六龍煤礦7#煤層放頂煤開采工藝探討

陳助良

【摘 要】煤炭工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，煤炭在中國一次能源中一直占據(jù)主導(dǎo)地位。吉利百礦集團(tuán)依托資源優(yōu)勢，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從單一煤炭開采向煤電鋁一體化產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，而煤炭作為終端能源，是火電廠得以運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。為實現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展，必須突破煤炭供應(yīng)緊缺的瓶頸。文章結(jié)合吉利百礦集團(tuán)六龍煤礦的實際條件，探究應(yīng)用放頂煤開采工藝，從技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行了合理性分析，并通過分析計算得出開采高度、采放比及效益性等相關(guān)參數(shù)。該工藝與傳統(tǒng)分層開采相比，取得良好收益，是突出礦井消突后實現(xiàn)降本增效、高產(chǎn)高效的有力途徑，具有重要的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】極軟傾斜厚煤層;放頂煤;安全高效;分層開采

【中圖分類號】TD823.49 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）09-0074-03

0 引言

近年來，為破解單一煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展瓶頸，解決企業(yè)持續(xù)發(fā)展問題，吉利百礦集團(tuán)積極貫徹落實自治區(qū)、百色市黨委、政府全面推進(jìn)鋁產(chǎn)業(yè)“二次創(chuàng)業(yè)”的決定，大膽探索資源型經(jīng)濟(jì)特征的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革之路，立足煤炭、鋁土礦等資源優(yōu)勢，推動煤電鋁一體化循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不斷破解制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的結(jié)構(gòu)性矛盾，企業(yè)規(guī)模快速擴(kuò)張，企業(yè)發(fā)展質(zhì)量和效益明顯提升。廣西、貴州、云南等我國西南地區(qū)，煤礦規(guī)模小，地質(zhì)條件復(fù)雜，產(chǎn)能低，加上目前煤炭行業(yè)整體去產(chǎn)能的背景下，為切實保障煤電鋁一體化項目的煤源供應(yīng)，吉利百礦集團(tuán)正在實施一批煤礦技改擴(kuò)建項目。六龍煤礦作為吉利百礦集團(tuán)90萬t技改擴(kuò)建礦井，探討改進(jìn)現(xiàn)有的開采工藝技術(shù)，實現(xiàn)安全高效開采，為集團(tuán)發(fā)展提供能源保障，成為集團(tuán)煤炭工程技術(shù)人員和科研人員值得思考、解決的難題。

1 六龍煤礦概況

六龍煤礦位于貴州省六盤水市六枝特區(qū)平寨鎮(zhèn)楊豐村，屬六枝特區(qū)平寨鎮(zhèn)管轄，礦區(qū)面積為1.579 9 km2，其中礦區(qū)東西長1.414 km，南北長1.635 km。地表標(biāo)高為+1 767～+1 500 m，相對高差為267 m，開采深度標(biāo)高為+1 600 m～+1 000 m，工業(yè)場地標(biāo)高為+1 495 m～+1 505 m。礦井設(shè)計可采儲量為492.19萬t，設(shè)計生產(chǎn)能力為30萬t/a，礦井服務(wù)年限為12.6 a。開拓方式為平硐+斜井聯(lián)合開拓，通風(fēng)方式為中央并列式。

六龍煤礦屬煤與瓦斯突出礦井，3#、7#煤層煤塵均有爆炸性，自燃性傾向分類為二級（自燃）。礦區(qū)含煤地層為龍?zhí)督M，組內(nèi)含煤層5層，其中可采煤層為7#煤層，局部可采煤層為3#和18#煤層，8#和9#煤層均為不可采煤層。礦區(qū)內(nèi)煤屬高變質(zhì)煤，3#、7#煤層為瘦煤，18#煤層為貧煤，揮發(fā)分一般為11.1%～18.2%，膠質(zhì)層厚度為0～12 mm，灰分在25%左右，全硫為2.3%～6.5%，屬低～中灰、中～高硫煤。其中，7#煤層為礦井主采煤層，平均厚度為6.4 m，傾角為26°，煤的硬度系數(shù)為0.18左右，為極軟傾斜厚煤層。煤層直接頂為生物灰?guī)r，平均厚度為3 m;基本頂為粉砂巖，平均厚度為8 m;直接底板為泥巖，平均厚度為3 m;基本底為粉砂巖，平均厚度為7 m。3#煤層平均厚度為1.05 m，該煤層頂板以粉砂巖為主，少數(shù)為泥巖，底板為黏土巖及泥巖。

現(xiàn)開采一采區(qū)，主要開采F20斷層以南+1 350 m標(biāo)高以上的3#、7#煤層，采用綜合機(jī)械化開采工藝，預(yù)計劃2020年一采區(qū)開采完畢。為了保證礦井正常采區(qū)接替，現(xiàn)準(zhǔn)備二采區(qū)的接替系統(tǒng)。

