復雜地質條件下極近距離煤層一次采全高可行性研究

倪 超

(淮北礦業有限責任公司袁店一井煤礦，安徽 淮北 235000)

合理應用放頂煤開采技術對于提高煤炭開采產量，保證煤炭企業經濟效益最大化至關重要[1-3]。針對極近距離煤層，一次采全高相對于分層開采能夠降低勞動強度，提高企業經濟效益。馬剛等[4]通過實驗室相似模擬試驗對含厚夾矸頂煤的冒放性、放煤工藝及放出規律、夾矸厚度的確定等問題進行了研究；王虎[5]以某難采復雜地質條件煤礦為例研究其工作面布置及綜放工藝的應用，通過不同方案的對比證明了復雜地質條件下綜放工藝的經濟價值；張輝[6]以西銘礦為例優化極近距離煤層的開采方式，最終提出分區域開采，以及各區域的開采方式；郭亞欣等[7]以磁窯溝煤礦某工作面為研究對象，通過數值模擬分析極近距離煤層綜放開采的可行性；陳利偉[8]以柳灣煤礦某綜放工作面為研究對象，采用加權法綜合考察放頂煤開采過程中頂煤的冒放性；徐旖旎等[9]通過建立貝葉斯分類器模型分析開采深度、煤體強度、煤體裂隙分布等因素，對放頂煤工作面的頂煤可放性進行預測；郭忠平等[10]以新疆拜城大宛其煤礦為例，提出一種適合極傾斜近距離煤層聯合開采的放頂煤采煤方法；李超等[11]以山西朔州黨新煤礦某厚煤層為研究對象，通過模糊綜合評價與數值模擬對該煤層頂煤的冒放性進行分析；劉家園[12]通過改進近距離煤層群開采工藝，提出綜采放頂煤開采，提高了近距離煤層群回采產量及安全性，解決了制約近距離煤層群采用分層開采或聯合開采回采率低下的不足，說明了近距離煤層群聯合開次的可行性；張五計[13]針對厚煤層分通過數值模析大采高開采和放頂煤開采在不同階段工作面煤壁前方煤層、直接頂破壞及煤壁水平位移，分析了大采高及放頂煤開采各自的利弊，對于厚煤層及近距離煤層聯合開采具有借鑒意義。

本文針對淮北礦業集團袁店一礦極近距離煤層，提出采用綜放開采替代分層開采，通過分析下煤層頂板完整性、巖層力學性質，及頂煤冒放性、有無瓦斯突出危險性等因素，說明采用綜放開采的合理性。

1 工程概況

淮北礦業集團袁店一礦82采區主采81煤層、82煤層，厚度為0.75～4.30 m，平均為2.57 m；82煤層厚度為0.76～5.71 m，平均厚度為2.66 m，煤層平均埋深為610 m。 81煤層與82煤層間距在0.5～4.0 m之間，平均1.98 m，采區內斷層構造發育。采區部分煤層、巖層柱狀如圖1所示。

圖1 82采區綜合柱狀圖

82采區首采工作面煤巷掘進過程中，發現煤層賦存不穩定，小型斷層、皺曲極其發育，81煤層、82煤層間距大部分僅0.5～2.0 m，且夾矸巖性多為破碎的泥巖、砂巖。若繼續沿用原設計的綜合機械化分層開采的方法，不僅81煤層工作面灰分高、單產低，且破碎的泥巖、砂巖經81煤層采動破壞后，82煤層工作面開采時頂板將極難管理，甚至無法開采。為此，有必要優化82采區81煤層、82煤層近距離中厚煤層的開采工藝，故提出針對81煤層、82煤層的綜放開采，沿82煤層回采，對81煤層進行放頂煤開采。

2 極近距離煤層放頂煤開采可行性分析

頂煤的冒放性對于放頂煤開采至關重要，是影響煤炭回采率的重要因素[2]。針對袁店一礦82采區放頂煤開采，82煤層頂板及81煤層的可放性是影響該采區是否采用放頂煤開采的重要因素。現通過理論計算、鉆孔勘探、巖石力學實驗及數值計算分析82煤層頂板及81煤層的可放性。

