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开开采采技技术术与与装装备备 复杂厚煤层回采工作面采煤方法研究 郑建平 阳泉煤业 集团有限责任公司，山西 阳泉 045000 ［ 摘 要］针对阳煤二矿 81201 工作面在复杂厚煤层条件下采煤方法的合理选择问题，分析了 地质构造、顶板条件、煤层强度、倾角以及煤层和夹矸厚度等煤层地质因素对采煤方法选择的影响， 认为阳煤二矿 81201 工作面陷落柱构造发育，顶板破碎，煤层松软，不利于大采高综采的应用;通过 煤层开采条件以及经济、安全性综合分析，认为大采高综放开采具有明显优越性;通过综放开采不同 割煤高度下煤壁稳定性及顶煤冒放性的数值模拟分析，得出 81201 综放工作面割煤高度应不高于 4. 0m，并考虑夹矸厚度及发育层位影响，最终取工作面合理割煤高度为 3. 8m。 ［ 关键词］复杂地质条件; 厚煤层; 采煤方法; 大采高综采; 大采高综放 ［ 中图分类号］ TD823［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201803- 0025- 05 Studying on Coal Mining of Stope Face with Complex Thickness Coal Seam ZHENG Jian- ping Yangquan Coal Mine group Co. ，Ltd. ，Yangquan 045000，China Abstract To reasonable selection problems of mining under complex thickness coal seam of 81201 working face in Yangmei two coal mine，the influence that the following factors to mining were analyzed，which included that geological structure，roof， coal seam strength，incline angle and thickness of coal seam and dirt band and so on，collapse column development，broken roof and soft coal seam of 81201 working face were disadvantage to application of fully mechanized coal mining with high mining height，accord- ing synthesis analysis of mining situation，economy and safety，considered fully mechanized top coal caving with large mining pos- sessed obviously superiority. According numerical analysis of coal wall stability and top coal property under different coal cutting height of fully mechanized top coal caving，and then the following conclusions that coal cutting height should not more than 4m of 81201 fully mechanized top coal mining face，considered the influence of dirt band thickness and development position，the last coal cutting height was 3. 