六龙煤矿7#煤层放顶煤开采工艺探讨.pdf

qiyekejiyufazhan 2020 年第 9 期 （总第 467 期） 0引言 近年来，为破解单一煤炭产业结构的发展瓶颈，解决企业 持续发展问题，吉利百矿集团积极贯彻落实自治区、百色市党 委、政府全面推进铝产业“二次创业”的决定，大胆探索资源 型经济特征的供给侧结构性改革之路，立足煤炭、铝土矿等资 源优势，推动煤电铝一体化循环经济产业发展，不断破解制约 产业发展的结构性矛盾，企业规模快速扩张，企业发展质量和 效益明显提升。广西、贵州、云南等我国西南地区，煤矿规模 小，地质条件复杂，产能低，加上目前煤炭行业整体去产能的 背景下，为切实保障煤电铝一体化项目的煤源供应，吉利百矿 集团正在实施一批煤矿技改扩建项目。六龙煤矿作为吉利百矿 集团90万t技改扩建矿井，探讨改进现有的开采工艺技术， 实现安全高效开采，为集团发展提供能源保障，成为集团煤炭 工程技术人员和科研人员值得思考、解决的难题。 1六龙煤矿概况 六龙煤矿位于贵州省六盘水市六枝特区平寨镇杨丰村， 属六枝特区平寨镇管辖，矿区面积为1.579 9 km2，其中矿区 东西长1.414 km，南北长1.635 km。地表标高为1 767～ 1 500 m，相对高差为267 m，开采深度标高为1 600 m～ 1 000 m，工业场地标高为 1 495 m～1 505 m。矿井 设计可采储量为492.19万t，设计生产能力为 30 万 t/a，矿 井服务年限为12.6 a。开拓方式为平硐斜井联合开拓，通风 方式为中央并列式。 六龙煤矿属煤与瓦斯突出矿井，3、7煤层煤尘均有爆 炸性，自燃性倾向分类为二级（ 自燃 ） 。矿区含煤地层为龙潭 组，组内含煤层5层，其中可采煤层为7煤层，局部可采煤 层为3和18煤层，8和9煤层均为不可采煤层。矿区内 煤属高变质煤，3、7煤层为瘦煤，18煤层为贫煤，挥发 分一般为11.1～18.2，胶质层厚度为0～12 mm，灰分在 25左右，全硫为2.3～6.5，属低～中灰、中～高硫煤。 其中，7煤层为矿井主采煤层，平均厚度为 6.4 m，倾角为 26，煤的硬度系数为0.18左右，为极软倾斜厚煤层。煤层 直接顶为生物灰岩，平均厚度为3 m；基本顶为粉砂岩，平均 厚度为8 m；直接底板为泥岩，平均厚度为3 m；基本底为粉 砂岩，平均厚度为7 m。3煤层平均厚度为1.05 m，该煤层 顶板以粉砂岩为主，少数为泥岩，底板为黏土岩及泥岩。 现开采一采区，主要开采F20断层以南1 350 m标高 以上的 3、7 煤层，采用综合机械化开采工艺，预计划 2020年一采区开采完毕。为了保证矿井正常采区接替，现准 备二采区的接替系统。 27煤层采煤方法的确定 开采厚煤层常用的方法有放顶煤、大采高、分层开采3种 方法，这3种方法有着不同的使用条件、技术特点及优缺点 （ 见表1 ） 。 根据六龙煤矿地质资料，7煤层厚度为6～8 m，煤层倾 角在26左右，煤的硬度系数为0.18左右，为极软倾斜煤层， 煤层节理裂隙发育，地质构造复杂，不属于大采高采煤法的适 用范围，除此之外，大采高采煤法所采用的设备体积比较大， 而六龙煤矿现有生产系统的主要巷道、硐室尺寸不能满足大采 高设备的运输，若采用大采高采煤法，需要对现有的生产系统 进行改造，其改造成本较高，同时会影响矿井的正常生产，因 此六龙煤矿无论是从技术还是经济的角度都不适宜采用大采高 采煤法。 虽然分层开采的适用范围较广，但是开采过程中采空区自 燃、瓦斯及下分层开采过程顶板漏顶和冒顶的问题较为突出， 同时分层开采巷道掘进工作量大，准备时间长，设备搬家次数 多，容易造成接续紧张，不利于实现矿井高产高效，因此从经 济和技术的角度都不适宜采用分层开采。 综合3种采煤方法的适用条件、技术特点和优缺点，选取 放顶煤开采一次采全厚，与其他回采工艺相比，在工作面回采的 【 作者简介】 陈助良，男，广西梧州人，本科，百色百矿集团产业技术研究院采矿工程师，注册安全工程师，从事煤矿开采方面的研究工作。 