古城礦井首采盤區(qū)采煤工藝變更論證

劉 濤，許孟和 ，王中奎 ，趙正軍

(1.山西煤礦安全培訓(xùn)中心，山西 太原 030012；2.潞安集團(tuán) 古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046100； 3.煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030000)

潞安集團(tuán)古城礦井是國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)批準(zhǔn)新建的特大型礦井，井田面積157.299 3 km2，批準(zhǔn)開(kāi)采3號(hào)煤層，生產(chǎn)能力800萬(wàn)t/a。礦井采用斜、立井混合分區(qū)開(kāi)拓方式。工業(yè)場(chǎng)地分開(kāi)布置，分別為主井場(chǎng)地、副井場(chǎng)地、桃園風(fēng)井場(chǎng)地。首采盤區(qū)為北一盤區(qū)和南一盤區(qū)，原批復(fù)的初步設(shè)計(jì)采用大采高一次采全厚綜合機(jī)械化采煤法。

自2013年起，山西省實(shí)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，煤炭行業(yè)疲軟，經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下滑嚴(yán)重。為節(jié)約投資，決定采用現(xiàn)已非常成熟的技術(shù)—綜采放頂煤開(kāi)采。為此，本文針對(duì)古城礦井3號(hào)煤層采煤工藝由大采高一次采全厚綜合機(jī)械化開(kāi)采變更為大采高一次采全厚綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采進(jìn)行了分析論證。

1 首采盤區(qū)3號(hào)煤層概況

古城礦井屬高瓦斯礦井, 各煤層煤塵均有爆炸危險(xiǎn)性，且不易自燃。地質(zhì)構(gòu)造總體簡(jiǎn)單，但波狀起伏普遍發(fā)育，并伴有寬緩褶曲，致使局部地層傾角較大，其中影響北一盤區(qū)的褶曲有官莊背斜；影響南一盤區(qū)的褶曲有呈寺背斜、西史向斜。3號(hào)煤層傾角2～16°，其中南一盤區(qū)局部煤層傾角達(dá)16°。地溫、地壓未見(jiàn)異常。水文地質(zhì)類型中等。煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)松軟，吸水軟化，強(qiáng)度較低；老頂為中～細(xì)粒砂巖，為半堅(jiān)硬～堅(jiān)硬的巖石。

古城礦井煤層埋深498～688 m，煤層厚度5.89～6.70 m(含夾矸)，平均6.34 m，含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸0～2層，一般1層，其中距底板約0.80 m左右一層夾矸發(fā)育較為穩(wěn)定(平均厚度0.22 m)。煤層變異系數(shù)Cr=0.14，屬穩(wěn)定性煤層。其中北一盤區(qū)3號(hào)煤層平均埋深535 m，厚度5.98～6.67 m(含夾矸)，平均6.38 m；南一盤區(qū)3號(hào)煤層平均埋深613 m，厚度5.89～6.70 m(含夾矸)，平均6.30 m。

2 采煤工藝影響因數(shù)分析

2.1 頂煤冒放性方面

1) 煤層埋深的影響。煤層開(kāi)采深度對(duì)頂煤冒放性的影響實(shí)質(zhì)上是支承壓力對(duì)頂煤的壓裂影響，一般來(lái)講，埋深大于400 m的煤層，其冒放性好。古城礦井首采盤區(qū)煤層埋深498～688 m，冒放性較好，適用放頂煤開(kāi)采工藝。

2) 煤層強(qiáng)度的影響。根據(jù)國(guó)內(nèi)對(duì)綜采放頂煤工作面和大采高綜采工作面的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果表明，煤層強(qiáng)度是影響采用放頂煤或大采高的關(guān)鍵因素。一般來(lái)說(shuō)，軟煤(f≤1)和中硬煤(f=1～2)可放性較好，硬煤(f≥2)的垮落性最差，冒塊常見(jiàn)大于1.0 m的塊度，最大特點(diǎn)是支架后方常有懸空頂煤，放出率低。根據(jù)煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司2018年8月編制的《古城煤礦3號(hào)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試及瓦斯抽采半徑考察研究報(bào)告》，首采盤區(qū)3號(hào)煤層普氏系數(shù)f實(shí)測(cè)結(jié)果為0.37～0.62，即f≤1，屬于軟煤，頂煤冒放性好，適合采用放頂煤開(kāi)采。

3) 煤層厚度的影響。煤層厚度對(duì)頂煤冒放性的影響，實(shí)質(zhì)上是綜放工作面采放比的影響。直觀來(lái)看，過(guò)薄的頂煤相當(dāng)于偽頂，隨采隨冒，很難控制其在支架尾部垮落，可能超前漏頂，導(dǎo)致直接頂超前破碎到放煤口時(shí)，與頂煤混矸一起放出，影響煤質(zhì)，會(huì)在控制一定灰分時(shí)易丟失大量頂煤；另一方面，過(guò)厚的頂煤不易垮落。在放煤過(guò)程中，上部頂煤松動(dòng)緩慢而滯后垮落，這種冒落會(huì)與直接頂一起冒落，而使放煤含矸率增大。因此過(guò)薄或過(guò)厚的頂煤，亦或是綜放工作面采放比不合理時(shí)，頂煤都是難以冒放的。