8m. Key wordscomplex geological situation;thickness coal seam;mining ;fully mechanized coal mining with high mining height; fully mechanized top coal caving with large mining ［ 收稿日期］ 2018－01－26［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 03. 007 ［ 基金项目］ 国家自然科学基金面上基金资助项目 51474128 ; 国家重点研发计划资助项目 2016YFC0600708 ［ 作者简介］ 郑建平 1970－ ，男，山西繁峙人，工程师，现任阳泉煤业 集团 有限责任公司生产技术部副部长。 ［ 引用格式］ 郑建平 . 复杂厚煤层回采工作面采煤方法研究 ［J］． 煤矿开采，2018，23 3 25－29. 阳泉矿区是我国最大的无烟煤生产基地，15 号煤 俗称丈八煤煤层厚度大、煤质好，是矿 区主采煤层之一，但矿区内地质构造发育、瓦斯含 量高，煤层赋存条件较为复杂。 综采放顶煤采煤法在 1988 年引入阳煤集团以 来，一直是 15 号煤层的主要采煤方法，并为阳煤 集团的持续发展做出了不可磨灭的贡献 ［1 ］。进入 新世纪以来，伴随着我国综采设备制造技术的不断 进步，大采高综采和大采高综放开采技术也不断蓬 勃发展，创造了一个又一个的高产高效生产纪 录 ［2－5 ］。为不断提高开采效率，阳煤集团近年来通 过与各大科研院所合作，陆续引进和应用了大采高 综采和大采高综放开采等先进采煤工艺，并积极推 广煤矿智能化开采技术。但采煤工艺的选择有其适 用性，尤其是特定的煤层地质条件是选择采煤方法 的先决条件 ［6－9 ］。本文以阳煤二矿 81201 工作面为 工程背景，对厚煤层复杂地质条件下采煤方法的选 择进行了研究。 1工程概况 81201 工作面为阳煤二矿 12 采区首采工作面， 工作面东、西、北三面均为实体煤，南部为 12 采 区准备巷，埋藏深度为 440～669m。工作面开采 15 号煤层，煤层总厚度平均为 7. 24m，含平均 1. 18m 厚泥岩夹矸，煤层倾角为2～8，平均4，掘进工 作面瓦斯涌出量为 1. 5m3/min，无煤尘爆炸性，煤 层不易自燃。工作面基本顶为 12. 29m 厚的石灰岩 与泥岩互层，直接顶为 2. 28m 厚的泥岩，顶板裂 52 第 23 卷 第 3 期 总第 142 期 2018 年 6 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 3 Series No. 142 June2018 ChaoXing 隙较为发育，直接底为 2. 28m 厚的泥岩。工作面 总体为一由东向西倾伏的单斜构造，其上发育次一 级宽缓褶曲构造，陷落柱较发育，断裂构造不发 育。工作面走向长 2062m，倾斜长 220m，共布置 进风巷、回风巷、内错尾巷、高抽巷 4 条巷道，回 风巷和内错尾巷回风。巷道布置见图 1。 图 1 81201 工作面巷道布置 2采煤方法主要影响因素分析 2. 1地质构造 81201 工作面内的地质构造主要为陷落柱，其 特点是数量多、尺寸大、分布范围广、对工作面回 采影响大。根据上方 3 号煤层工作面回采过程中揭 露的陷落柱构造预测，81201 工作面回采范围内可 能揭 露 的 陷 落 柱 为 D82，D114，D115，D54， D100，D105，陷落柱位置分布如图 1 所示，各陷 落柱的预测尺寸以及对工作面回采影响预测如表 1 所示。当采用大采高综采工艺回采时，由于机采高 度增加，工作面割矸量也将随之增大，因此，陷落 柱对大采高工作面的影响程度将明显大于综放开 采 ［10－11 ］。另外，陷落柱附近的煤岩强度降低，也 将进一步加大大采高工作面煤壁与顶板的管理难 度。 表 181201 工作面陷落柱尺寸及对工作面回采影响预测 陷落柱名称尺寸/ mm对工作面回采影响程度 D8260. 557较大 D11464. 261. 6较大 D115114. 691. 4很大 D54152149很大 D10012162较小 D1058496无 2. 2顶板条件 为探究 81201 工作面顶板结构及裂隙发育情 况，分别在工作面开切眼、进风巷和回风巷进行了 顶板钻孔窥视。