對內蒙古一小型煤礦炮采放頂煤采煤方法設計與論證

裘煜灼

摘要：本文是筆者在小型煤礦炮采放頂煤采煤方法工作實踐中遇到的幾個問題提出來進行探討，尋求一種正確的處理方法，切實解決該采煤方法中出現(xiàn)的問題，讓設計更準確、運用更合理。

關鍵詞：炮采放頂煤；采煤方法論證；設備選型

引言

我國厚煤層放頂煤采煤方法在大型礦井應用比較普遍，放頂煤采煤方法的設計比較完善，使用設備、設施比完備。而小型礦井放頂煤采煤方法的設計、設備、設施選用方面的研究比較薄弱。因此、本人在做小型煤礦炮采放頂煤采煤方法設計與論證工作過程作一個探討。

一、礦井概況

該煤礦位于伊克照盟的東南，向北60公里至東勝市，向南137公里至陜西榆林。該煤礦屬于大煤田之外邊角小煤田類型，儲量不多，也無法與大煤田聯(lián)合開采，只能單獨開采。

1、煤系地層

井田內含煤地層為中下侏羅紀延安組（J11-2y），該組地層的厚度在165.51米～ 201.94米，平均厚度189.51米。根據(jù)巖性的組合特征及其含煤性的差異，將中下侏羅紀可分為上、中、下三個巖段。

1）下巖段（J11-2y）

主要由一套深灰、灰白色的細砂巖，粉砂巖，灰黑色的砂質泥巖、泥巖及煤組成，底部具有灰色的中砂巖、泥巖及煤組成。

2）中巖段（J21-2y）

由一套深灰系灰黑色的粉砂巖、砂質泥巖、細砂巖、中砂巖，局部相變?yōu)榇稚皫r及煤組成。厚度60.51米～75.10米，平均厚67.60米，巖層的主要特征是粒度較細，分選較好粘土質膠結，具有水平層理，交錯層理。該地層賦存3、4號兩個煤組。兩個煤組垂直間距20米。

3）上巖段（J31-2y）

主要由灰白色的細砂巖、中砂巖和粗砂巖，其次是泥巖類和煤組成。

尤其是粉砂巖發(fā)育。厚度38.8米～66.0米，平均54.51米。

2、主要可采煤層的頂?shù)装鍘r性、傾角、及上覆蓋物的厚度

該井田內初期開采為3號煤層。3號煤層具有厚度大，層位穩(wěn)定，結構簡單的特點。3號煤層單層區(qū)的厚度為5.5米。

3號煤層頂板：砂質泥巖、粉砂巖，底板：砂質泥巖、泥巖、粉砂巖。煤層傾角在3度左右，屬近水平煤層。

3號煤層的初開區(qū)也上覆蓋物最薄區(qū)。在這個區(qū)內3號煤層上覆基巖的厚度為70～50米，風積砂厚度40～20米，3號煤層在此區(qū)內覆蓋物的平均厚度為90米。隨著盤區(qū)往前推進，3號煤層上方的覆蓋物越來越厚。

3、煤質

3號煤層屬低變質煙煤中的不粘煤。

水份：煤的裂隙較為發(fā)育，煤的水分含水較高，全井田范圍內含水量為7.91～8.99%。

灰份：3號煤層的灰份較低，煤芯煤樣僅為7.15～9.98%。

硫：3號煤層屬于特低硫煤層，其硫的含量為0.31～0.39%。

揮發(fā)份：3號煤層屬中高揮發(fā)份，其指標為34.66～36.25%。

容重：3號煤層的容重為1.28噸/立方米。

4、瓦斯、煤塵、自燃性

瓦斯：該井田的甲烷含量為2.78～22.03%，故該井田屬低沼氣礦井。

煤塵：該井田煤層揮發(fā)份普遍較高，3號煤層平均為35.24%，4號煤層平均為36.25%，礦井在生產過程中產生的微粒。在一定的條件下該井田存在煤塵爆炸的危險。

自燃性：該井田主要為不粘煤，其揮發(fā)份高，炭含量高，屬易自燃煤層。

5、水文地質特征

該井田水文地質類型為孔隙～裂隙型。以一類一型為主。水文地質條件簡單。地表大部分被第四紀松散層及風積沙覆蓋。易受大氣降水補給，但地形切割普遍，儲水條件差，多為透水層，含水較少。

二、采煤方法探討與推薦

該煤礦是一個新建礦井。選用何種采煤方法來生產煤炭，這個問題直接關系煤礦將來生產經營成該、經濟效益、安全生產，以及生產工人能否熟練掌握采煤方法等都有影響。該煤礦所選用的采煤方法，主要取決于以下二個方面。

1、地質條件、煤層賦存條件對采煤方法的適應要求

1）該礦井地層和煤系地層的特點是巖層的巖性以砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖等泥質膠結為主。圍巖硬度為中等，且圍巖裂隙較發(fā)育。為跨落式開采創(chuàng)造了頂板管理的良好條件。煤層的埋深均在90米以上。能滿足跨落式開采頂板管理的安全要求。

