三元煤業(yè)厚煤層大采高開(kāi)采可行性研究

郭曉龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)潞安煤炭事業(yè)部長(zhǎng)治公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

煤炭是我國(guó)重要的一次消費(fèi)能源，也是不可再生能源，如何提高煤炭資源的采出率對(duì)我國(guó)煤炭工業(yè)具有重要的意義[1-3]。對(duì)于厚煤層而言，采用大采高一次采全高回采工藝，可以有效提高煤炭資源的回收率，因此在地質(zhì)條件適宜的情況下應(yīng)廣泛使用該工藝[4-5]。大采高工藝能夠有效地提高通風(fēng)斷面，對(duì)稀釋瓦斯?jié)舛刃Ч@著，并能夠有效發(fā)揮工作面產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)，在提高單產(chǎn)能力的同時(shí)，也可以提升煤炭資源回收率，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[6-8]。依據(jù)三元煤礦3#煤層賦存條件，通過(guò)對(duì)開(kāi)采煤層附近巖層進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)結(jié)合開(kāi)采影響因素分析、煤壁穩(wěn)定性實(shí)測(cè)等手段分析了3#煤層擬采用的大采高工藝的可行性。

1 大采高開(kāi)采影響因素分析

三元煤業(yè)位于山西省長(zhǎng)治市潞城區(qū)西南，生產(chǎn)能力2.60 Mt/a。目前三元煤業(yè)主采3#煤層，煤層厚度范圍6.3～8.4 m，平均7.18 m，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，煤層傾角一般在3°～7°，屬近水平厚煤層。礦井瓦斯絕對(duì)涌出量16.38 m3/min，屬高瓦斯礦井，煤塵具有爆炸傾向性，爆炸指數(shù)16.7%。目前3#煤層采用走向長(zhǎng)壁綜放全部垮落法采煤工藝，工作面割煤高度3 m左右，巷道及工作面通風(fēng)斷面較小，限制了風(fēng)排瓦斯能力，同時(shí)，架后放煤造成工作面煤塵大，對(duì)工作面安全生產(chǎn)構(gòu)成較大威脅。

1.1 煤層傾角

煤層傾角對(duì)支架的穩(wěn)定性影響程度最大，傾角增大，使得作用在支架頂梁上方的覆巖載荷沿層面切向分量升高，外加支架自重在傾向分量上的疊加，導(dǎo)致支架下滑力增大，若傾角超過(guò)一定限度，將有支架傾倒的風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。三元煤礦地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，基本無(wú)較大地質(zhì)構(gòu)造，3#煤層傾角平均6°，屬近水平煤層，對(duì)大采高開(kāi)采工藝的應(yīng)用十分有利，但不排除局部?jī)A角過(guò)大對(duì)生產(chǎn)造成影響的可能，在支架和工作面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮。

1.2 埋深

隨著回采工作面埋深的增大，采場(chǎng)圍巖煤巖體所受的壓力增大，支架承受覆巖動(dòng)、靜載荷隨之升高，工作面液壓支架支護(hù)能力需相應(yīng)提高[4-5]。通過(guò)調(diào)研可知目前國(guó)內(nèi)7.0 m大采高工作面主要分布在鄂爾多斯及榆林地區(qū)，煤層埋深多在300 m以內(nèi)，山西趙莊煤礦、寺河煤礦埋深一般在400 m左右。三元煤礦3#煤層埋深在250～420 m之間，屬中等埋深，能夠滿足大采高開(kāi)采條件。同時(shí)結(jié)合目前國(guó)內(nèi)大采高工作面的開(kāi)采情況，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的7 m大采高的工作面液壓支架，工作阻力最高可達(dá)26 000 kN，可滿足三元煤礦大采高回采的支護(hù)要求。

1.3 煤層厚度

統(tǒng)計(jì)三元煤礦地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，得出3#煤層等厚線及三維厚度圖，如圖1所示。

