

基礎(chǔ)研究

煤質(zhì)中灰分分區(qū)統(tǒng)計(jì)分析與合理錯(cuò)距在煤層群配采中的應(yīng)用

王威欽1，丁自偉2，廖敬龍3，張?jiān)?

(1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

為解決煤層群合理配采的需求及對煤質(zhì)穩(wěn)定的要求，分析了煤層賦存條件和開采方式對各煤層生產(chǎn)原煤煤質(zhì)灰分的影響。通過大量地質(zhì)鉆孔統(tǒng)計(jì)，分盤區(qū)分析計(jì)算了現(xiàn)有綜采條件下各煤層的煤質(zhì)灰分預(yù)測值，得出配采灰分，為煤層群配采提供參考依據(jù)。根據(jù)礦井開拓和發(fā)展規(guī)劃，按照合理錯(cuò)距，設(shè)計(jì)出合理的工作面配采方案，達(dá)到為選煤廠按優(yōu)化配采方案提供均質(zhì)原煤的目的。

煤質(zhì)；灰分；統(tǒng)計(jì)分析；合理錯(cuò)距；煤層群；配采

陜北某礦井自上而下分為5個(gè)含煤段，井田內(nèi)有可采煤層6層，分別為2-2，3-1，4-2，4-3，4-4，5-2煤，其中2-2，3-1，4-2和5-2煤為主采的厚及中厚煤層，4-3和4-4號煤層為薄煤層，各煤層存在不同程度的壓茬問題。自試生產(chǎn)以來，為達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力和保證效益，一直開采煤層厚和煤質(zhì)好的下部5-2煤。目前，由于煤層壓茬，使礦井接續(xù)緊張；且井田范圍內(nèi)薄煤層設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量達(dá)0.184Gt，具有較高開采價(jià)值。為盡快調(diào)整生產(chǎn)接續(xù)，有效、合理地開采資源，確保礦井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，有必要進(jìn)行煤層群合理配采預(yù)測分析。

煤層群配采中，根據(jù)各煤層賦存、生產(chǎn)技術(shù)條件等，對盤區(qū)各煤組厚、中厚、薄煤層及優(yōu)、劣煤質(zhì)進(jìn)行合理配采，不僅可為選煤廠長期提供均質(zhì)原煤，達(dá)到來煤數(shù)量均衡，質(zhì)量均勻，使洗選后的煤質(zhì)達(dá)到用戶需求，而且可使閑置多年的其他盤區(qū)可采煤層正常開采[1-2]。同時(shí)，促進(jìn)薄煤層開采技術(shù)的研究與應(yīng)用，最大限度提高煤炭資源采出率，使礦井的可持續(xù)發(fā)展具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 煤質(zhì)合理搭配分析

根據(jù)相關(guān)研究，煤的發(fā)熱量與煤的水分和灰分之間有較好的相關(guān)性[3-4]。分析該礦生產(chǎn)中影響煤質(zhì)的各種因素[5]，得出主要影響因素有煤厚、煤層結(jié)構(gòu)、頂?shù)装濉⑺趾蜋C(jī)械化采煤程度等。各影響因素都直接或間接地對原煤灰分產(chǎn)生影響，特別是該礦為采用綜合機(jī)械化開采和掘進(jìn)的大型礦井，機(jī)械化程度較高，在生產(chǎn)過程中大量的頂?shù)装搴蛫A矸將不可避免地混入原煤中，來自頂?shù)装搴蛫A矸中的巖石碎塊對原煤灰分影響較大，這與采煤方法的選擇及其合理性有很大關(guān)系，生產(chǎn)礦井的原煤灰分比煤層煤樣灰分相應(yīng)增高。煤的灰分增高，其發(fā)熱量降低，經(jīng)濟(jì)價(jià)值也降低。

灰分分為外在灰分和內(nèi)在灰分，外在灰分來源于外在礦物質(zhì)，通過洗選大部分能去掉[6]。因此，對該礦井生產(chǎn)原煤進(jìn)行煤質(zhì)預(yù)測時(shí)，首先進(jìn)行礦井生產(chǎn)原煤灰分的預(yù)測工作，要求預(yù)測的生產(chǎn)原煤灰分值應(yīng)該盡量切合本礦井生產(chǎn)實(shí)際[7-9]。因此，結(jié)合對各層煤的鉆孔取芯煤質(zhì)檢驗(yàn)成果，本分區(qū)預(yù)測主要考慮原煤的灰分(Ad)、水分(Mad)、揮發(fā)分(Vdaf) 和分析基低位發(fā)熱量(Qnet，ad)，分別統(tǒng)計(jì)出各盤區(qū)原煤的煤質(zhì)參數(shù)，根據(jù)開采影響對煤質(zhì)灰分做出預(yù)測，進(jìn)而進(jìn)行合理配采設(shè)計(jì)。