2）煤層條件

①煤層瓦斯含量很小，屬低沼氣礦礦井。

②煤層的傾角小（3度），屬近水平煤層。

③煤層節(jié)理發(fā)育，落煤容易，雖然煤層有自燃及煤層爆炸的危險存在，但是由于煤層節(jié)理和裂隙發(fā)育，煤層的含水量較高（含量7.91～8.99%），由此可以阻止煤層自燃和減少煤塵創(chuàng)造有利條件。

④煤層（3號煤層）在初采期的厚度平均達5.5米。中、后期煤厚也均在5.5米以上。

從煤層的自身條件來分析，比較適合于跨落式開采中的放頂煤采煤法，可以一次采全高。

2、綜合因素對采煤方法適應性

1）工人操作水平與采煤方法的適應性。

該煤礦是一個新建礦，現(xiàn)有的工人大都是新招來以后經過一定的技術培訓，一切都是從新開始的。不存在對某種采煤方法有操作上的習慣性和傳統(tǒng)性。因此，無論是哪種采煤方法，對現(xiàn)有工人來說只要經過基礎技能的培訓都可以接受的。

2）生產管理對采煤方法適應性

在跨落式開采中，長壁采煤法與放頂煤采煤法，在生產管理上基該上大同小異。從這兩種采煤方法使用的角度統(tǒng)計：放頂煤采煤法原先在技術裝備水平落后、管理水平較差、建設資金緊缺的煤礦采用的很多。自從94年煤炭部同意使用放頂煤采煤法以后，而今只要地質條件及煤層適宜放頂煤采煤法開采的礦井，幾乎都采用放頂煤采煤法。該煤礦現(xiàn)有一批大、中專畢業(yè)生，具有一定的管理水平，從管理上來說，該礦使用放頂煤采煤法是較合適的。

3）從生產成該和生產經營效益來選擇采煤方法

該礦井初采期為3號煤層，平均厚為5.5米，采用跨落式長壁采煤法，必須進行二次開采，即分層分采，在分采時需人工再生頂板，不僅增加灌漿系統(tǒng)，而且黃泥漿源就地無法解決。采用放頂煤采煤法可以一次采全高，與長壁采煤法相比較，可以省下一組回采巷道（運輸順槽600米，回風順槽600米，開切眼80米，共省去巷道1280米。）達到同樣的產量時，工作面長度可以縮短20米（即省去1/3的單體支柱、鉸推頂梁數(shù)量），而且可以降低支柱高度，長壁采煤法的支柱最大高度為2.2米。從生產成該和生產經營效益來比較選用放頂煤采煤法較為合適。

從上述二個方面來分析，我推薦放頂煤采煤法作為該煤礦的采煤方法。

三、放頂煤采煤法的論證

該礦井首采區(qū)為3號煤層、煤層厚度5.5米，傾角3度左右，全井田有可采儲量1200萬噸，根據(jù)3號煤層的特點，有二種采煤方法可供選擇。

1、長壁分層開采

按照3號煤層的厚度可分二個分層開采，其優(yōu)點是回采率高。其缺點是：巷道多、材料消耗大，效率較低，開采成該高。

2、放頂煤一次采全高

厚煤層采用放頂煤采煤法，在國內已積累成熟的經驗。特別是近幾年來，放頂煤采煤法應用越來越廣泛。對放頂煤采煤法的適應范圍及各理論參數(shù)正在完善之中。從目前國內對使用放頂煤采煤法技術參數(shù)來看，其適應范圍需具備三個基該條件，即煤的可放性、頂板、支架。

1）3號煤層的可放性

①煤層平均厚度5.5米，采2.2米，放3.3米是很理想的厚度。（內蒙古平莊紅廟煤礦規(guī)定是采2米放3米）。

②煤質屬中等硬度，且煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，具有良好的落煤條件。

③采用炮采放頂煤采煤法，在采底煤放炮過程中，對頂煤有著松動作用，使頂煤產生預裂，加劇頂煤的裂隙，創(chuàng)造快建落煤的條件。

綜上所述3號煤層的可放性方面是可靠的。

2）頂板

無論使用哪種采煤方法，頂板都是采用全面跨落式管理。根據(jù)地質資料，該礦井3號煤層直接頂板和老頂均泥質膠結的砂質泥巖、泥巖、粉砂巖組成。頂板圍巖裂隙發(fā)育，是較為理想的放頂煤頂板。

3）放頂煤采煤的支架選型

在國內還沒有生產炮采放頂煤的專用支柱，從華北、西北對對小型炮采放頂煤支柱的調查發(fā)現(xiàn)；炮采放頂煤都使用普通支柱，以單體液壓支柱為普遍、也有選用金屬摩擦支柱。