图 2 为 81201 工作面顶板窥视素描 图，根据顶板裂隙发育程度的不同，分为完整或较 完整顶板、微小裂隙发育顶板、节理或层理裂隙发 育顶板以及破碎或较破碎顶板 4 种类型。由图 2 可 知，81201 工作面顶板裂隙整体较为发育，完整顶 板占比较少，裂隙发育和破碎顶板占比较多，顶板 完整性差。计划探孔深度为 10m，实际探孔深度多 在 5. 0m 左右，原因主要为顶板破碎发生塌孔、顶 板离层以及顶板淋水影响导致探孔被迫终止。顶板 破碎程度严重以及顶板淋水预计会对工作面回采过 程中顶板控制造成不利影响，不利于大采高综采的 应用。 2. 3煤层强度 在 81201 工作面巷道掘进过程中对 15 号煤上 下分层分别进行了取样，并按照国家标准进行了物 理力学性质试验，得出 15 号煤力学性质测试结果 如表 2 所示。15 煤上抗压强度平均为 11. 845MPa， 15 煤下抗压强度平均为 13. 199 MPa，均属松软煤 层，采用 5. 5m 以上大采高综采时煤壁片帮的危险 性较大 ［12－13 ］。 图 2 81201 工作面顶板钻孔窥视素描 62 总第 142 期煤矿开采2018 年第 3 期 ChaoXing 表 281201 工作面 15 号煤力学性质测试结果 煤岩层 试件 编号 抗压强 度/MPa 平均抗压 强度/MPa 弹性模 量/GPa 平均弹性 模量/GPa泊松比 平均 泊松比 15 煤上 1－112. 840 1－212. 773 1－39. 922 1－412. 440 1－518. 107 11. 845 2. 4339 2. 4608 1. 6284 2. 0265 2. 0287 2. 174 0. 322 0. 316 0. 352 0. 233 0. 292 0. 330 15 煤下 2－116. 512 2－213. 028 2－310. 058 2－485. 514 2－583. 715 13. 199 2. 4450 1. 7449 － 9. 6421 11. 7821 2. 095 0. 357 0. 290 － 0. 113 0. 134 0. 324 2. 4煤层倾角 81201 工作面整体平缓，煤层在倾向呈近水平 分布，如图 3 所示，76. 8的区域煤层倾角小于 5，倾角超过 10的区域比例仅占到 2. 2。如图 4 所示，81201 工作面进风巷整体以小角度仰采为 主，最大不超过 10，俯采范围较小，局部超过 15，对开采影响有限;回风巷以小角度仰、俯采 为主，仰采和俯采角度大于 10 的比例分别为 0. 9和 2. 3，对开采影响有限。因此，预计煤层 倾角对 81201 工作面回采以及采煤方法选择影响较 小。 图 3 81201 工作面倾角分布 图 481201 工作面巷道走向角度分布 角度小于 0 表示俯采 2. 5煤层及夹矸厚度 根据阳煤二矿 12 采区 15 号煤层相关地质钻孔 柱状图以及在 81201 工作面巷道过程中探煤钻孔， 生成 12 采区 81201 工作面顶煤、夹矸、底煤厚度 分布图，如图 5 所示。 统计 81201 工作面顶煤、夹矸、底煤厚度及储 图 581201 工作面顶煤、夹矸和底煤厚度等值线分布 量如表 3 所示。结果显示，81201 工作面顶煤、夹 矸、底煤平均厚度分别为 3. 97，1. 18，2. 08m，储 量分别为 2. 3082，0. 9817，1. 2089Mt，煤层 含 夹矸总 厚 度 平 均 为 7. 24m，煤 炭 净 储 量 为 72 郑建平 复杂厚煤层回采工作面采煤方法研究2018 年第 3 期 ChaoXing 3. 4949Mt。 表 381201 工作面煤层和夹矸厚度、储量统计 类别 厚度/m 平均 最小～最大 储量/Mt 15 煤上 3. 97 3. 68～4. 49 2. 2927 夹矸 1. 18 0. 87～2. 96 0. 9735 15 煤下 2. 08 1. 54～2. 69 1. 2012 15 煤上15 煤下 6. 06 5. 85～6. 70 3. 4949 15 煤上夹矸15 煤下 7. 24 6. 80～8. 92 4. 4674 根据目前 81201 煤层赋存特征以及阳煤集团 15 号煤层开采经验，有割煤高度 6. 5m 大采高综 采、割煤高度 4. 