六龙煤矿 7 煤层放顶煤开采工艺探讨 陈助良 （ 百色百矿集团产业技术研究院，广西 百色 533000 ） 【 摘要】 煤炭工业是国民经济的基础产业，煤炭在中国一次能源中一直占据主导地位。吉 利百矿集团依托资源优势，延伸产业链，产业结构从单一煤炭开采向煤电铝一体化产业链 发展，而煤炭作为终端能源，是火电厂得以运行的基础保障。为实现企业可持续发展，必 须突破煤炭供应紧缺的瓶颈。文章结合吉利百矿集团六龙煤矿的实际条件，探究应用放顶 煤开采工艺，从技术上、经济上进行了合理性分析，并通过分析计算得出开采高度、采放 比及效益性等相关参数。该工艺与传统分层开采相比，取得良好收益，是突出矿井消突后 实现降本增效、高产高效的有力途径，具有重要的借鉴意义。 【 关键词】 极软倾斜厚煤层；放顶煤；安全高效；分层开采 【 中图分类号】 TD823.49【 文献标识码】 A【 文章编号】 1674-0688 （2020） 09-0074-03 企业技术实践 74 qiyekejiyufazhan 2020 年第 9 期 （总第 467 期） 过程中，对煤层的破坏扰动范围较其他回采工艺要大，破坏程度 会加剧，使煤岩体中的裂隙发育效果更好，更有利于瓦斯均匀释 放，煤层高支承压力区向前推移，距回采工作面更远，高瓦斯区 集中到回采工作面后面采空区上部，工作面的危险性降低。 但是，对于六龙煤矿而言，优先选择综采放顶煤工艺， 首 先必须采取顺层钻孔或穿层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯、 水力 冲孔等有效的综合性防突措施，通过突出危险鉴定，达到 防 突规定 和 煤矿安全规程 规定的要求，基本上解除了煤层 的突出危险性，然后才能实现安全高效回采。 3二采区7煤层开采高度确定 放顶煤开采是一个顶煤松动、破坏、垮落过程，在采煤机 割煤后形成采空区后，顶煤在矿山压力和自重作用下破坏、垮 落形成松散无规则的块体下落。因此，选取合理的采放比有利 于顶煤的充分破碎。但是，由于六龙煤矿煤质极软，因此存在 煤壁片帮危险。在选取合理采放比时一定要考虑采高对煤壁片 帮的影响，煤壁滑动体力学模型如图1所示。 根据巴顿提出边坡岩体平面破坏极限平衡法，当达到c点 煤体的极限强度时，通过该点滑动面上正应力与剪应力满足 子 滓ntan渍C 此时，煤壁滑动面c点将破坏，形成裂缝如图1中cd所 示，经过采动影响后，裂缝之上abcd区域为不稳定区，以下 的cde区域为稳定区，其高度为煤壁稳定临界高度，故煤壁 临界高度Hde Hde2C 酌 tan 1 4 仔1 2 渍 蓸蔀K 酌 tan 1 4 仔1 2 渍 蓸蔀 式中酌为煤体的比重；C为煤体的黏聚力；为煤体内部 摩擦角；K为煤壁稳定性系数，K4C2-2p0tan 1 4 仔-1 2 渍 蓸蔀 姨 。 分析可以得出，提高支架工作阻力P值，煤壁承受力P0 减小，K 值增大，临界高度Hde增大；反之减小，故煤壁最小 临界高度Hde2C 酌 tan 1 4 仔1 2 渍 蓸蔀。 根据六龙煤矿软煤物理力学性质参数可知，C0.9 MPa， 22，酌13 kN/m3（ 实际生产过程煤岩的物理力学参数 需要进一步精确测试 ） 代入上式得出煤壁最小临界稳定高度 Hde约2.05 m，由于煤层是一个非均匀的介质，不同位置处的 煤层物理力学性质存在一定的差异，对应的煤层临界高度也存 在着一定的差异，为了安全起见，采高应小于 2.05 m，因此 放顶煤开采高度初步定为2 m。由于7煤层平均厚度为 6.4 m，开采高度为2 m，放煤高度为 4.4 m，因此7煤层采放 比为1∶2.2。 4效益分析 4.1采掘工程费用 工作面机巷和回风巷均为 450 m，切眼为 120 m，共 计1 020 m。 分层开采①巷道工程费按5 000元/m计，巷道工程 费用为1 0205 000510万元。②人工费用按 4.5 个月 采完，加上工作面安装撤退需2个月，共计6.5个月计算，综 采队按56人计算，人均月工资按5 000元/人 月，人工成本 共计182万元。