2.1 頂煤冒放性理論分析

對于極近距離煤層放頂煤開采，煤層厚度及煤層夾矸性質會對冒放性產生較大影響，在此依據靳鐘銘[14]提出的放頂煤開采煤層厚度及夾矸臨界厚度公式，分析82采區極近距離煤層放頂煤開采的可行性。

2.1.1 煤層厚度對冒放性影響

依據靳鐘銘提出的公式，對于放頂煤開采，煤層最小臨界厚度計算公式為式(1)。

(1)

式中：S為煤冒落寬度，可取S=1.5 m、2.4 m、3.4 m，取S=1.5 m；f為煤塊內摩擦因數，f=0.5；a為放煤口高度，a=1.97 m。

依據靳鐘銘提出的公式計算得出煤層最小臨界厚度Mmin=5.66 m，而82采區煤層及夾矸總厚度M=7.21 m>Mmin，故煤層厚度滿足放頂煤開采條件。

2.1.2 煤層夾矸對冒放性影響

綜放工作面夾矸厚度一般控制在1.0 m左右，依據靳鐘銘提出的公式，夾矸臨界厚度計算公式見式(2)。

(2)

式中：γg為夾矸容重，γg=28 kN/m3；γm為煤容重，γm=16 kN/m3；hd為夾矸層上頂煤厚度，取hd=2.57 m；Rt為夾矸層抗拉強度，取Rt=0.62 MPa。

夾矸臨界厚度hgl=0.52 m，82采區81煤層、82煤層夾矸厚度在0.5～4.0 m，故夾矸厚度滿足放頂煤開采要求。

通過對82采區81煤層、82煤層夾矸及煤層厚度的分析，該采區極近距離煤層滿足放頂煤開采條件。

2.2 82煤層上覆巖層力學性質及完整性分析

82煤層上距81煤層0.5～4.0 m，平均1.98 m；82煤層頂板以泥巖為主，少量為粉砂巖或細砂巖，通過取樣試驗分析82煤層頂板巖石力學性質，如圖2所示，得出82煤層頂板巖石力學性質(表1)，結果表明，82煤層頂板為軟弱破碎地層。

此外通過勘探鉆孔RQD統計表明巖體為中等完整，巖體質量等級為差。據此可初步判斷若采用綜放開采，82煤層頂板具有可放性。

2.3 頂煤冒放性數值模擬分析

2.3.1 離散元數值模型建立

采用離散元數值模擬軟件3DEC對工作面回采過程中82煤層頂板及81煤層可放性進行分析。 根據采區綜合柱狀圖，模型長度取500 m，高度取40 m，自82煤層底板粉砂巖至72煤層上覆泥巖，煤層為近水平煤層，故不考慮巖層傾角。模型按巖層進行劃分并進行離散元處理，由于部分巖層取樣測試巖石力學參數較為困難，在模擬過程中，參照常見巖石力學參數對巖層進行賦參，模型具體參數見表2，最終確定的計算模型如圖3所示。

2.3.2 頂煤冒放性分析

考慮到邊界效應，將采空區置于模型中部，在距離右邊界200 m處開切眼，從右至左開挖，開挖厚度為2.4 m，采放比為1∶3。工作面開5 m切眼時，82煤層上覆泥巖及81煤層隨即垮落，如圖4所示，證明冒放性良好。

圖2 82煤層上覆巖層力學性質試驗

表1 82煤層頂板巖石力學性質試驗結果

表2 數值模型參數

圖3 數值計算模型

圖4 工作面開5 m切眼頂煤垮落情況

圖5 工作面推進10 m頂煤及巖層垮落情況

當工作面推進10 m時，82煤層上覆泥巖及81煤層跨落情況如圖5所示。通過記錄82煤層上覆夾矸、81煤層及81煤層上覆巖層在垂直方向的位移量，如圖6所示，結果表明夾矸冒放性良好，81煤層位移量達到0.5 m，此時監測的是81煤層下部位移，故位移量偏大，但結果能夠表明夾矸及頂煤均表現出良好的冒放性，此時81煤層與上覆巖層出現離層。

