長平煤礦采用大采高開采方法的可行性研究

牛建兵

(山西晉城煤業(yè)集團 長平公司,山西 晉城 048006)

1 礦井概況

長平井田位于沁水煤田高平勘探區(qū)趙莊礦井南部,北與趙莊井田相接,南為王報井田,東為望云井田,西為柿莊井田。井田主要可采煤層有3號、8號和15號煤層。其中3號煤層位于山西組底部,厚4.56 m～6.83 m,平均5.7 m,為主要可采煤層之一。長平礦井田地質構造簡單,水文地質條件簡單,屬高瓦斯礦井,井田3號煤層不易自燃;3號煤塵具有爆炸危險性。夾石層數(shù)結構較簡單,可采系數(shù)100%,穩(wěn)定性好,屬全井田可采的穩(wěn)定煤層。

長平井田位于晉霍褶斷帶南部西側,沁水盆地南緣,井田構造形態(tài)與區(qū)域構造密切相關。根據(jù)井田地表露頭和鉆孔、巷道揭露及三維地震勘探、地面物探資料,井田地層總體走向為北北東向,傾向北西西,地層傾角5°～12°,局部受構造應力影響,發(fā)育有次一級的波狀起伏,表現(xiàn)為寬緩的中小型背斜和向斜,并伴生有較多的中小型斷層和陷落柱。

長平井田內3號煤層頂板影響范圍內的巖性如表1所示。巖性為粉砂巖、細粒砂巖、砂質泥巖、泥巖及中粒砂巖。直接頂板多為泥巖、砂質泥巖,局部為粉砂巖、細粒砂巖及中粒砂巖,厚1.03 m～10.80 m。厚度穩(wěn)定性差,結構松軟,吸水易軟化,強度較低。

表1 3號煤層頂板巖性Table 1 Roof lithology of No.3 coal seam

老頂為砂巖,一般厚0.60 m～13.00 m;巖相變化大。不規(guī)則裂隙發(fā)育,見有方解石脈及泥質物充填現(xiàn)象。

煤層的上覆巖層,從直接頂?shù)嚼享敒檐浫?堅硬型,再往上為軟弱-堅硬型的相間復合結構。這種軟硬相間的結構雖然能阻止煤層開采時頂板裂隙的發(fā)展,但由于軟弱巖石在水的作用下,易發(fā)生軟化,從而會降低頂板的穩(wěn)定性。

煤層直接底板以泥巖、砂質泥巖為主,局部為粉砂巖或細粒砂巖。砂質泥巖:黑灰色,厚層狀,真密度為2 583 kg/m3,含水率1.77%,自然抗壓強度為19.4 MPa,軟化系數(shù)0.24,為軟化性巖石。細粒砂巖:深灰色,中-厚層狀,真密度為2 644 kg/m3～2 715 kg/m3,含水率0.60%～1.28%,自然抗壓強度為8.0 MPa～53.7 MPa,屬軟弱-堅硬型巖石。

2 采用大采高工藝的設備適應性分析

支護設備選型是決定大采高工作面關鍵因素。 煤層首采工作面長度為225 m。根據(jù)煤層厚度、工作面地質條件、井田相鄰礦井礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及成功使用的實際情況,本次設計綜采工作面選用兩柱掩護式液壓支架,采用電液系統(tǒng)控制。

現(xiàn)采用ZY12000/28/62型支架型高端液壓支架,主要技術特征參數(shù)如表2所示:

表2 ZY12000/28/62型支架技術參數(shù)Table 2 ZY12000/128/62 Stent technical parameters

該高端液壓支架工作阻力大、支護強度高、護幫力大、移架力大,達到了高質量、高可靠性目標。 對工作面適應性強、安全性好、可靠性高,完全能夠滿足大采高綜采工作面的高標準使用要求。

1)對頂板適應性。支架-圍巖關系:ZY12000/28/62型高端液壓支架具有高強工作阻力(12 000 kN),完全可以支住3號煤層易冒落頂板;并且該支架采用二級護幫,支護煤壁的總高度達3.7 m,能夠有效地支護工作面煤壁,使頂板-支架-底板-煤壁形成良好的三維耦合關系,支架穩(wěn)定性好。 由于頂板屬易冒落至中等冒落頂板,運用該大采高液壓支架,采用全部垮落法管理頂板,采空區(qū)頂板隨采隨冒,使采空區(qū)得到有效充填,保障工作面的安全、高效生產(chǎn)。

2)對底板適應性:3號煤層底板以細砂巖為主,試驗巖樣平均抗壓強度為60.32 MPa,底板堅硬、完整度好,穩(wěn)定程度屬穩(wěn)定,遇水不易膨脹。在底板堅硬、穩(wěn)定的條件下,底板不易沉陷和隆起,完全可滿足該大采高液壓支架底板比壓的要求。

