回采面合理采煤方法的确定.pdf

2020 年 3 月2020 年第 3 期 厚煤层开采方法有大采高开采、分层开采和综放 开采等[1]。根据矿井开采煤层的实际条件确定合理的厚 煤层开采方法，对矿井煤炭产量以及经济效益有重要 影响[2-3]。相关研究人员对厚煤层开采方式进行详细研 究，并取得显著成果[4]。本文在已有研究成果的基础 上[5-6]，以山西 A 矿开采的 8 号煤层为例，从煤层赋存 条件、经济性等方面出发，合理确定煤层的采煤方法， 以期能为该矿 8 号煤层高效开采提供一定的指导建议。 1工程概况 8601 回采面为 6 采区首采工作面，除去东侧为采 区回风巷、运输巷和轨道巷外，其余 3 个方向均为实 体煤。开采的 8 号煤层，煤层埋深 450耀670 m，厚度 6.8耀8.9 m，平均 7.3 m，中间夹杂有 1耀3 层泥岩矸石， 厚度约 1.2 m，倾角 5毅。 8601 回采面老顶为泥岩-石灰岩互层 （ 厚度 13.5 m ） ， 基本顶为泥岩 （ 2.36 m ） ，直接底为泥岩 （ 2.62 m ） ，基 本底为中砂岩 （6.9 m ） ，走向、倾向分别为 2 086 m、 220 m，共布置 4 条巷道，具体如图 1 所示。 2影响 8 号煤层采煤方法确定的因素 2.1地质构造 8601 回采面陷落柱发育，对生产有显著影响。在 8601 回采面开采空间内分布有至少 6 个陷落柱，具体 预测的陷落柱位置如图 1 所示，陷落柱参数及对回采面 生产影响见表 1。 D-14、D-82、D-115、D-100、D-51、D-105.陷落柱。 图 1生产巷道及陷落柱位置示意图 表 1陷落柱参数及对回采面生产影响 当 8601 回采面采用大采高一次采全高的采煤方法 时，由于回采面高度增加，回采面过陷落柱时截割岩石 量显著增加，存在的陷落柱对大采高采煤方法的影响 大于综放开采方式。同时，受到陷落柱的影响，附近煤 岩体强度降低，会增加大采高工作面顶板、煤壁的管理 难度。 收稿日期2020-02-17 作者简介张文明，1967年生，男，山西高平人，2012年毕业于山 西大同大学采矿工程专业，工程师。 回采面合理采煤方法的确定 张文明 （ 山西朔州平鲁区兰花永胜煤业有限公司，山西 朔州 036800 ） 摘要 以 8601 回采面开采 8 号煤层为研究对象，分析地质构造、顶板、煤层倾角、硬度和泥岩夹矸对不同采煤方法 的影响。由于 8601 回采面内陷落柱发育，且顶板破碎、有淋水现象，煤质松软，不适宜采用大采高综采的采煤方法。从 经济、安全、适用性等方面综合考虑，确定 8601 回采面最佳的采煤方式为综放开采，同时，从采面煤壁稳定性、顶煤冒 落性、夹矸位置和厚度等方面综合确定了综放开采合理的割煤高度为 3.3 m，采放比为 1颐1.2。 关键词 厚煤层；采煤方法；综放开采；地质构造 中图分类号 TD823文献标识码 A文章编号 2095-0802-202003-0041-03 Determination of the Reasonable Mining in Ming Face ZHANG Wenming Shuozhou Pinglu District Lanhua Yongsheng Coal Industry Co., Ltd. of Shanxi, Shuozhou 036800, Shanxi, China Abstract Taking No.8 coal seam mined in 8601 mining face as the research object, the influence of geological structure, roof, coal seam dip angle, hardness and mudstone parting on different mining s was analyzed. Because of the development of subsided