圖6 工作面推進10 m上覆巖層下沉量

當工作面推進30 m時，夾矸、頂煤及81煤層上覆泥沙巖互層跨落情況如圖7所示。通過記錄夾矸、81煤層、81煤層上覆泥沙巖互層、泥沙巖互層上覆泥巖垂直方向位移量，如圖8所示。結果顯示夾矸及頂煤81煤層完全跨落，81煤層上覆泥沙巖互層也出現跨落，泥沙巖互層與上覆泥巖出現離層。

通過離散元數值模擬軟件對82采區極近距離煤層夾矸及冒放性進行分析，結果表明從工作面開切眼開始，夾矸及頂煤均表現出良好的冒放性；工作面推進10 m，81煤層與上覆泥沙巖互層出現離層；工作面推進30 m，81煤層上覆泥沙巖互層開始垮落。從工作面開切眼至推進30 m，夾矸及頂煤均表現出良好的冒放性，表明82采區極近距離煤層可以采用放頂煤開采。

圖7 工作面推進30 m頂煤及巖層垮落情況

圖8 工作面推進30 m上覆巖層下沉量

2.4 其他因素

82采區為近水平煤層，無煤與瓦斯突出危險，煤層自然危險性為Ⅱ類，為81煤層、82煤層聯合綜放開采提供了基本保障。且鄰近礦井相似條件均有近距離煤層綜放開采先例。淮北礦區與袁店一礦82采區相似開采條件的有蘆嶺煤礦8煤層、9煤層和渦北煤礦71煤層、72煤層，均采用綜放工藝聯合開采近距離煤層。蘆嶺煤礦8煤層厚8～12 m，9煤層厚2.8 m左右；8煤層、9煤層層間距2～4 m，巖性為塊狀泥巖，采用綜合機械化放頂煤開采工藝，采9煤層放8煤層。渦北煤礦71煤層厚2.8 m，72煤層厚3.1 m；71煤層、72煤層層間距0.5～7.0 m，巖性為泥巖、砂巖，采用綜合機械化放頂煤開采工藝，采72煤層放71煤層。

3 現場試驗

通過分析82煤層上覆巖層巖石力學性質及完整性，頂煤可放性，以及鄰近礦區經驗，82采區開采工藝可以從原設計的81煤層、82煤層分別采用綜合機械化開采，優化為綜合機械化放頂煤開采。沿82煤層開采，同時對81煤層進行放頂煤開采，在82采區822工作面展開現場試驗。

822工作面走向長965 m，傾斜寬155 m，工作面煤層平均埋深610 m。工作面選用MG500/1180-AWD采煤機，ZFG9600-20/28放頂煤液壓支架，工作面前部采煤刮板運輸機選用SGZ764/630型，后部放頂煤刮板運輸機選用SGZ-800/800型。

822首采工作面自2018年4月開始回采，已累計采出原煤123.23萬t，平均單產15.40萬t/月，原煤灰分52%。工程實踐表明，82采區將原設計的81煤層、82煤層采用綜合機械化分層開采，優化為81煤層、82煤層聯合綜放開采后勞動強度降低，產量得到提高，表明此次優化開采工藝是合理的。

4 結 論

1) 針對淮北礦業集團袁店一礦82采區極近距離煤層開采，提出綜放開采替代分層開采，優化了開采工藝，降低了勞動強度，使得企業經濟效益最大化。

2) 通過理論計算分析該采區極近距離煤層及夾矸臨界厚度，煤層臨界厚度5.66 m，夾矸臨界厚度0.52 m，均滿足放頂煤開采條件。

3) 通過巖石力學試驗及鉆孔勘探確定煤層上覆巖層力學性質及完整性，結果表明頂板完整性較差為軟弱破碎巖層，為采取綜放開采提供依據。

4) 通過離散元數值模擬軟件3DEC分析采用綜放開采時頂煤的冒放性，結果表明從開切眼至工作面推進30 m，夾矸及頂煤冒放性均良好，可以采用綜放開采。