5m 大采高综采开采 15 煤上以及综 采放顶煤等 3 种开采方法可供选择。煤层夹矸岩性 为泥岩，强度较低，坚固性系数 f≤4. 0，采用放顶 煤开采时，可选择生产能力和割煤高度较大的大采 高综放开采，配备大功率采煤机，实现夹矸的直接 切割，减小夹矸对放顶煤的影响。3 种开采方法技 术指标对比如表 4 所示，计算时大采高综放的割煤 高度取 3. 8m。 从出煤量与出矸量可知，在不考虑顶板混矸的 情 况下， 采用4. 5m大采高只开采15煤上时， 采出 表 481201 工作面 3 种采法条件下技术参数 采煤方法 按采煤机 割煤高度划分 采放煤矸高度/m 割纯煤高度割夹矸高度放出纯煤高度 煤矸量/Mt 出煤出矸总量 煤炭采 出率/ 含矸 率/ 6. 5m 大采高 5. 321. 18－2. 85720. 90543. 762681. 7824. 06 4. 5m 大采高 3. 970－2. 132202. 132261. 030 3. 8m 综放 2. 621. 183. 442. 92410. 90543. 829583. 6923. 64 注 15 号煤容重取 1. 4t/m3，夹矸容重取 2. 0t/m3，割煤采出率取 93，放煤采出率取 80。 夹矸率为 0，但出煤量和煤炭采出率最低。若只采 上层煤弃采下层煤，会造成煤炭资源浪费严重，而 采用分层开采上下层煤时，采法工序复杂，开采效 率低 ［14 ］，并会打乱采掘衔接计划，因此不建议采 用该种开采方法。采用 6. 5m 大采高综采时，由于 需要留一定厚度底煤，实际煤炭采出率低于 3. 8m 大采高综放开采，含矸率也略高于 3. 8m 大采高综 放开采。且根据工作面煤层赋存条件及阳煤集团大 采高综采使用经验，采用 6. 5m 大采高综采时煤壁 和顶板的管理难度很大，受陷落柱等地质构造的影 响程度也更大，另外，布置一个大采高工作面的初 期设备投资也远大于综放工作面。 因此，综合煤层开采条件以及经济、安全性等 3 方面对比分析，认为大采高综放开采是 81201 工 作面合理的采煤方法。 3大采高综放工作面割煤高度确定 综放工作面割煤高度的确定主要考虑煤壁稳定 性以及顶煤冒放性两方面因素，割煤高度的增大有 利于顶煤的充分破坏，但不利于煤壁稳定性的管 控。以阳煤二矿 81201 工作面煤层赋存条件为背 景，采用 FLAC3D数值模拟软件对综放开采不同割 煤高度下煤壁稳定性及顶煤冒放性进行了分析，如 图 6 所示。以煤壁最大水平位移量来表征煤壁稳定 性，以顶煤拉伸破坏面积占支架上方顶煤总面积的 比值来表征顶煤冒放性好坏，并将该系数定义为顶 煤拉伸破坏性系数，且将顶煤拉伸破坏系数大于 50作为判断顶煤冒放性好坏的临界值。 图 6割煤高度 4. 0m 时煤壁及顶煤体塑性区分布情况 图 7 为割煤高度 4. 0m 时煤壁及顶煤体塑性区 分布情况。 图 7不同割煤高度煤壁最大水平 位移和顶煤拉伸破坏性系数 如图 7 所示，随着割煤高度的增加，煤壁最大 水平位移和顶煤拉伸破坏性系数均呈增大趋势; 当 工作面割煤高度达到 3. 0m 以上时，顶煤具有良好 的冒放性，割煤高度继续增大时，主要考虑煤壁稳 定性的影响; 当割煤高度达到 4. 0m 时，煤壁最大 水平位移增加量明显超过顶煤拉伸破坏性系数的增 加量，因此从煤壁稳定性的角度考虑，工作面割煤 82 总第 142 期煤矿开采2018 年第 3 期 ChaoXing 高度不宜超过 4. 0m。 考虑煤层夹矸厚度及发育层位，工作面割煤高 度应不低于 3. 26m，最终取 81201 工作面割煤高度 为 3. 8m，放煤高度为 3. 44m，采放比为 1 ∶ 0. 9。 4结论 1阳煤二矿 81201 工作面陷落柱构造发育， 顶板破碎，煤层松软，不利于大采高综采的应用。 2对比 6. 5m，4. 5m 大采高综采以及 3. 8m 大采高综放开采 3 种采煤工艺可知，3. 8m 大采高 综放开采煤炭采出率最高，且含矸率低于 6. 5m 大 采高综采。通过煤层开采条件以及经济、安全性综 合分析，认为大采高综放开采具有明显优越性。 3通过综放开采不同割煤高度下煤壁稳定 性及顶煤冒放性的数值模拟分析，得出 81201 工作 面割煤高度应不高于 4. 0m，并考虑夹矸厚度及发 育层位影响，最终取工作面合理割煤高度为 3. 