3)煤厚適應性:煤層厚度是選擇采煤方法的最基本條件。長平礦井3號煤層平均厚度為5.7 m。根據(jù)鉆孔資料和煤層等厚線圖繪制出3號煤層厚度分布區(qū)域圖,整個井田中部和西部區(qū)域煤層厚度比較大,且絕大部分煤層厚度在5.0 m～6.0 m之間。根據(jù)煤層厚度分布情況可確定支架最大采高6.0 m。

4)對煤層傾角的適應性: 長平煤礦井田3號煤層為近水平煤層,支架可滿足工作面的使用要求,可采用大采高采煤技術。

5)工作阻力與初撐力的安全保障性:該ZY12000/28/62型液壓支架的工作阻力12 000 kN,初撐力7 917 kN,具有優(yōu)良的安全性,完全能夠勝任頂板支護,保證工作面的安全。

6)順槽超前支護:順槽采用超前支護液壓支架,選用電液閥控制,用來支護工作面順槽,可以減少使用單體液壓支柱,提高順槽支護強度,減輕工人勞動強度,實現(xiàn)工作面端頭支護的自動化與機械化。

3 大采高與放頂煤的優(yōu)劣性對比

3.1 從安全角度對比

1)瓦斯方面：根據(jù)礦方提供的地質條件,本井田屬高瓦斯礦井。采用大采高綜采技術,工作面斷面大,有利于通風,不容易產(chǎn)生瓦斯超限。采用放頂煤綜采技術,工作面斷面小,不利于通風;放頂煤放不盡,老塘遺留煤炭較多,容易產(chǎn)生瓦斯超限。

2)煤層自燃性：采用大采高綜采技術,煤炭全部回收,采空區(qū)煤層不易自燃。采用放頂煤綜采技術,煤炭回收率低,采空區(qū)丟失煤多,采空區(qū)煤層容易自燃。為了防止煤層自燃,需在采空區(qū)注氮或充黃土,工藝環(huán)節(jié)增多,成本加大。

3)煤塵爆炸性：采用大采高綜采技術,工作面斷面大,通風效果好,降塵速度快,煤塵濃度可以有效控制。采用放頂煤綜采技術,采高低,工作面斷面小,通風效果差,除割煤煤塵外,放頂產(chǎn)生的煤塵更多,煤塵濃度得不到有效控制。

3.2 從作業(yè)環(huán)境角度對比

采用大采高綜采技術,通風效果好,能見度高,煤塵可以有效控制,職工的作業(yè)環(huán)境好,得矽肺病的幾率低。采用放頂煤綜采技術,通風效果差,尤其是放頂煤環(huán)境下,職工作業(yè)時粉塵大,能見度低,空間小。

3.3 從技術角度對比

1)頂?shù)装鍡l件：根據(jù)3號煤層條件:采用大采高綜采技術,支架前端支護力大,支架頂梁短,頂板易于管理。 采用放頂煤綜采技術控頂距大,支撐接頂不實,老塘對煤幫壓力較大,易于產(chǎn)生后部冒空,導致后柱受拉損壞。

2)煤層厚度：長平煤礦3號煤層平均厚度為5.75 m;5 m以上煤層為80%。

采用大采高綜采技術,根據(jù)煤層厚度,可采用6.2 m液壓支架,實現(xiàn)一次采全高,回采率高,可實現(xiàn)煤炭資源的最大化利用。

采用放頂煤綜采技術,只能采用“采3 m放2.7 m”,采放比接近1:1,回采率低,資源浪費嚴重。

3)采煤工藝：大采高采煤工藝為割煤→拉架→推溜，放頂煤采煤工藝為割煤→拉架→推前溜→放頂煤→拉后溜。

采用大采高綜采技術,采煤工藝環(huán)節(jié)簡單,用人較少,便于管理,塊率高。 采用放頂煤綜采技術,采煤工藝環(huán)節(jié)較多,勞動強度大,后溜空間較小,容易放出矸石,影響煤質,容易把后鏈擠斷,不便于管理。

3.4 產(chǎn)量及成本

采用大采高綜采技術,工作面一天可實現(xiàn)2萬t左右的產(chǎn)量,年產(chǎn)量達到500萬t。采用放頂煤綜采技術,工作面一天可實現(xiàn)0.9萬t左右的產(chǎn)量,年產(chǎn)量在270萬t。

采用放頂煤綜采技術,工藝流程相對復雜,除正常割煤人員外,還需另配放頂煤人員和防止煤層自燃所需的注氮及充黃土人員,用工數(shù)量大量增加。采用大采高綜采技術,設備先進,工藝流程簡單,可少用60人。按每個工人年薪6萬元計算,可節(jié)省360萬元。

4 結束語

礦井設備選型要以保證礦井安全生產(chǎn)為根本,提高礦井經(jīng)濟效益為目的,用先進的工藝技術和成熟的裝備,實現(xiàn)礦井的高產(chǎn)高效。長平礦井3號煤層采用大采高綜采設備,可實現(xiàn)早投產(chǎn)、早達產(chǎn)、早收益。