对内蒙古一小型煤矿炮采放顶煤采煤方法设计与论证

2014-10-21裘煜灼

建筑遗产 2014年7期

关键词：设备选型

裘煜灼

摘要：本文是笔者在小型煤矿炮采放顶煤采煤方法工作实践中遇到的几个问题提出来进行探讨，寻求一种正确的处理方法，切实解决该采煤方法中出现的问题，让设计更准确、运用更合理。

关键词：炮采放顶煤；采煤方法论证；设备选型

引言

我国厚煤层放顶煤采煤方法在大型矿井应用比较普遍，放顶煤采煤方法的设计比较完善，使用设备、设施比完备。而小型矿井放顶煤采煤方法的设计、设备、设施选用方面的研究比较薄弱。因此、本人在做小型煤矿炮采放顶煤采煤方法设计与论证工作过程作一个探讨。

一、矿井概况

该煤矿位于伊克照盟的东南，向北60公里至东胜市，向南137公里至陕西榆林。该煤矿属于大煤田之外边角小煤田类型，储量不多，也无法与大煤田联合开采，只能单独开采。

1、煤系地层

井田内含煤地层为中下侏罗纪延安组（J11-2y），该组地层的厚度在165.51米～ 201.94米，平均厚度189.51米。根据岩性的组合特征及其含煤性的差异，将中下侏罗纪可分为上、中、下三个岩段。

1）下岩段（J11-2y）

主要由一套深灰、灰白色的细砂岩，粉砂岩，灰黑色的砂质泥岩、泥岩及煤组成，底部具有灰色的中砂岩、泥岩及煤组成。

2）中岩段（J21-2y）

由一套深灰系灰黑色的粉砂岩、砂质泥岩、细砂岩、中砂岩，局部相变为粗砂岩及煤组成。厚度60.51米～75.10米，平均厚67.60米，岩层的主要特征是粒度较细，分选较好粘土质胶结，具有水平层理，交错层理。该地层赋存3、4号两个煤组。两个煤组垂直间距20米。

3）上岩段（J31-2y）

主要由灰白色的细砂岩、中砂岩和粗砂岩，其次是泥岩类和煤组成。

尤其是粉砂岩发育。厚度38.8米～66.0米，平均54.51米。

2、主要可采煤层的顶底板岩性、倾角、及上覆盖物的厚度

该井田内初期开采为3号煤层。3号煤层具有厚度大，层位稳定，结构简单的特点。3号煤层单层区的厚度为5.5米。

3号煤层顶板：砂质泥岩、粉砂岩，底板：砂质泥岩、泥岩、粉砂岩。煤层倾角在3度左右，属近水平煤层。

3号煤层的初开区也上覆盖物最薄区。在这个区内3号煤层上覆基岩的厚度为70～50米，风积砂厚度40～20米，3号煤层在此区内覆盖物的平均厚度为90米。随着盘区往前推进，3号煤层上方的覆盖物越来越厚。

3、煤质

3号煤层属低变质烟煤中的不粘煤。

水份：煤的裂隙较为发育，煤的水分含水较高，全井田范围内含水量为7.91～8.99%。

灰份：3号煤层的灰份较低，煤芯煤样仅为7.15～9.98%。

硫：3号煤层属于特低硫煤层，其硫的含量为0.31～0.39%。

挥发份：3号煤层属中高挥发份，其指标为34.66～36.25%。

容重：3号煤层的容重为1.28吨/立方米。

4、瓦斯、煤尘、自燃性

瓦斯：该井田的甲烷含量为2.78～22.03%，故该井田属低沼气矿井。

煤尘：该井田煤层挥发份普遍较高，3号煤层平均为35.24%，4号煤层平均为36.25%，矿井在生产过程中产生的微粒。在一定的条件下该井田存在煤尘爆炸的危险。

自燃性：该井田主要为不粘煤，其挥发份高，炭含量高，属易自燃煤层。

5、水文地质特征

该井田水文地质类型为孔隙～裂隙型。以一类一型为主。水文地质条件简单。地表大部分被第四纪松散层及风积沙覆盖。易受大气降水补给，但地形切割普遍，储水条件差，多为透水层，含水较少。

