大海則煤礦厚煤層采煤方法的選擇

雷佳(中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦，陜西 榆林 719000)

0 引言

眾所周知，我國不僅是全球煤炭生產大國，同時也是煤炭消費大國，煤炭這一資源在我國能源結構中占據重要地位。根據我國的煤炭儲量來看，其中厚度超過3.5m的厚煤層在全部煤炭資源中的儲量為44%，其中厚煤層的產量在煤炭總產量中所占的比例為45%左右[1]。根據厚煤層的分布情況來看，其主要分布在我國大多數的產煤、區與各大煤炭集團公司中，當前厚煤層開采已經成為我國實現高效、安全開采的關鍵技術，其中針對千萬噸級的礦井開采方式為厚煤層開采。伴隨著科學技術的發展，設備制造工藝的不斷提高，煤層埋深的逐漸加大，為機械化采煤快速發展奠定了堅實的基礎，其中長壁采煤法的發展尤為突出；而厚煤層開采方法則主要有分層開采、放頂煤開采、大采高綜采3種[2]。要建設高產高效礦井，選擇適宜的采煤方法是關鍵，應按照煤層地質條件以及開采煤礦的經濟條件決定選用哪種采煤方法，盡可能滿足回采安全、產量大、煤質好、成本低、效率高等要求。

1 工程概況

大海則煤礦原屬于神華集團神東煤炭公司，是一個規模較大的出口煤基地，大海則井田位于陜西省榆林市榆陽區西部，2號煤層厚度4.41～10.97m，平均厚度6.32m。煤層厚度由南向北漸變厚，規律明顯，以厚-特厚煤為主，2號煤層在區內以埋藏淺、厚度大為顯著特征。這一煤層結構較為簡單，通常不含或者只含0.10m～0.35m厚的一層粉砂質泥巖夾矸。其直接頂板巖性主要是泥巖和粉砂質泥巖，直接底板巖性主要是泥巖和泥質粉砂巖。

2 煤層賦存條件

2.1 煤層傾角

煤層傾角對支架穩定性會產生直接影響。伴隨傾角的增大，上覆巖層重力會沿著切向層面逐漸增大分量，沿著垂直法向層面的分量則逐漸減小，頂底板滑移量沿著層面逐漸增大[3]。如此一來，煤層工作面支架的垂直荷載較小，但承受著較大的側向力，弱化支架的穩定性。大海則礦井對應的地質條件較為簡單，2號煤層有0.6°傾角，屬于近水平開采，方便使用大采高開采。

2.2 埋深

按照在多個礦區得到的經驗，發現周期來壓步距大多不超過20m，也就是支架支護強度不超過1.4MPa。根據架寬為2.05m來考慮，支架工作阻力則能達到15785kN。現階段國內設計的采高為7m的液壓支架的工作阻力最大能達到18000kN，可以滿足大海則煤礦深部超大采高回采的支護要求[4]。

2.3 煤層厚度

2號煤層全礦井煤層厚度主要集中在5.0～7.5m之間，其中有87.65%的煤層厚度都在5.0～7.5m之間。根據當下超大采高綜采技術的發展情況，超大采高綜采中7m是一個界限，全礦井中有77.17%煤層的厚度都在5～7m之間。綜合煤層賦存條件分析，2號煤層具備采用割煤高度5.6m和割煤高度6.9m的大采高綜采煤層厚度條件。

3 安全生產條件分析

3.1 瓦斯

按照地質報告，通過對勘探瓦斯采樣測試進行分析，發現2號煤層中含有瓦斯，每一克可燃物質中有0～5.14ml/g二氧化碳、0～0.38ml/g甲烷、0～0.02ml/g重烴。瓦斯的成分為：0～23.89%二氧化碳、0～18.14%甲烷、0～1.57%重烴。這表明煤層瓦斯就是屬于二氧化碳-氮氣帶，如果使用超大采高綜采方法，其工分帶作面就會有較大的通風斷面，可以使有害氣體被有效稀釋。

3.2 煤塵爆炸危險性

測試2號煤層，發現其火焰長度超過400mm，有90%的抑制煤塵爆炸最低巖粉用量，所以將其確定為存在爆炸危險的煤層，如果使用超大采高綜采技術，就會增大煤塵絕對總量，應通過各種策略實施噴霧降塵，保證工作面回采的安全性[5]。

3.3 自燃傾向性

2號煤層煤的吸氧量0.68～0.74cm3/g，自燃傾向性等級為Ⅰ類和Ⅱ類，自燃傾向性屬容易自燃和自燃。據周邊資料，區域上的主采煤層露頭均已自燃，榆橫礦區中的小煤礦堆煤及巷道中的煤柱也有自燃現象發生，亦能說明該煤層易自然發火。設計按易自燃煤層采取綜合預防煤層自然發火的措施。