2 7#煤層采煤方法的確定

開采厚煤層常用的方法有放頂煤、大采高、分層開采3種方法，這3種方法有著不同的使用條件、技術(shù)特點及優(yōu)缺點（見表1）。

根據(jù)六龍煤礦地質(zhì)資料，7#煤層厚度為6～8 m，煤層傾角在26°左右，煤的硬度系數(shù)為0.18左右，為極軟傾斜煤層，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不屬于大采高采煤法的適用范圍，除此之外，大采高采煤法所采用的設(shè)備體積比較大，而六龍煤礦現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)的主要巷道、硐室尺寸不能滿足大采高設(shè)備的運(yùn)輸，若采用大采高采煤法，需要對現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行改造，其改造成本較高，同時會影響礦井的正常生產(chǎn)，因此六龍煤礦無論是從技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)的角度都不適宜采用大采高采煤法。

雖然分層開采的適用范圍較廣，但是開采過程中采空區(qū)自燃、瓦斯及下分層開采過程頂板漏頂和冒頂?shù)膯栴}較為突出，同時分層開采巷道掘進(jìn)工作量大，準(zhǔn)備時間長，設(shè)備搬家次數(shù)多，容易造成接續(xù)緊張，不利于實現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效，因此從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的角度都不適宜采用分層開采。

綜合3種采煤方法的適用條件、技術(shù)特點和優(yōu)缺點，選取放頂煤開采一次采全厚，與其他回采工藝相比，在工作面回采的過程中，對煤層的破壞擾動范圍較其他回采工藝要大，破壞程度會加劇，使煤巖體中的裂隙發(fā)育效果更好，更有利于瓦斯均勻釋放，煤層高支承壓力區(qū)向前推移，距回采工作面更遠(yuǎn)，高瓦斯區(qū)集中到回采工作面后面采空區(qū)上部，工作面的危險性降低。

但是，對于六龍煤礦而言，優(yōu)先選擇綜采放頂煤工藝，首先必須采取順層鉆孔或穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯、水力沖孔等有效的綜合性防突措施，通過突出危險鑒定，達(dá)到《防突規(guī)定》和《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的要求，基本上解除了煤層的突出危險性，然后才能實現(xiàn)安全高效回采。

3 二采區(qū)7#煤層開采高度確定

放頂煤開采是一個頂煤松動、破壞、垮落過程，在采煤機(jī)割煤后形成采空區(qū)后，頂煤在礦山壓力和自重作用下破壞、垮落形成松散無規(guī)則的塊體下落。因此，選取合理的采放比有利于頂煤的充分破碎。但是，由于六龍煤礦煤質(zhì)極軟，因此存在煤壁片幫危險。在選取合理采放比時一定要考慮采高對煤壁片幫的影響，煤壁滑動體力學(xué)模型如圖1所示。

根據(jù)巴頓提出邊坡巖體平面破壞極限平衡法，當(dāng)達(dá)到c點煤體的極限強(qiáng)度時，通過該點滑動面上正應(yīng)力與剪應(yīng)力滿足：

τ=σntanφ+C

此時，煤壁滑動面c點將破壞，形成裂縫如圖1中cd所示，經(jīng)過采動影響后，裂縫之上abcd區(qū)域為不穩(wěn)定區(qū)，以下的cde區(qū)域為穩(wěn)定區(qū)，其高度為煤壁穩(wěn)定臨界高度，故煤壁臨界高度Hde：

式中：γ為煤體的比重;C為煤體的黏聚力;φ為煤體內(nèi)部摩擦角;K為煤壁穩(wěn)定性系數(shù)

分析可以得出，提高支架工作阻力P值，煤壁承受力P0減小，K值增大，臨界高度Hde增大;反之減小，故煤壁最小臨界高度

根據(jù)六龍煤礦軟煤物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)可知，C=0.9 MPa，φ=22°，γ=13 kN/m3（實際生產(chǎn)過程煤巖的物理力學(xué)參數(shù)需要進(jìn)一步精確測試）代入上式得出煤壁最小臨界穩(wěn)定高度Hde約2.05 m，由于煤層是一個非均勻的介質(zhì)，不同位置處的煤層物理力學(xué)性質(zhì)存在一定的差異，對應(yīng)的煤層臨界高度也存在著一定的差異，為了安全起見，采高應(yīng)小于2.05 m，因此放頂煤開采高度初步定為2 m。由于7#煤層平均厚度為6.4 m，開采高度為2 m，放煤高度為4.4 m，因此7#煤層采放比為1∶2.2。

4 效益分析

4.1 采掘工程費(fèi)用

工作面機(jī)巷和回風(fēng)巷均為450 m，切眼為120 m，共計1 020 m。

分層開采：①巷道工程費(fèi)：按5 000元/m計，巷道工程費(fèi)用為1 020×5 000=510萬元。②人工費(fèi)用：按4.5個月采完，加上工作面安裝撤退需2個月，共計6.5個月計算，綜采隊按56人計算，人均月工資按5 000元/人·月，人工成本共計182萬元。③零星材料按15萬元/月計，6.5個月共計97.5萬元。則上下分層開采的總費(fèi)用為（510+182+97.5）×2=1 579萬元。放頂煤開采費(fèi)用：只需開掘和回采下分層的工程量，故費(fèi)用為510+182+97.5=789.5萬元。