圖1 3#煤層厚度等值線

分析圖1可知，三元煤礦3#煤層厚度集中在5.9～7.9 m之間，且主要集中在7.0 m以下。統(tǒng)計(jì)分析可知，3#煤層厚度小于7.0 m的鉆孔占到總鉆孔數(shù)量的82%，說(shuō)明三元煤礦3#煤層厚度較為一致，具備一次采全高的條件。

1.4 煤層裂隙發(fā)育情況

回采煤層附近巖層內(nèi)部裂隙的發(fā)育程度對(duì)大采高工作面及巷道圍巖的穩(wěn)定性至關(guān)重要。為了得到大采高可行性分析的現(xiàn)實(shí)依據(jù)，在3301工作面順槽每隔100 m的距離進(jìn)行布點(diǎn)，針對(duì)三元礦3#煤層及頂板進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視，煤層及頂板裂隙觀測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 鉆孔窺視觀測(cè)結(jié)果

分析可知3#煤層裂隙多為橫向裂隙，且裂隙發(fā)育均較為明顯，其中3#煤層頂部2.6～3.4 m范圍內(nèi)頂煤多為明顯的橫向裂隙，其余部分多為微小裂隙，且較發(fā)育，3#煤層上方3.0～5.0 m范圍內(nèi)頂板均存在多處明顯的橫向裂隙。

1.5 頂?shù)装逦锢砹W(xué)試驗(yàn)

大采高工作面中由于采高加大，容易導(dǎo)致工作面煤壁片幫冒頂，煤層及頂?shù)装宓奈锢砹W(xué)參數(shù)是分析大采高煤壁片幫冒頂?shù)闹饕罁?jù)。在三元煤礦井底車(chē)場(chǎng)附近打鉆收集3#煤層及其頂、底板巖(煤)樣，依據(jù)通用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 煤巖物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

分析可知，3#煤層強(qiáng)度較低，煤體的普氏系數(shù)平均為0.97，屬于軟弱煤層。通過(guò)與井田范圍內(nèi)其他礦井采用大采高回采的工作面進(jìn)行類比，認(rèn)為三元煤礦在使用一次采全高大采高開(kāi)采時(shí)，工作面煤壁易發(fā)生大范圍嚴(yán)重片幫冒頂現(xiàn)象。從寺河煤礦類似地質(zhì)條件下大采高工作面現(xiàn)場(chǎng)片幫情況可知，回采工作面多出現(xiàn)與煤壁45°～60°夾角的片幫，此時(shí)若頂煤支護(hù)不及時(shí)，支架前方極易發(fā)生架前冒頂現(xiàn)象。因此從煤層硬度及煤層裂隙發(fā)育程度來(lái)講，3#煤層若采用一次采全高大采高綜采，工作面勢(shì)必存在著大范圍片幫冒頂問(wèn)題，需采取積極有效的防片幫措施防止工作面大面積片幫冒頂現(xiàn)象。

2 工作面煤壁穩(wěn)定性分析

2.1 煤壁穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

基于煤巖物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，建立FLAC數(shù)值計(jì)算模型，分別模擬對(duì)比分析開(kāi)采高度為4.0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m時(shí)煤壁的片幫及煤壁前方應(yīng)力情況，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同采高下煤壁的片幫情況（XDISP表示水平方向的位移量）

分析上圖可知，隨著采高的不斷增大，煤壁片幫量明顯增加。當(dāng)工作面采高為4.0 m時(shí)，煤壁片幫量達(dá)到0.6 m，片幫位置發(fā)生在煤壁2～3.5 m的中上部區(qū)域；當(dāng)采高增加至5.0～6.0 m時(shí)，煤壁片幫量明顯增大，最大片幫量達(dá)到1.0 m，片幫位置仍處于煤壁中上部；當(dāng)采高繼續(xù)增加至7.0 m時(shí)，煤壁最大片幫量增至1.35 m。