8m。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 樊运策 . 中国厚煤层采煤方法的一次革命 ［A］． 综采放顶煤 技术理论与实践的创新发展 综放开采 30 周年科技论文集 ［C］． 北京 煤炭工业出版社，2012. ［ 2］ 王金华 . 特厚煤层大采高综放开采关键技术 ［J］． 煤炭学报， 2013，38 12 2089－2098. ［ 3］ 王金华 . 中国煤矿现代化开采技术装备现状及其展望 ［J］． 煤炭科学技术，2011，39 1 1－5. ［ 4］ 闫少宏，尹希文 . 大采高综放开采几个理论问题的研究 ［J］． 煤炭学报，2008，33 5 481－484. ［ 5］ 毛德兵，姚建国 . 大采高综放开采适应性研究 ［J］ . 煤炭学 报，2010，35 11 1837－1841. ［ 6］ 孟宪锐，王鸿鹏，刘朝辉，等 . 我国厚煤层开采方法的选择 原则与发展现状 ［J］ ． 煤炭科学技术，2009，37 1 39－ 44. ［ 7］ 宋高峰，潘卫东，杨敬虎，等 . 基于模糊层次分析法的厚煤 层采煤方法选择研究 ［J］ ． 采矿与安全工程学报，2015，32 1 35－41. ［ 8］ 路全宽 . 龙泉煤矿 4 号煤层合理采煤方法的研究 ［D］． 太原 太原理工大学，2012. ［ 9］ 陈敏，陈保，张 凯，等 . 黄玉川煤矿 6上煤层采煤方法 选择论证 ［ J］． 煤炭技术，2015，34 3 27－28. ［ 10］ 杨印朝 . 复杂厚煤层大采高开采采场围岩控制技术研究 ［ D］ ． 北京 中国矿业大学 北京 ，2017. ［ 11］ 韩建锋. 大采高综采工作面过复杂地质构造带回采技术 ［J］． 煤炭工程，2013，45 1 54－56. ［ 12］ 余北建，付书俊 . 复杂地质条件下大采高综采技术可行性研 究 ［J］ . 煤炭科学技术，2017，45 7 33－38，122. ［ 13］ 王兆会，杨敬虎，孟浩 . 大采高工作面过断层构造煤壁片 帮机理及控制 ［ J］ ． 煤炭学报，2015，40 1 42－49. ［ 14］ 王家臣，仲淑桓 . 我国厚煤层开采技术现状及需要解决的关 键问题 ［J］． 中国科技论文在线，2008，3 11 829－834. ［责任编辑 周景林］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 74 页 “下载地表沉陷报告”或 “下载地表沉陷速度报 告”或 “下载测点下沉速度报告”按钮，下载相 应的数据表格。地表某测点下沉速度报告见图 5。 图 5测点下沉速度计算结果报告显示窗口 3结束语 为表征地表沉陷的变化快慢及程度，引入了 “地表沉陷速度”概念，并进行了定义和开发了地 表沉陷速度计算软件。开发的地表沉陷速度计算软 件可根据地表移动观测数据，进行地表沉陷速度计 算和图形显示，具有界面友好、功能强大灵活、自 动化程度高、精度高、操作简便等优点。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 煤炭科学研究院北京开采研究所 . 煤矿地表移动与覆岩破坏 规律及其应用 ［ M］． 北京 煤炭工业出版社，1981. ［ 2］ 何国清，杨伦，凌赓娣，等 . 矿山开采沉陷学 ［M］． 徐州 中国矿业大学出版社，1994. ［ 3］ 国家安全监管总局，国家煤矿安监局，国家能源局，等 . 建 筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范 ［M］． 北京 煤炭工业出版社，2017. ［ 4］ 胡炳南，张华兴，申宝宏 . 建筑物、水体、铁路及主要井巷 煤柱留设与压煤开采指南 ［M］． 北京煤炭工业出版社， 2017. ［ 5］ 黄乐亭，王金庄 . 地表动态沉陷变形的 3 个阶段与变形速度 的研究 ［ J］ ． 煤炭学报，2006，31 4 420－424. ［ 6］ 杨志兵 . 深部特厚煤层动压巷道来压规律研究 ［J］ . 煤炭与 化工，2016 11 90－93． ［责任编辑 徐乃忠］ 92 郑建平 复杂厚煤层回采工作面采煤方法研究2018 年第 3 期 ChaoXing