3.4 頂底板條件

綜合上述分析得出頂底板的條件如下：

(1)煤層頂板主要為泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖為主，能夠做到隨采隨冒。

(2)頂板的及時垮落能在一定程度上減緩支架的載荷和煤壁壓力，防止片幫和冒頂。

(3)頂板強度中等，頂板完整度較好，利于大采高開采。

(4)煤層底板主要是泥質粉砂巖和粉砂質泥巖，其中有69.8%是粉砂巖，有22.5%是泥巖，屬于中等強度，對快速推移支架是有利的。

4 相似煤層開采條件類比分析

從大海則煤礦所處位置看，處于榆林地區。附近的井田均沒有大規模開采，可借鑒的是神木地區的神東礦區幾個超大采高開采的礦井和陜煤集團的紅柳林煤礦。

上灣第一個大采高7m工作面和大柳塔礦大采高7m工作面的埋深都較淺，而大海則礦有較大的埋深，要加強對工作面礦壓顯現構成的分析，優化支架選型；頂板和底板條件沒有明顯的差異，當底板是泥巖時可能會使生產受到較大的影響，相比之下大海則煤礦具備較好的底板條件；大海則煤礦對應較軟的礦體，在開采環節有遇到片幫問題的可能性，應適當借鑒開采上灣、大柳塔煤礦的經驗。在開采趙莊煤礦時使用經過改進的ZY12000/28/62D型兩柱掩護式液壓支架，依托科學的采煤工藝和流程有效管理工作面現場，有序回采大采高工作面。在梁北煤礦的開采中運用臺階割煤、支架初撐力與正規循環率的提高、推進速度的加快等手段，對特殊地段進行注漿加固，確保工作面的生產正常而有序，在限產情況下達到月均單產15萬t的標準。

綜上，根據將大采高綜采用于較軟厚煤層的實踐情況，發現工作面煤壁因為煤較軟必然會發生片幫現象，利用改善支架結構或者提高初撐力或者加快推進速度、注漿加固、臺階割煤等方案)等措施，完全能夠實現超大采高綜采。

5 煤炭質量與效益

5.1 煤炭質量

從混矸率和回收率角度分析，2號煤一般不含或含1層厚0.10m～0.35m的粉砂質泥巖夾矸，若采用超大采高綜采工藝，含矸率預計低于0.05%或甚至不含矸石。若采用大采高綜放工藝，由于頂煤厚度較小，平均只有約2.9m，預計混矸率在5%～10%左右。混矸率和回收率是相互矛盾的，若要提高回收率，則免不了導致原煤混入矸石量增加，神華柳塔礦2-2煤層厚度7.3m，由于其直接頂強度較低，原煤含矸率較高，達9.38%，柳塔礦原煤輸往臨近的布爾臺3000萬t/a選煤廠，為了提高回收率，也容忍了一定的含矸率，在留有一定底煤的情況下，柳塔礦大采高綜放工作面純回收率仍達到了86.7%。

5.2 效益

從工作面定員來分析，超大采高綜采工工作面自動化程度較高，一般一個綜采隊定員人數多為70～80人左右。大采高綜放工工作面由于有放煤環節，一個綜采隊定員人數一般在100～120人左右，雖然國內有不少綜放面采用電液控制系統，但在放煤時往往需要人工干預。

從推進速度和產量角度分析，超大采高綜采工作面推進速度較快，一般日推進12～16m，年產原煤12.0～14.0Mt/a，補連塔礦22303工作面曾創出日割煤21刀，生產原煤5.28萬噸的記錄。而大采高綜放工作面推進速度稍慢，一般日推進6～10m，年產量約在6.0～8.0Mt/a左右，據統計，國內大多數7～8m厚度煤層大采高綜放工作面日產量多在2萬噸左右。

6 大采高綜采和綜放工藝對比

6.1 工藝成熟度對比

從割煤高度分析，2號煤層平均厚度6.9m，若采用超大采高綜采，國內現有的7.2m綜采液壓支架完全可以滿足要求，若采用超大采高綜放，適宜的割煤高度為4.0m，國內4.2m支護高度的大采高綜放支架也比較成熟。

6.2 設備投資對比

從設備投資分析，300m長工作面設備投資在5～6億左右，而大采高綜放300m長工作面設備投資在3～4億左右，超大采高綜采設備投入較綜放高1億左右，這主要是超大采高進口采煤機和高強度支架費用較昂貴。

6.3 影響因素對比

根據對影響因素的分析來看，超大采高綜采工藝要求設備具有較高的可靠性，而且煤壁片幫等會在一定程度上對快速推進工作面產生制約作用，然而超大采高工藝的好處就在于布置工作面較為簡潔，管理也較為簡單。大采高綜采因為涉及到前后兩部刮板，需要多點出煤，所以其工作面的操作及管理都較為復雜。除此以外，脆性煤體放煤頂煤的工作面會有很大的粉塵，因為2號煤頂板大多都是砂質泥巖，其強度比破碎塊度小，容易提高混矸率，而且采空區遺煤容易留下自然起火隱患[6]。

7 結語

綜合前述論證，從煤層條件、安全條件、相似煤層開采條件類比分析、煤質及效益、大采高綜采和綜放工藝對比5個方面比較分析認為，大海則煤礦2號煤層能夠采用綜放開采亦可以采用綜采開采。并對可能采用的設備進行了選型，對回采工藝進行了研究。對比分析了大海則礦應用超大采高綜采工藝和綜放工藝的主要指標，認為2號煤層適宜采用超大采高綜采，且分析的各項指標一般均優于綜放開采，建議優先考慮綜采開采方案。