③零星材料按 15万元 /月计，6.5个月共计 97.5万元。则上下分层开采的总费用为（ 51018297.5 ） 2＝1 579万元。放顶煤开采费用只需开掘和回采下分层的 工程量，故费用为51018297.5789.5万元。 4.2工期计算 分层开采巷道掘进按月进尺 110 m 计，两个队施工， 要4.5个月掘进，回采月进尺按照100 m计，需4.5个月，加 上工作面安装、撤退各1个月，共计11个月。此外，上分层 回采完毕还要至少约3个月形成人工假顶，之后才能进行下分 层的采掘工作，因此上下分层开采共需要约25个月。 放顶煤开采巷道掘进按月进尺110 m计，两个队施工， 要4.5个月掘进，回采月进尺按照60 m计，需7.5个月，加 名称放顶煤大采高分层 适用条件 煤层厚度为 5～12 m； 煤的硬度系数小于 3； 煤质松软， 层理节理发育容 易放出； 顶煤夹矸厚度不宜超过 0.4 m； 煤层埋藏深度不宜小于 100 m； 煤层倾角不宜大于 30； 煤层自然发火期短、 瓦斯涌出量大、 煤尘有爆 炸性， 必须采取相应的措施后， 才能使用放顶煤开采 煤层厚度为 3.5～5 m；煤的硬度系数一般大于 1.5； 煤层地质构造简单； 煤层赋存稳定； 煤层倾 角小于 12； 煤层顶板较稳定 煤层顶板不太坚硬， 易于垮落； 直接 顶有一定厚度的缓、 中斜煤层； 煤层 不能或不宜采取大采高或综放开采 技术特点 需要进一步提高放顶煤开采的回采率问题；放顶煤开采的瓦斯灾害防 治问题； 放顶煤开采的自燃发火防治问题； 放顶煤支架与配套设备的系 列化研制问题； 放顶煤开采的粉尘防治问题 大功率采煤机； 强力双中链刮板输送机和双伸缩 立柱掩护式液压支架配套 顶分层开采时增加了为下分层铺设 竹笆或荆笆、金属网或塑料网等人 工假顶的工序 优点 ①高产高效； ②巷道掘进率低； ③减少材料和电力的消耗与吨煤工资支 出； ④与分层开采相比， 可大大减少坑木等消耗； ⑤与大采高相比， 可使 工作面吨煤电耗下降， 巷道掘进和辅助运输成本降低； ⑥对地质条件、 煤层赋存条件有很强的适应性； ⑦可以实现急倾斜厚煤层放顶煤开采 ①高产高效； ②减少了假顶的铺设； ③减少了综 采设备搬迁次数； ④节省搬迁费用， 增加了生产 时间； ⑤资源回收率高 ①回采巷道服务周期短，维护成本 低； ②设备投资较少； ③装备搬迁及 安装相对简单 缺点 ①煤损多； ②易发生自燃发火； ③煤尘大； ④瓦斯易聚集； ⑤沿底巷道维 护困难 ①采高越大， 支架重量越大， 支架稳定性差； ②煤 壁易片帮， 管理难度大； ③一次性投资大， 对井型 及井下巷道、 硐室的尺寸要求较大 ①铺设假顶及巷道掘进工作量大； ②生产组织及管理较复杂；③防治 煤层自燃的难度较大 表 1厚煤层采煤方法对比 图 1软煤综放面煤壁滑动体力学模型 Q1Q3 Q P兹 顶梁ab Q2 T d n c R 滑动面 滑动体 裂缝 e nx nz PO R1x R1z 企业技术实践 75 qiyekejiyufazhan 2020 年第 9 期 （总第 467 期） ［ 9 ］ 周密．雷公藤涂膜剂的制备及其体外透皮试验 ［J］ ．中成 药，2015，37 （3） 526-529． ［ 10 ］ 丁乐．凝胶材料配比对丁香罗勒油透皮凝胶体外透皮 性能的影响 ［J］ ．中国实验方剂学杂志，2012，18 （24） 63-65． ［ 11 ］ 符旭东，张连凤，刘宏，等．壳聚糖 / 聚乙烯醇 / 甘油 磷酸钠温敏性凝胶的制备及特性研究 ［J］ ．中国药房， 2010，21 （1） 59-61． ［ 12 ］ 张灵娜，张敏新，宋洪涛．用星点设计 - 效应面法优 化聚乙烯醇 - 盐酸普萘洛尔多孔水凝胶处方 ［J］ ．药学 实践杂志，2019，37 （3） 222-225． ［ 13 ］ 窦鹏．盐酸青藤碱聚乙烯醇微胶囊的制备及体外释放 机制考察 ［J］ ．中国实验方剂学杂志，2012，18 （24） 49-52． ［ 14 ］ 朱澄云．