根據(jù)該礦2-2，3-1，4-2，4-3，4-4，5-2煤6層煤各煤層的儲(chǔ)量和煤質(zhì)，按灰分高低以及可選性難易程度不同，煤層按比例搭配開采原則，從采掘部署角度確定2-2，3-1，4-2，4-4，5-2煤5層煤煤層的配采方案(4-3與4-4都屬于薄煤層，且賦存條件相似，可參考)，達(dá)到為選煤廠實(shí)現(xiàn)按最佳選煤生產(chǎn)方案生產(chǎn)提供均質(zhì)原煤的目的。

2 煤質(zhì)參數(shù)分區(qū)統(tǒng)計(jì)

通過煤質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，各煤層煤的變質(zhì)程度為鏡煤最大反射率介于0.555%～0.597%之間，屬第Ⅰ變質(zhì)階段之煙煤，即長焰煤-不粘煤范疇。其中2-2，3-1，4-2煤以長焰煤(CY41)為主，4-3，4-4，5-2煤以不粘煤(BN31)為主。各煤層不同盤區(qū)的煤質(zhì)及實(shí)測發(fā)熱量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 各煤層分區(qū)煤質(zhì)統(tǒng)計(jì)

注：煤質(zhì)參數(shù)中的數(shù)值為：參數(shù)(統(tǒng)計(jì)鉆孔數(shù))。

3 生產(chǎn)原煤灰分分盤區(qū)預(yù)測

礦井生產(chǎn)原煤灰分預(yù)測通過鉆孔資料中煤層、夾矸、以及頂?shù)装寤曳值姆謪^(qū)域統(tǒng)計(jì)，結(jié)合礦井的采煤方法，預(yù)測夾矸和頂、底板混入原煤的數(shù)量，從而計(jì)算出生產(chǎn)原煤的灰分，為煤質(zhì)合理搭配做出預(yù)測[10]。

(1)夾矸混入量分析 根據(jù)礦井采煤方法及煤層夾矸的賦存情況，對夾矸進(jìn)行分區(qū)域統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)各層煤夾矸基本在煤層中間，采煤過程中無法剔除，為保證資源利用率夾矸按照全部混入考慮。依據(jù)礦井鉆孔柱狀圖，分區(qū)統(tǒng)計(jì)得到各煤層的夾矸厚度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 各煤層賦存分區(qū)統(tǒng)計(jì)

(2)頂、底板混入量的分析 對于厚煤層，目前采用的采煤方法為一次采全高綜采。煤層頂、底板都為泥巖和砂質(zhì)泥巖，易垮落，采用留護(hù)頂、底煤的綜采法，護(hù)頂?shù)灼骄穸劝凑?.05m考慮[10-11]。因此，為計(jì)算有效，煤層厚度按照扣除護(hù)頂和護(hù)底后的實(shí)際厚度計(jì)算。在預(yù)測灰分時(shí)，按照綜采條件下計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和相似條件下薄煤層生產(chǎn)技術(shù)，相關(guān)生產(chǎn)現(xiàn)場都采取減矸措施，頂?shù)装寤烊刖紤]破碎小塊矸石，結(jié)合以往研究經(jīng)驗(yàn)，均按0.05m考慮。

(3)頂、底板及夾矸灰分的選取 根據(jù)勘探報(bào)告，分別對各煤層頂、底板及夾矸灰分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

(4)煤巖視密度 根據(jù)各煤層樣品測試結(jié)果，剔除測試異常值，然后采用其算術(shù)平均值。各煤層視密度如表2所示。對于頂、底板和夾矸，由于巖性有差異，根據(jù)巖性分析，為計(jì)算方便，按照以往計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，本次均取2.00t/m3進(jìn)行計(jì)算。

(5)礦井生產(chǎn)原煤灰分預(yù)測 根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，按照近似計(jì)算公式(1)，可得到各煤層的不同盤區(qū)的預(yù)測生產(chǎn)原煤灰分。各煤層不同盤區(qū)生產(chǎn)原煤灰分預(yù)測結(jié)果如表3所示。

(1)

式中，h1，h2，h3，h4為煤層平均厚度、混入原煤中的頂板厚度、混入原煤中的底板厚度、混入原煤中的夾矸層厚度，m；d1，d2，d3，d4為煤層、頂板、底板、夾矸層的平均視密度，kg/L；A1，A2，A3，A4為煤層、頂板、底板、夾矸層的平均灰分，%；Ad為該煤層預(yù)測的生產(chǎn)原煤灰分，%。

表3 各煤層分盤區(qū)灰分預(yù)測

4 煤層配采方案

4.1 按灰分確定煤層最優(yōu)配采方案

4.2 確定煤層配采數(shù)據(jù)

