厚煤層煤礦開采技術(shù)與安全高效采煤工藝配合研究

劉 濤

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司，山西 朔州 038300）

1 礦井概況

挖金灣虎龍溝煤礦地處于大同與朔州兩市交界處，交通便利。煤礦礦井西南方向?yàn)榇笸禾?，正南是柴溝煤礦，東邊毗鄰塔山井田，可開采井田面積有12.23 km2，煤炭保有儲(chǔ)量16 600 萬t，可開采儲(chǔ)量9 289 萬t，年設(shè)計(jì)開采產(chǎn)能為170 萬t/a，總服務(wù)年限為55 年，其主要可開采煤層集中在5#和8#煤層，其中5#煤層為厚煤層，煤層地質(zhì)情況如圖1 所示?，F(xiàn)在礦井的采煤工藝與開采技術(shù)之間的匹配選用方案不明晰，導(dǎo)致開采效率較低[1-2]。因此從不同維度對(duì)比分析一次性采高綜采工藝與放頂煤綜采工藝的技術(shù)特征和開采效率，為后續(xù)研究提供依據(jù)[3-4]。

圖1 5#煤層地質(zhì)巖層

2 厚煤層煤礦開采技術(shù)及實(shí)施方案

2.1 放頂煤綜采技術(shù)

在開采時(shí)，首先將長(zhǎng)臂工作面（采高：2～3 m）放置在煤層的底部位置，然后配合使用綜采技術(shù)開展回采工作，使用人工松動(dòng)的方法或者利用礦山的自身壓力使支架上方的頂煤出現(xiàn)破碎，變成散體，再從支架的后方位置處放出，進(jìn)而整理回收[5-6]。此外，該開采技術(shù)需配套聯(lián)合物料搬運(yùn)設(shè)備進(jìn)行工作，包括帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)（大功率版）以及液壓支架，此技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于合理有效利用支撐壓力進(jìn)行調(diào)控頂煤的移動(dòng)、變形以及破壞狀態(tài)，這使得采煤效率得到增強(qiáng)。厚煤層放頂煤開采技術(shù)示意圖，如圖2 所示。

圖2 厚煤層放頂煤開采技術(shù)示意圖

2.2 一次采全高綜采技術(shù)

一次采全高也是厚煤層的主流開采技術(shù)，它是使用大采高采煤機(jī)一次性把煤開采出來，然后經(jīng)刮板輸送機(jī)將煤提出工作面，該技術(shù)單次開采量較大，采煤效率高效且可預(yù)防煤壁出現(xiàn)片幫[7-8]，由于一次性開采可不用頻繁移動(dòng)綜采設(shè)備，但是因其裝備較重，難以安裝和移動(dòng)，導(dǎo)致維修成本和設(shè)備成本增加，這也阻礙該采煤技術(shù)的推廣范圍和適用性。

2.3 開采方案

為了對(duì)比不同綜采工藝和開采技術(shù)的適應(yīng)性和效率問題，選定1505 工作面（煤層平均厚度為6.1 m，走向長(zhǎng)度1 850 m，傾向長(zhǎng)度190 m，可采儲(chǔ)量203 萬t）開展一次采全高綜采工藝技術(shù)，1504 工作面（煤層平均厚度為6.7 m，走向長(zhǎng)度1 738 m，傾向長(zhǎng)度187 m，可采儲(chǔ)量223.8 萬t）實(shí)施綜采放頂煤開采，結(jié)合兩種開采工藝的產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益、投入成本以及安全高效管理方法判斷哪種綜采技術(shù)更適合厚煤層煤礦安全高效的生產(chǎn)。

3 對(duì)比分析兩種綜采技術(shù)方法

放頂煤綜采技術(shù)與一次采全高綜采技術(shù)的工藝流程基本一致：采煤機(jī)割煤（包括裝煤和破煤）→運(yùn)煤（采用輸送機(jī)）→支護(hù)（頂板和邊幫）→收護(hù)→移架→推溜→清浮煤。有區(qū)別的是兩種工藝的綜采設(shè)備型號(hào)與功率不同，如1505 一次采全高綜采工作面的輸送機(jī)型號(hào)為SGZ1000/800，采煤機(jī)型號(hào)為MG500/920，而放頂煤綜采工藝的輸送機(jī)型號(hào)為SGZ700/350，采煤機(jī)型號(hào)為MG300/630?？擅黠@看出，一次采全高綜采工藝的設(shè)備功率大于后者，這表示著一次采全高的回采率和煤炭產(chǎn)量要大于放頂煤綜采技術(shù)。

3.1 單產(chǎn)與推進(jìn)度

根據(jù)采煤量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，2019 年初到2020 年初整一年期間，1505 一次采全高綜采工作面總采煤推進(jìn)距離740 m，采煤量123 萬t。第一季度由于工作面剎底，使得產(chǎn)量較低，采煤18.7 萬t；在第二季度和第三季度隨著采高量的提升（5.3 m），頂板趨向于穩(wěn)定，推進(jìn)速度更快；第四季度時(shí)，工作面穩(wěn)定回采，采高固定在5.5 m 附近，后三季度總采煤量為104.3 萬t，平均單產(chǎn)11.59 萬t/月，推進(jìn)距離為68 m/月，12 月開采產(chǎn)量最大，為18.4 萬t，工作面推薦距離79 m。