pillars, broken roof, water dripping and soft coal in 8601 mining face, it was not suitable to adopt the of full- mechanized mining with large mining height. Considering economy, safety and applicability, the best mining of 8601 mining face was determined to be full-mechanized caving mining. At the same time, the reasonable cutting height and mining ratio of full-mechanized caving mining were determined to be 3.3 m and 1颐1.2 from the aspects of coal wall stability, roof caving, position and thickness of gangue. Key words thick coal seam; coal mining ; full-mechanized caving mining; geological structure （总第 174 期） 能源研究 内错巷 8601回风巷 走向高抽巷 D-14 D-82 D-115 开 切 眼 D-51 D-100 D-105 停 采 线8601进风巷 名称长轴伊短轴/m对采面生产影响导水性 D5160.6伊56较大无 D100122.6伊61.9较小无 D115115.8伊90.6较大无 D1463.6伊58.2较大无 D8258.2伊49.6较大无 D10596伊83无无 41 2020 年第 3 期2020 年 3 月 2.2煤层硬度 在 8601 回采面回采巷道掘进期间，对 8 号煤层上 下分层煤样取样，并送实验室进行力学参数分析。8 号 煤层上、下分层抗压强度为 11.95 MPa、13.25 MPa， 普氏系数 （ f 值） 分别为 1.1、1.4，煤层较为松软。如 果回采面采用采高大于 5.5 m 的大采高综采方式，则煤 壁片帮概率显著提高。 2.3煤层倾角 8601 回采面开采范围内 8 号煤层赋存较为平缓， 煤层呈现近水平分布特征，切眼中煤层倾角 5毅以内、 超过 10毅区域占比分别为 76.7、2.35，近水平煤层 分布占绝大多数，具体统计结果如图 2 所示。 图 2切眼内煤层倾角分布情况 在 8601 回采面进风巷侧，煤层以小角度 （10毅以 内 ） 仰采为主，仅有不到 1的范围存在仰角大于 15毅的 区域，对采面生产影响有限。在风巷巷侧，以小倾角仰 采、俯采为主，仰采、俯采角度大于 10毅的区域占比仅为 2.8，统计结果如图 3 所示。8601 回采面开采范围内 8 号煤层倾角赋存稳定，对采煤方法的选择影响较小。 图 3回采巷道内煤层倾角分布情况 2.4顶板岩性 为了准确探明 8601 回采面顶板岩性和裂隙发育情 况，在回采面切眼、回采巷道内向顶板施工窥视钻孔。 由钻孔窥视结果可知，8601 回采面顶板破碎、裂隙发 育。窥视钻孔原设计深度在 10 m 左右，实际钻孔施工 中受塌孔、淋水、顶板离层的影响，钻孔多是钻进到 5.5 m 左右。8601 回采面顶板裂隙发育和淋水会给回采 面开采过程中顶板管理带来不利影响，不利于综采方 式在 8601 回采面应用。 2.5煤层厚度夹矸厚度 根据 8601 回采面附近地质勘探钻孔钻探成果、回 采面回采巷道掘进揭露情况和回采巷道掘进期间探测 钻孔探测资料，得出 8 号煤层上、下分层厚度平均在 3.98 m、2.09 m，中部泥岩夹矸厚度平均在 1.18 m， 煤厚 （ 含夹矸 ） 7.25 m。