在合理選用支架的問題上，國內目前有兩種不同的理論：一種理論認為：放頂煤支架受力情況較好，受力小，頂煤對支架有緩沖和保護作用。支架（支柱）選擇較輕一些的合理。而另一種理論則認為：放頂煤支架或支柱應選擇較重（穩(wěn)重）一些為合理。理由是當頂煤下放時，對支柱產生一個合力，即有水平推力，又有正壓力。需要特別加強支柱的穩(wěn)定性。

在國內頂煤對支柱的壓力情況正處于研究之中，所以在放頂煤支柱的選擇上還沒有很完善理論數(shù)據(jù)作參考，鑒于這種情況，在選用支柱問題上主要是依據(jù)該礦煤層與頂板的具體條件，結合調查其他礦井使用支柱成功的經驗。經計算初步確定選用以支撐高度1.44～2.24米，DZ22-30/100單體液壓支柱為基該型，在此支柱基礎上，工作面后排支柱按接斜撐鋼軌，從而使后排支柱形成一個三角形的受力系統(tǒng)，確保在放頂煤時支柱的穩(wěn)定和安全。

上述三個基該條件，前二個條件在該礦井已具備，后一個條件也完全能達到，放頂煤采煤法在該礦井的使用是適合的。

四、采煤工作面的參數(shù)和回采步驟

1、工作面長度

炮采放頂煤工作面長度、規(guī)范中目前還沒有具體規(guī)定，從管理上來說：

放頂煤工作面長度不宜大，因為在一個工作面中各段的放煤速度不會十分均勻，工作面長了不容易管理。國內最長的炮采放頂煤工作面長度沒有超過110米。許多地方還有40米、60米長的放頂煤工作面。從頂板管理方面分析：工作面適當長一些對放頂有利。工作面越短頂板越難放落。設計確定3號煤層炮采放頂煤工作面長度為80米。經計算能滿足礦井產量的需求。

2、工作面循環(huán)數(shù)及生產能力。

1）工作面晝夜進行三個循環(huán)：進尺為2米，月進尺50米，年總進尺600米。工作面年產量為：

Q=H·米·L·r·K

Q=80×5.5×600×1.28×0.85

Q=287232噸

式中：Q——年產量 噸

H——工作面長度 80米

米——煤層平均厚度 5.5 米

L——工作面年總進尺 600 米

r——煤的容重 1.28噸/立方米

K——工作面回采率85%

炮采放頂煤工作面年回采產量287232噸，對于一個小型礦井，基本上一個炮采放頂煤工作面就能達到產量要求。生產集中，降低生產成本低。

2）工作面最大控頂距為5米，最小控頂距為3米。

3、工作面工作制度

設計采用三班作業(yè)制。三班作業(yè)，其中兩班采煤，每班進尺1米，一班放煤。這樣可以達到三班作業(yè)，三班出煤，班內檢修。其優(yōu)點：工時充分利用，設備利用率高，推進速度快，有利于放頂煤。缺點是：沒有專門的檢修班，設備檢修的質量不穩(wěn)定。其實，該工作面的機械設備很簡單，既無采煤機，又無大的液壓支架，也不需要每天安排專門的檢修班。

4、工作的回采率

工作面的炮采煤和放頂煤之和的平均回采率為85%。3號煤層的厚度5.5米屬厚煤層，按規(guī)定其回采率為85%，也是合適的。

5、工作面的接替關系。

順槽掘進應避免回采過程中應力集中造成的不利影響，該設計采用沿空送道。因此順槽及開切眼的掘進要等到回采應頂板壓力已趨穩(wěn)定時才能進行。所以回采面實行跳采。

6、工作面回采工效

回采工作面的工序包括采煤（打眼、放炮、攉煤）。放頂煤、支柱子、推移淄槽、管理刮板輸送機、工作面材料運輸、設備日常檢查、修理等。工作面每日出勤人數(shù)為56人，工作面日產量為1025噸，工作面工效為18.3噸/工。

7、回采步驟

工作面先由炮采采底煤、炮采高度2.2米，然后再放落頂煤，具體過程：

1）炮采底煤，每進一茬為1米即一個循環(huán)，每天二個循環(huán)，和放一次頂煤。

2）支柱，進一茬移柱一次，排距1米，行距是0.6米

3）移刮板輸送機，每進一茬移一次輸送機，工作面設置兩部輸送機，在近煤壁和靠采空區(qū)側各設置一部，先推移前輸送機，后拉移后輸送機。

4）放頂煤，是整個回采工藝中的關鍵工藝，按如下要求進行。

①當工作面推進2～3茬后（一般為2茬，由底板向頂板方向依段次破鐵絲網放落頂煤。

②為使頂煤充分放出，放頂煤應分兩輪進行，第一輪放出頂煤的一半，第二輪再放出剩余的部分。

8 結語

炮采放頂煤工藝是一種高產高效的新型采煤工藝，在小型煤礦的厚煤層中推廣使用尚有一些技術難題有待解決。將炮采放頂煤工藝應用于中硬厚煤層開采，總結出一套較為成功的技術措施，并取得了較好的經濟效益。

參考文獻：

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[4]《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB16423-2006）