2.2 工作面煤壁穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為更好地分析3#煤層大采高綜采的適應(yīng)性，針對(duì)3#煤層一采區(qū)1309綜放工作面煤壁的片幫情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析。1309綜放工作面煤層厚度7.2 m，回采高度3.0 m，放煤高度4.2 m，煤層傾角1°～5°，工作面切眼長(zhǎng)度210 m，工作面采用ZF4800/17/33型支架，支架支護(hù)強(qiáng)度0.78 MPa。煤層直接頂為厚度2.5 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖互層，平均厚度12.41 m。統(tǒng)計(jì)分析觀測(cè)期間煤壁的片幫情況及支架工作阻力情況，如表3所示：

表3 觀測(cè)期間工作面煤壁片幫統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)分析可知，3301綜放工作面回采期間工作面整體存在片幫現(xiàn)象。主要片幫區(qū)位于工作面中部及機(jī)尾側(cè)，最大片幫深度達(dá)1 m，片幫深度多集中在0.3～0.6 m之間。加快工作面推進(jìn)速度可以有效降低片幫風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)日推進(jìn)速度為1.8 m時(shí)（2021年9月17日～9月18日），煤壁片幫深度超過(guò)0.6 m的占比超過(guò)20%；隨著推進(jìn)速度的加快，煤壁片幫深度明顯降低，當(dāng)日推進(jìn)速度為3.2 m時(shí)（2021年9月24日、9月26日），煤壁片幫深度超過(guò)0.6 m的占比不足2%，降幅十分明顯。因此提高工作面推進(jìn)速度能夠有效改善煤壁穩(wěn)定性，降低片幫風(fēng)險(xiǎn)。此外，支架工作阻力偏低、初撐力不足也是導(dǎo)致煤壁片幫的主因。分別統(tǒng)計(jì)2021年9月18日、9月20日兩天3301工作面的支架工作阻力情況發(fā)現(xiàn)，2021年9月18日工作面中部60#架～67#支架初撐力偏低，支架平均工作阻力不足2 000 kN，該區(qū)域最大片幫深度達(dá)0.85 m；9月20日工作面104#支架～108#支架初撐力偏低，最大片幫深度達(dá)1 m。由此可以看出，提高支架對(duì)頂板的控制效果可以有效降低煤壁片幫風(fēng)險(xiǎn)。

綜合以上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析可知，3#煤層若采用一次采全高大采高開(kāi)采，工作面煤壁片幫現(xiàn)象不可避免。采用一次采全高大采高回采具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。為維護(hù)大采高煤壁的穩(wěn)定性，需要在采取增大支架工作阻力、保證支架初撐力、跟機(jī)移架、嚴(yán)格控制采高、雙回路供液、破碎區(qū)域煤壁注漿加固等一系列措施的基礎(chǔ)上，在確保支架工作阻力，保證支架初撐力的前提下，加快工作面推進(jìn)速度等措施可以明顯減少煤壁片幫的發(fā)生[6-8]。同時(shí)可以采用臺(tái)階割煤、提高正規(guī)循環(huán)率，在特殊地段注漿加固以保證工作面正常生產(chǎn)，工作面通過(guò)加快推進(jìn)速度，煤壁片幫嚴(yán)重時(shí)適當(dāng)降低采高等可實(shí)現(xiàn)工作面安全高效回采。

3 結(jié)論

1）從煤層賦存條件及輔助運(yùn)輸條件來(lái)看，3#煤層傾角、埋深、煤層厚度及頂?shù)装迩闆r滿足一次采全高大采高回采條件。

2）針對(duì)大采高煤壁的穩(wěn)定性，通過(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)合三元煤礦實(shí)際地質(zhì)條件對(duì)大采高影響因素進(jìn)行了分析，分析認(rèn)為3#煤層若進(jìn)行一次采全高大采高回采，工作面必然會(huì)發(fā)生煤壁片幫現(xiàn)象。

3）三元礦3#煤層若采用一次采全高大采高回采，工作面煤壁面臨著大范圍嚴(yán)重片幫冒頂?shù)膯?wèn)題，但工作面可以通過(guò)采取增大支架工作阻力，加快推進(jìn)速度，采用臺(tái)階割煤，提高正規(guī)循環(huán)率、特殊地段煤壁注漿加固等相關(guān)技術(shù)措施來(lái)避免工作面煤壁較大范圍的片幫，以實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采。