8 号煤层上、下分层以及夹矸 储量分别为 2.3 Mt、1.2 Mt、0.98 Mt。 3采面方法的综合确定 根据 8601 回采面 8 号煤层赋存特征以及临近矿井8 号煤层的开采经验，有 3 种采煤方法可以选择，分别为 采高 6.5 m 大采高综采方式、分层开采方式 （先采 8 号煤层上分层后开采 8 号煤层下分层，或者直接放弃 8 号煤层下分层 ） 和综放开采方式。8 号煤层中间是泥 岩夹矸，强度和硬度均较低，若使用综放开采，推荐选 用大采高综放开采方式，具体为采用大功率采煤机 将 8 号煤层下分层底煤和泥岩夹矸一起截割，降低夹 矸对放顶煤的影响，并提高放顶煤的煤质。这 3 种不同 的采煤方式经济技术对比情况如表 2 所示。 表 2不同采煤方式经济技术对比表 由相关分析结果可知，在不考虑顶板矸石混入开 采煤炭的情况下，采用 4.0 m 大采高方式仅开采 8 号煤 层上分层时，煤炭含矸率为 0，但此时的煤炭采出率 和采出量均较低；如果分层开采，整个采煤工序较为 烦琐，开采效率低，同时还会影响矿井采掘部署，所 以，不建议 8601 回采面采用分层开采或者单独开采8 号 煤层上分层的采煤方式。 采用 6.5 m 大采高综采方式时，煤炭采出率和含矸 率均高于采用综放开采方式。由于 8 号煤层硬度低，顶 板岩层破碎且有淋水现象，如果采用 6.5 m 大采高综采 的方式，则煤壁片帮严重，顶板管理困难，推进过程中 受陷落柱的影响也更为明显，而且布置一个 6.5 m 大采 高综采工作面前期的投入十分大。 综上所述，经过分析，认为 8601 回采面采用大采 高综放开采的方式较为合理。 4大采高综放开采割煤高度的确定 8601 回采面采用大采高综放开采方式，影响割煤 高度确定的因素有顶煤冒落性、煤壁稳定性等。割煤 高度的增加有利于顶煤冒落，但不利于回采面煤壁管 理。模拟出的不同割煤高度下的煤壁稳定、顶煤冒落 情况如图 4 所示。 70 60 50 40 30 20 10 0 62.31 14.41 20.93 2.05 0.30 005510101515 倾角/毅 角度/毅 70 60 50 40 30 20 10 0 进风巷 回风巷 1.40 15 0.90 0.801.40 1.60 9.80 1.60 12.10 26.00 25.80 61.50 39.30 7.0010.00 0.000.500.000.40 采煤方法 采 （放） 煤/矸高度/m出煤/矸量/Mt 含矸 率/ 采出 率/ 采煤高度 采矸高度 放煤高度 煤 矸石 合计 大采高综采 （6.5 m） 5.321.1802.86 0.91 3.77 24.1 81.78 分层开采 （开 采上分层） 3.98002.13 02.13061.03 综放开采2.091.183.982.92 0.91 3.83 23.6 83.69 42 2020 年 3 月2020 年第 3 期 （上接 7 页） 3.2.2锚索钢梁支护设计 锚索钢梁系统支护中，采用矿用笼型锚索，其直 径为 17.8 mm，最大破断力为 36 t，锚索长度为 5.0 m， 每根锚索采用 4 根型号为 MSK23/35 型防水锚固剂锚固。 巷道顶板每排布置 2 根锚索，锚索间距为 1.9 m， 锚索施工在相邻两排钢带中间，锚索排距为 2.4 m，同 一排锚索采用 1 根长度为 2.0 m、宽度为 0.2 m 的槽钢 固定预紧。 3.3实际应用效果分析 截至 2019 年 4 月 28 日，101 工作面回风顺槽已掘 进到位，回风顺槽在掘进期间对围岩采取“高预紧力 高强锚杆 锚索钢梁系统支护”联合支护后，通过观 察应用效果发现，联合支护控制了顶板岩体破碎、冒 落现象，顶板最大下沉量控制在 0.15 m，其中，顶板 85的锚杆发生微小变形，但未出现锚杆失效、断裂、 预紧力降低等现象，锚杆与顶板实现了耦合支护。同 时，锚索钢梁进一步提高了顶板稳定性，解决了近距 离煤岩层单锚索支护时锚索锚固效果差、支护作用小 等技术难题。 