相比之下，1504 放頂煤綜采工作面在2016 年3月投產(chǎn)，第三年同月回采結(jié)束，總采煤量204 萬t，月平均單產(chǎn)8.5 萬t，月推進(jìn)距離59 m。

3.2 煤炭資源回收率

通過對(duì)1504 和1505 工作面一年開采數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，如表1 所示，為兩工作面資源回收采出率各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果。

表1 兩工作面資源回收數(shù)據(jù)

3.3 材料耗能

據(jù)統(tǒng)計(jì)1505 一次采全高綜采工作面在一年內(nèi)總耗費(fèi)材料共計(jì)225.3 萬元，月平均消耗18.775 萬元，轉(zhuǎn)換后可知每1 t 煤耗費(fèi)1.63 元。

1504 放頂煤綜采工作面一年共耗材料費(fèi)229.75萬元，月平均消耗19.14 萬元，每1 t 煤消耗材料費(fèi)用1.84 元。

3.4 煤質(zhì)

1505 一次采全高綜采工作面原煤灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.97%，含矸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，普通混煤低位發(fā)熱量為18.52 MJ/kg，煤質(zhì)為低揮發(fā)分煤。

1504 放頂煤綜采工作面原煤灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.55%，含矸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%，普通混煤低位發(fā)熱量為15.72 MJ/kg。

3.5 回采工效

根據(jù)工作面每天的開采量，1505 一次采全高綜采工作面每人的工效為41.816 t。而1504 放頂煤綜采工作面每人的工效為30.25 t，主要原因在于需要定時(shí)清理輸送機(jī)后部以及架間的浮煤，同時(shí)還得注意兩巷間超前管理，工序耗時(shí)較長(zhǎng)，1504 工作面循環(huán)作業(yè)工序，如圖3 所示。

圖3 1504 放頂煤綜采工作面作業(yè)工序

3.6 安全管理

1）工作面的兩巷管理。對(duì)于1505 一次采全高綜采工作面的兩條巷道使用跟頂留底工序，其方便對(duì)兩巷實(shí)行超前控制。而放頂煤綜采工作面的兩條巷道需要使用錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，這樣使壓力較為集中，不容易控制頂煤，給安全生產(chǎn)帶來很大的隱患，安全管理難度相比一次性采高上升。

2）頂板和礦壓控制。1505 一次采全高綜采工作面使用高阻力液壓支架，該支架的支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)較高，可以降低回采期間圍巖被破壞次數(shù)，同時(shí)支架承受力較為平穩(wěn)，當(dāng)超前控制長(zhǎng)度設(shè)定為32 m 時(shí)，周期來壓步距的值為22 m，相比1504 放頂煤綜采工作面其壓力較小。1504 放頂煤綜采工作面的支架受力不均勻，容易出現(xiàn)壓力集中，導(dǎo)致支撐頂板面上存在壓力峰值前移，時(shí)常出啊先支架被壓住不動(dòng)的情況，這樣就得借助人工爆破的方法進(jìn)行松底，隨之引起的安全問題較為嚴(yán)重，此方法周期來壓的步距為17 m，經(jīng)過測(cè)試得到前后立柱的支撐力差值高達(dá)10 MPa，超前長(zhǎng)度為42 m。

4 對(duì)比結(jié)果分析

綜上所述，從采煤工藝流程各階段對(duì)比分析了1505 和1504 兩煤層工作面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在單產(chǎn)和推進(jìn)度方向，一次采全高綜采工藝相比放頂煤綜采工藝其值各自增加了37%和9%；在資源回收方向，前者比后者的煤炭開采率提升了10%左右；在耗材方向，前者比后者的每噸耗材費(fèi)降低了0.21 元；關(guān)于煤質(zhì)，放頂煤夾矸率高，灰分比一次性采高高5.58%；在回采效率方面，一次性采高比放頂煤高出38.2%；因此，一次性采高綜采技術(shù)更適合厚煤層的開采，該開采技術(shù)和采煤工藝的有效結(jié)合可以保證厚煤層煤礦可以安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié)論

以實(shí)例礦井中兩種綜采工作面，分析總結(jié)了厚煤層煤炭開采技術(shù)與采煤工藝的安全高效適應(yīng)性方案，結(jié)論如下：

1）一次性采高的開采技術(shù)與綜采工藝的結(jié)合更適合于厚煤層的高效開采，可快速提升煤礦單產(chǎn)和回采率。

2）一次采全高綜采工藝可減少噸煤的開采成本，且煤炭質(zhì)量較好，相對(duì)于年設(shè)計(jì)產(chǎn)量170 萬t，年可節(jié)省成本6 324 萬元。