4.2 工期計算

分層開采：巷道掘進(jìn)按月進(jìn)尺110 m計，兩個隊施工，要4.5個月掘進(jìn)，回采月進(jìn)尺按照100 m計，需4.5個月，加上工作面安裝、撤退各1個月，共計11個月。此外，上分層回采完畢還要至少約3個月形成人工假頂，之后才能進(jìn)行下分層的采掘工作，因此上下分層開采共需要約25個月。

放頂煤開采：巷道掘進(jìn)按月進(jìn)尺110 m計，兩個隊施工，要4.5個月掘進(jìn)，回采月進(jìn)尺按照60 m計，需7.5個月，加上工作面安裝、撤退各1個月，共計14個月。

4.3 設(shè)備對比

放頂煤開采比分層開采需要多購買一套綜采放頂煤支架及刮板機(jī)，共約2 000萬元的費(fèi)用。

4.4 效益對比

開采同一工作面實現(xiàn)產(chǎn)值收入：

120×6.4×450×1.45×0.8×320=12 829萬元

分層開采月平均收入（不計入人工假頂形成時間）：

12 829÷22=583萬元

放頂煤開采月平均收入：

12 829÷14=916萬元

故在開采同一工作面，不考慮人工假頂形成時間，連續(xù)進(jìn)行采掘工作的情況下，放頂煤開采比分層開采少用8個月，在這8個月當(dāng)中，若放頂煤開采轉(zhuǎn)入下一個接替工作面，則多產(chǎn)生的效益為（916-583）×8=2 664萬元。

綜上所述，在開采同一工作面中，放頂煤開采工藝與分層開采工藝相比：總工期減少11個月，除掉2 000萬元的設(shè)備費(fèi)后，多收入664萬元，且每個月平均比分層開采多產(chǎn)生333萬元收入。

5 風(fēng)險分析與對策

（1）煤壁片幫是極軟厚煤層開采的主要技術(shù)難題，有效防治此問題是保證工作面正常生產(chǎn)的前提，提出以下幾點建議：①合理的煤層注水可以提高煤體的黏聚力和抗剪強(qiáng)度、降低抗壓強(qiáng)度，有利于減緩煤壁壓力和提高煤壁穩(wěn)定性。②加快工作面推進(jìn)度有利于煤壁穩(wěn)定。③通過采用對煤壁打木錨桿的手段能夠較有效地控制煤壁片幫，從而控制端面頂煤的冒漏。

（2）液壓支架的防倒防滑是傾斜煤層綜放開采的關(guān)鍵技術(shù)，生產(chǎn)過程中液壓支架防倒防滑可采取如下措施：①有效利用支架與設(shè)備配套設(shè)計中的支架與輸送機(jī)的相互錨固裝置，下端頭的組架、防倒斜拉千斤頂。②嚴(yán)格執(zhí)行自下向上順序帶壓擦頂移架，支架前移時，依靠下架支架的側(cè)護(hù)板作為導(dǎo)向。移下端第一架時，有效利用單位支柱作為戧柱，并盡量提高戧柱的支撐力，工作面需備用數(shù)根單體液壓支架，作為移架的戧柱和調(diào)整使用。③嚴(yán)格保證工作面各支架在高的初撐力下工作，移架過程中，先打開拉架千斤頂閥門后打開降柱閥門，一旦拉架力足夠，支架將迅速“帶壓”或“加壓”擦頂移架，一次到位，尤其是移設(shè)下端頭10架時，一定要“帶壓”移架，當(dāng)立柱阻力較小時，要盡量“加壓”移架;不得已必須降架時，降架不得超過鄰架側(cè)護(hù)板高度，避免咬架。④保證各支架均在高阻力下工作，一次移架到位，盡量保證頂煤的完整，要盡量避免每次移架引起的采空區(qū)煤巖大運(yùn)動。

6 結(jié)語

煤與瓦斯突出礦井安全高效開采一直是煤炭行業(yè)的技術(shù)難點，也是煤礦安全防控的重點。一直以來，六龍煤礦采用傳統(tǒng)的厚煤層分層開采方法，存在產(chǎn)量低、效率低、成本高、漏頂多及工作面搬家次數(shù)頻繁等問題，煤層消突后采用放頂煤開采代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分層開采將是很好的解決辦法，若能夠結(jié)合厚煤層錯層位巷道布置采全厚采煤法，巷道布置與回采工藝都具有創(chuàng)新而切實可行的特點，既保留了放頂煤開采的高產(chǎn)高效優(yōu)勢，又實現(xiàn)了無煤柱開采，必將進(jìn)一步提高資源采出率。同時，六龍煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效將有效緩解吉利百礦集團(tuán)煤電鋁一體化產(chǎn)業(yè)鏈供煤量緊缺的需求，并為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]趙景禮.厚煤層錯層位巷道布置采全厚采煤法[J].煤炭學(xué)報，2004，29（2）：142-145.

[2]趙景禮.厚煤層全高開采新論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.

[3]孟建杰.厚煤層綜采放頂煤開采工藝參數(shù)分析[J].能源與節(jié)能，2019（5）：14-15.