(2)

式中，AK為可采煤層灰分；K為煤層分盤區(qū)生產(chǎn)能力比值，即煤層分盤區(qū)生產(chǎn)能力q與礦井所采煤層平均生產(chǎn)能力之比。

(3)

表4 各煤層分盤區(qū)配采數(shù)據(jù)

續(xù)表1

位于上下對稱的相同配采灰分區(qū)域的開采區(qū)域工作面可以按1∶1配采，Ⅱ-區(qū)的1個(gè)工作面可以與I+區(qū)的2個(gè)工作面配采。參考煤層配采優(yōu)化表，可方便選擇優(yōu)化配采方案，根據(jù)礦井的生產(chǎn)能力及實(shí)際開拓系統(tǒng)的布置，并考慮煤層間合理安全錯(cuò)距的情況下，合理選擇開采區(qū)域的煤層搭配，保證礦井的生產(chǎn)能力和煤質(zhì)需求。

表5 煤層配采優(yōu)化

5 工作面配采方案設(shè)計(jì)及核算

5.1 合理錯(cuò)距計(jì)算

煤層群聯(lián)合布置可以減少準(zhǔn)備工程量，比較經(jīng)濟(jì)，聯(lián)合布置可以采用“分層分采”與“分層同采”2種開采方式。“分層分采”工作面接替困難，尤其在上煤層較薄，下煤層較厚的情況下，先開采薄煤層時(shí)，礦井生產(chǎn)能力受到極大限制；先開采下層煤時(shí)，由于考慮到煤層間距的影響，上層煤容易被破壞，難以回采，造成大量資源的浪費(fèi)。因此，大多數(shù)煤礦常采用“分層同采”的開采方式。在分層同采時(shí)，研究上層煤采動(dòng)應(yīng)力對下煤層的影響具有十分重要意義，對于確定上下煤層工作面合理錯(cuò)距有指導(dǎo)作用。針對煤層群聯(lián)合布置分層同采工作面合理錯(cuò)距的確定有2種方法，即穩(wěn)壓式錯(cuò)距布置和減壓式錯(cuò)距布置，2種方法計(jì)算的最小穩(wěn)壓式錯(cuò)距和最小減壓式錯(cuò)距如表6所示。

目前近距離煤層群同采普遍采用的是穩(wěn)壓式錯(cuò)距布置形式，該形式具有較高的安全性，一般比較適用于礦山壓力顯現(xiàn)程度高及頂板完整性較差的礦井。同采穩(wěn)壓式工作面布置形式提高了近距離煤層群同釆工作面的穩(wěn)定性，但對于巷道支護(hù)造成一定的困難，由于錯(cuò)距的增大，使下煤層回采巷道承受重復(fù)釆動(dòng)影響的長度范圍變大。

表6 可采煤層錯(cuò)距

5.2 開采設(shè)計(jì)

該礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力12.0Mt/a，分為5個(gè)盤區(qū)，如圖1所示。采用斜井開拓方式，礦井有主、副斜井和回風(fēng)斜井3個(gè)井筒，主、副斜井井口位于工業(yè)場地內(nèi)，風(fēng)井場地距離工業(yè)場地約2000m。按照規(guī)劃，隨著工作面的接續(xù)轉(zhuǎn)移，后期增加西進(jìn)、回風(fēng)立井。

自試生產(chǎn)以來，為達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力和保證效益，一直開采下部5-2煤。根據(jù)當(dāng)前開采現(xiàn)狀，由于壓茬的存在，根據(jù)從井筒附近由淺到深、由近到遠(yuǎn)依次開采接替原則， 考慮當(dāng)前的開采現(xiàn)狀和后期規(guī)劃，結(jié)合合理錯(cuò)距，以及生產(chǎn)集中，便于管理，滿足通風(fēng)、運(yùn)輸和排水，確定了聯(lián)合開采順序，即先采南一、北一，北二、南二、西一盤區(qū)依次為接續(xù)盤區(qū)。根據(jù)各煤層分布情況，移交盤區(qū)為南一盤區(qū)、北一盤區(qū)，沿5-2，4-2煤分層布置大巷， 4-2煤大巷分別通過輔運(yùn)斜巷、煤倉和回風(fēng)斜巷與5-2煤集中大巷聯(lián)系。后期分別在3-1和2-2煤層布置大巷。

圖1 礦井盤區(qū)布置

根據(jù)盤區(qū)接替原則、礦井開采和發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合煤層分盤區(qū)最優(yōu)配采表，設(shè)計(jì)2個(gè)開采接續(xù)和工作面搭配方案，兩方案主要配采煤層為5-2，4-2和3-1煤層，生產(chǎn)中搭配4-3煤和4-4煤。各配采方案不同階段煤質(zhì)灰分如表7所示。