古城礦井首采盤區(qū)平均煤厚6.34 m，若采用放頂煤開(kāi)采，采煤工作面割煤高度3.8 m，放煤高度2.54 m，采放比為1∶0.67，頂煤適中，采用放頂煤液壓支架支護(hù)，支架的反復(fù)移架支架過(guò)程，對(duì)頂煤有一定的壓裂作用，冒放性好。

4) 煤體節(jié)理裂隙發(fā)育的影響。對(duì)于放頂煤，煤層的節(jié)理裂隙發(fā)育程度影響頂煤的冒放性，節(jié)理越發(fā)育，對(duì)放頂煤越有利；但對(duì)大采高綜采工藝來(lái)說(shuō)，煤層的節(jié)理裂隙是不利因素，節(jié)理裂隙越發(fā)育，工作面發(fā)生片幫事故的概率隨之增加。據(jù)井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀測(cè)，古城礦井首采盤區(qū)巷道及工作面片幫較多，3號(hào)煤層節(jié)理裂隙相對(duì)較發(fā)育，說(shuō)明頂煤冒放性較好，有利于放頂煤綜采工藝，而不利于大采高綜采工藝。

2.2 生產(chǎn)能力方面

從潞安礦區(qū)鄰近礦井的生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看，300～350 m超長(zhǎng)綜采放頂煤工作面在余吾、高河等礦井得到成功應(yīng)用，采用放頂煤采煤工藝，單個(gè)工作面生產(chǎn)能力能夠達(dá)到400萬(wàn)t/a。本礦井開(kāi)采技術(shù)條件與余吾煤業(yè)、高河能源類似。因此，采用放頂煤開(kāi)采能夠達(dá)產(chǎn)。

2.3 生產(chǎn)安全方面

北一盤區(qū)和南一盤區(qū)煤層局部最大傾角16°，初步設(shè)計(jì)中絕大部分工作面沿走向推進(jìn)，無(wú)論何種采煤工藝，均需采取支架防倒措施，但由于大采高液壓支架重量大，高度高，比放頂煤支架更易傾倒，生產(chǎn)安全管理難度更大。

3號(hào)煤層屬于較軟煤層，頂?shù)装鍙?qiáng)度也比較低，對(duì)于放頂煤采煤工藝來(lái)說(shuō)，煤層冒放性比較好，是有利的；但采用大采高一次采全厚采煤工藝，采高越高，煤層越軟，易發(fā)生煤壁片幫，安全隱患較大。

放頂煤回采工藝在潞安集團(tuán)已成功應(yīng)用30多年，生產(chǎn)管理技術(shù)熟練，積累了非常豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在我國(guó)放頂煤開(kāi)采工藝應(yīng)用及生產(chǎn)組織管理方面處于領(lǐng)先水平，生產(chǎn)安全有保障；大采高一次全厚采煤法雖然回采工藝簡(jiǎn)單，但在潞安集團(tuán)應(yīng)用較少，工程技術(shù)人員和工人缺乏經(jīng)驗(yàn)，不利于安全高效生產(chǎn)。

綜上所述，古城礦井更適合采用綜采放頂煤采煤工藝。

2.4 設(shè)備投資方面

大采高一次采全厚工作面由于采高大，要求的支架支撐高度高，工作阻力大，支架重量大，設(shè)備功率高，造成工作面設(shè)備投資明顯高于綜采放頂煤工作面。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，單個(gè)放頂煤綜采工作面設(shè)備投資為22 615.87萬(wàn)元，較單個(gè)大采高綜采工作面設(shè)備投資40 553.51萬(wàn)元，可節(jié)省44%的資金。因此，從投資角度考慮，宜采用綜采放頂煤開(kāi)采工藝。

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 古城井田3號(hào)煤層埋藏較深、厚度變化較大，煤層較松軟，頂?shù)装寰^軟，頂煤冒放性較好，為保證安全生產(chǎn)，節(jié)約初期投資，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，首采盤區(qū)更適應(yīng)采用綜采放頂煤采煤工藝。

2) 開(kāi)采前，應(yīng)制定防瓦斯、防塵、防水、采放煤工藝、頂板支護(hù)、初采和工作面收尾等安全技術(shù)措施。

3) 開(kāi)采時(shí)，應(yīng)充分考慮支架的側(cè)向抗壓能力，配置運(yùn)輸能力大的后部刮板輸送機(jī)。

4) 開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)主控巖層運(yùn)動(dòng)的研究與觀測(cè)，加強(qiáng)上部采空區(qū)探測(cè)與防漏風(fēng)的管理。

5) 古城礦井2018年11月21日進(jìn)入聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)階段，首采面采用放頂煤采煤法已安裝完成并進(jìn)行了試采，能夠滿足800萬(wàn)t/a的生產(chǎn)能力。