盐酸普萘洛尔微球的制备及性能考察 ［J］ ．中 国药剂学杂志，2013，11 （2） 19-25． ［ 15 ］ 吴俊珠，金拓．赖诺普利聚乙烯醇微粒的制备及其质 量评价 ［J］ ．中国药房，2010，21 （9） ，825-828． ［ 16 ］ 冯超．延胡索乙素胃漂浮缓释微球的制备 ［J］ ．中成药， 2017，39 （2） 291-295. 上工作面安装、撤退各1个月，共计14个月。 4.3设备对比 放顶煤开采比分层开采需要多购买一套综采放顶煤支架及 刮板机，共约2 000万元的费用。 4.4效益对比 开采同一工作面实现产值收入 1206.44501.450.832012 829万元 分层开采月平均收入（ 不计入人工假顶形成时间 ） 12 82922583万元 放顶煤开采月平均收入 12 82914916万元 故在开采同一工作面，不考虑人工假顶形成时间，连续进 行采掘工作的情况下，放顶煤开采比分层开采少用8个月，在 这8个月当中，若放顶煤开采转入下一个接替工作面，则多产 生的效益为（ 916-583 ）82 664万元。 综上所述，在开采同一工作面中，放顶煤开采工艺与分层 开采工艺相比总工期减少11个月，除掉2 000万元的设备 费后，多收入 664 万元，且每个月平均比分层开采多产生 333万元收入。 5风险分析与对策 （ 1 ）煤壁片帮是极软厚煤层开采的主要技术难题，有效防 治此问题是保证工作面正常生产的前提，提出以下几点建议 ①合理的煤层注水可以提高煤体的黏聚力和抗剪强度、降低抗 压强度，有利于减缓煤壁压力和提高煤壁稳定性。②加快工作 面推进度有利于煤壁稳定。③通过采用对煤壁打木锚杆的手段 能够较有效地控制煤壁片帮，从而控制端面顶煤的冒漏。 （ 2 ）液压支架的防倒防滑是倾斜煤层综放开采的关键技 术，生产过程中液压支架防倒防滑可采取如下措施①有效利 用支架与设备配套设计中的支架与输送机的相互锚固装置，下 端头的组架、防倒斜拉千斤顶。②严格执行自下向上顺序带压 擦顶移架，支架前移时，依靠下架支架的侧护板作为导向。移 下端第一架时，有效利用单位支柱作为戗柱，并尽量提高戗柱 的支撑力，工作面需备用数根单体液压支架，作为移架的戗柱 和调整使用。③严格保证工作面各支架在高的初撑力下工作， 移架过程中，先打开拉架千斤顶阀门后打开降柱阀门，一旦拉 架力足够，支架将迅速“带压”或“加压”擦顶移架，一次到 位，尤其是移设下端头10架时，一定要“带压”移架，当立 柱阻力较小时，要尽量“加压”移架；不得已必须降架时，降 架不得超过邻架侧护板高度，避免咬架。④保证各支架均在高 阻力下工作，一次移架到位，尽量保证顶煤的完整，要尽量避 免每次移架引起的采空区煤岩大运动。 6结语 煤与瓦斯突出矿井安全高效开采一直是煤炭行业的技术 难点，也是煤矿安全防控的重点。一直以来，六龙煤矿采用 传统的厚煤层分层开采方法，存在产量低、效率低、成本 高、漏顶多及工作面搬家次数频繁等问题，煤层消突后采用 放顶煤开采代替传统的分层开采将是很好的解决办法，若能 够结合厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法，巷道布置与回 采工艺都具有创新而切实可行的特点，既保留了放顶煤开采 的高产高效优势，又实现了无煤柱开采，必将进一步提高资 源采出率。同时，六龙煤矿实现高产高效将有效缓解吉利百 矿集团煤电铝一体化产业链供煤量紧缺的需求，并为地方经 济发展做出贡献。 参考文献 ［ 1 ］ 赵景礼．厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法 ［J］ ．煤炭 学报，2004，29 （2） 142-145. ［ 2 ］ 赵景礼．厚煤层全高开采新论 ［M］ ．北京煤炭工业出 版社，2004． ［ 3 ］ 孟建杰．厚煤层综采放顶煤开采工艺参数分析 ［J］ ．能 源与节能，2019 （5） 14-15. （上接第 73 页） 企业技术实践 76