4结语 对 10煤层采空区下回采巷道顶板施工高预应力高 强锚杆后，锚杆与破碎围岩形成稳定的锚固支护体， 在锚杆自身约束和抗剪作用下，使不稳定的围岩体具 有一定的承载能力，并利用锚杆形成与围岩变形相适 应的锚固平衡拱，从而大大提高了破碎围岩的整体稳 定性及其承载能力。同时，锚杆支护形成的锚固平衡 拱是保证顶板岩体稳定的基础，高预应力高强锚杆支 护可有效控制顶板破碎、冒落现象的发生。 由于 101 工作面回采巷道局部区域为复合顶板，受 上覆 10煤层采空区的影响，顶板出现破裂现象。采用 锚索梁支护后，解决了传统单一锚索支护时无法保证 锚索锚固效果，单一锚索围岩支护断面小，联锁支护 作用效果差，无法满足顶板稳定支护要求等技术难题， 对破碎顶板起到进一步加固稳定的作用。 参考文献 ［1］ 王效宗.近距离煤层采空区下巷道锚杆支护 ［J］ .能源与节能， 20198 119-120. ［2］ 梁沙平.掘进巷道穿采空区支护技术 ［J］ .中国石油和化工标 准与质量， 201914 213-214. ［3］ 姚顺.采空区下掘进巷道围岩控制技术研究 ［J］ .煤， 20195 20-21. ［4］ 祁刚.近距离煤层群采空区下大断面连采机掘进巷道支护技 术研究 ［J］ .内蒙古煤炭经济， 20199 125-126. ［5］ 戴晨.采空区上部掘进巷道的支护研究 ［J］ .采矿技术， 20192 69-71. 责任编辑白洁 图 4不同割煤高度下的煤壁稳定性及顶煤冒落性 从图 4 中可以看出，随着采煤机割煤高度的增加， 煤壁水平位移量增加，体现为煤壁稳定性降低；顶煤 冒落系数增加，表现为顶煤易于冒落。当综采工作面 采煤高度在 3.0 m 以上时，顶煤拉伸破碎系数大于 0.5， 具有较好的冒落性；如果继续增加割煤高度，则煤壁 稳定性成为影响割煤高度的主控因素。 如果采煤高度超过 4.0 m，煤壁水平位移增加幅度 大于顶煤破坏系数的增加幅度，采高增加带来了更多 的煤壁管理问题，因此，综放工作面割煤高度不宜大 于 4.0 m。考虑到 8 号煤层中间泥岩夹矸层位以及厚 度，综采工作面割煤高度不宜低于 3.27 m，而从煤壁 稳定性出发，综采工作面割煤高度不宜过大，综合确 定 8601 回采面综采高度为 3.3 m，放煤高度为 3.95 m， 采放比为 1颐1.2。 5结语 以山西 A 矿 8601 厚煤层回采面为研究对象，从地 质构造、采煤方式适用性和经济效益等方面出发，综 合确定回采面采煤方法，得到以下主要结论 a 8601 回采面陷落柱发育、顶板破碎且有淋水现 象，煤质松软，不适宜采用大采高综采方式； b 综放开采方式最适宜 8601 回采面的地质情况， 经济性、安全性最优； c 综合分析得出，8 号煤层综放开采合理的割煤高 度为 3.3 m，采放比为 1颐1.2。 参考文献 ［1］ 黄涛.浅谈煤矿井下厚煤层开采的工艺选择 ［J］ .煤， 2019， 2812 97-98. ［2］ 梁磊.枣泉煤矿大倾角综放工作面矿压研究及采煤工艺优 化 ［D］ .西安 西安科技大学， 2019. ［3］ 曹旭平.正升煤矿采煤工艺的分析和选择 ［J］ .陕西煤炭， 2018， 376 172-174. ［4］ 于水， 王悦， 黄克军， 等.曹家滩矿井特厚煤层采煤方法选择 ［J］ . 煤矿安全， 2018， 4911 220-223. ［5］ 段向丰.大倾角厚煤层开采方法研究 ［J］ .能源技术与管理， 2018， 434 92-94. ［6］ 董江.煤矿综采技术在厚煤层开采中的应用探讨 ［J］ .能源与 节能， 20187 112-113. （ 责任编辑白洁 ） 0.29 0.27 0.25 0.23 0.21 0.19 0.17 0.15 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 煤壁水平位移 顶煤破坏系数 2.02.53.03.54.04.55.05.5 割煤高度/m 张文明 回采面合理采煤方法的确定 43