表7 各配采方案不同階段煤質(zhì)灰分

5.3 產(chǎn)量與煤質(zhì)核算

根據(jù)各煤層厚度及賦存，計(jì)算得出各煤層工作面設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力如表4所示，為滿足礦井產(chǎn)量和煤質(zhì)需求，對設(shè)計(jì)方案產(chǎn)量和煤質(zhì)灰分進(jìn)行核算，結(jié)果如表7所示。

由煤質(zhì)核算結(jié)果，方案一原煤灰分為13.97%～15.88%，方案二原煤灰分為14.05%～16.98%。方案二的厚煤灰分與平均灰分16.76%相接近，配采煤質(zhì)較穩(wěn)定。方案一煤質(zhì)灰分較低，產(chǎn)量穩(wěn)定，適合搭配薄煤層進(jìn)行開采；方案二采出煤炭煤質(zhì)穩(wěn)定性好，產(chǎn)量大，但方案二在后期通風(fēng)和運(yùn)輸系統(tǒng)較長，對礦井生產(chǎn)管理有一定影響。對如上所述各方案，由煤質(zhì)檢驗(yàn)成果和計(jì)算所得的配采灰分，根據(jù)煤炭資源評價(jià)灰分分級[10]，該礦井原煤屬于低灰煤和特低灰煤范圍，經(jīng)過工作面配采設(shè)計(jì)所得平均灰分等級屬于低灰煤，滿足生產(chǎn)要求和用戶對煤質(zhì)要求。

6 結(jié) 論

(2)設(shè)計(jì)出工作面合理優(yōu)化配采方案并對煤質(zhì)進(jìn)行了預(yù)測，得出各方案平均灰分等級屬于低灰煤，保證了礦井原煤灰分穩(wěn)定和用戶對煤質(zhì)要求。

[1]王紹留，王瑞琦.優(yōu)劣質(zhì)煤層配采方案研究[J].煤礦開采，2013，18(6)：40-42.

[2]姜 英，涂 華.動(dòng)力煤和動(dòng)力配煤[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3]Patel S U，Jeevan Kumar B，Badhe Y P.Estimation of Gross Calorific Value of Coals Using Artificial Neural Networks[J].Fuel,2003,82(12):1491-1497.

[4]陳天生，邱嘉艷.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測煤的發(fā)熱量[J].煤質(zhì)技術(shù)，2006，7(4)：56-58.

[5]何立新.煤礦生產(chǎn)中影響煤質(zhì)的十大因素及相關(guān)措施[J].礦山測量，2004，3(1)：61-63.

[6]陳文敏，劉淑云，王智靈.GB/15221-9《煤炭灰分分級》編制說明[J].煤炭分析及利用，1995，12(3)：37-39.

[7]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 15224.3-2009 煤炭質(zhì)量分級 第三部分:發(fā)熱量[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[8]中華人民共和國建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50359-2005 煤炭洗選工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2005.

[9]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 15224.1-2009 煤炭質(zhì)量分級 第一部分:灰分[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[10]戴少康.選煤工藝設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

[責(zé)任編輯：周景林]

Application in Coal Seam Group Coordinate Mining of Coal Ash Partition Statistic Analysis and Reasonable Stagger Distance

WANG Wei-qin1，DING Zi-wei2，LIAO Jing-long3，ZHANG Yuan-zhen3

(1.School of Civil Engineering ，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Energy College，Xi’an Science and Technology University，Xi’an 710054，China；3.Shaanxi Coal Industry and Chemical Technology Research Institute Co.，Ltd.,Xi’an 710065，China)

In order to solving the problems that reasonable coordinate mining of coal seam group and coal quality stability，influence that coal seam occurrence condition and mining method to raw coal quality was analyzed，according to a large amount geological holes statistics，coal quality ash predicted value of all different coal seam under fully mechanized coal mining now were calculated about different panels，and coordinate mining ash was obtained，it referenced for coal seam group coordinate mining.According to mine development，based on reasonable stagger distance，then reasonable working face coordinate mining schemes was designed，and homogeneity raw coal could be provided for coal preparation plant.

coal quality；ash；statistic analysis；reasonable stagger distance；coal seam group；coordinate mining

2016-07-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.002

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51504183)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2015JQ5132)

王威欽(1987-)，男，甘肅臨洮人，工程師，博士研究生，現(xiàn)從事礦山巖石力學(xué)及地下工程穩(wěn)定性分析等方面的研究工作。

王威欽，丁自偉，廖敬龍，等.煤質(zhì)中灰分分區(qū)統(tǒng)計(jì)分析與合理錯(cuò)距在煤層群配采中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2017，22(2)：5-9，46.

TD822

A

1006-6225(2017)02-0005-05