二、采煤方法探讨与推荐

该煤矿是一个新建矿井。选用何种采煤方法来生产煤炭，这个问题直接关系煤矿将来生产经营成该、经济效益、安全生产，以及生产工人能否熟练掌握采煤方法等都有影响。该煤矿所选用的采煤方法，主要取决于以下二个方面。

1、地质条件、煤层赋存条件对采煤方法的适应要求

1）该矿井地层和煤系地层的特点是岩层的岩性以砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩等泥质胶结为主。围岩硬度为中等，且围岩裂隙较发育。为跨落式开采创造了顶板管理的良好条件。煤层的埋深均在90米以上。能满足跨落式开采顶板管理的安全要求。

2）煤层条件

①煤层瓦斯含量很小，属低沼气矿矿井。

②煤层的倾角小（3度），属近水平煤层。

③煤层节理发育，落煤容易，虽然煤层有自燃及煤层爆炸的危险存在，但是由于煤层节理和裂隙发育，煤层的含水量较高（含量7.91～8.99%），由此可以阻止煤层自燃和减少煤尘创造有利条件。

④煤层（3号煤层）在初采期的厚度平均达5.5米。中、后期煤厚也均在5.5米以上。

从煤层的自身条件来分析，比较适合于跨落式开采中的放顶煤采煤法，可以一次采全高。

2、综合因素对采煤方法适应性

1）工人操作水平与采煤方法的适应性。

该煤矿是一个新建矿，现有的工人大都是新招来以后经过一定的技术培训，一切都是从新开始的。不存在对某种采煤方法有操作上的习惯性和传统性。因此，无论是哪种采煤方法，对现有工人来说只要经过基础技能的培训都可以接受的。

2）生產管理对采煤方法适应性

在跨落式开采中，长壁采煤法与放顶煤采煤法，在生产管理上基该上大同小异。从这两种采煤方法使用的角度统计：放顶煤采煤法原先在技术装备水平落后、管理水平较差、建设资金紧缺的煤矿采用的很多。自从94年煤炭部同意使用放顶煤采煤法以后，而今只要地质条件及煤层适宜放顶煤采煤法开采的矿井，几乎都采用放顶煤采煤法。该煤矿现有一批大、中专毕业生，具有一定的管理水平，从管理上来说，该矿使用放顶煤采煤法是较合适的。

3）从生产成该和生产经营效益来选择采煤方法

该矿井初采期为3号煤层，平均厚为5.5米，采用跨落式长壁采煤法，必须进行二次开采，即分层分采，在分采时需人工再生顶板，不仅增加灌浆系统，而且黄泥浆源就地无法解决。采用放顶煤采煤法可以一次采全高，与长壁采煤法相比较，可以省下一组回采巷道（运输顺槽600米，回风顺槽600米，开切眼80米，共省去巷道1280米。）达到同样的产量时，工作面长度可以缩短20米（即省去1/3的单体支柱、铰推顶梁数量），而且可以降低支柱高度，长壁采煤法的支柱最大高度为2.2米。从生产成该和生产经营效益来比较选用放顶煤采煤法较为合适。

从上述二个方面来分析，我推荐放顶煤采煤法作为该煤矿的采煤方法。

三、放顶煤采煤法的论证

该矿井首采区为3号煤层、煤层厚度5.5米，倾角3度左右，全井田有可采储量1200万吨，根据3号煤层的特点，有二种采煤方法可供选择。

1、长壁分层开采

按照3号煤层的厚度可分二个分层开采，其优点是回采率高。其缺点是：巷道多、材料消耗大，效率较低，开采成该高。

2、放顶煤一次采全高

厚煤层采用放顶煤采煤法，在国内已积累成熟的经验。特别是近几年来，放顶煤采煤法应用越来越广泛。对放顶煤采煤法的适应范围及各理论参数正在完善之中。从目前国内对使用放顶煤采煤法技术参数来看，其适应范围需具备三个基该条件，即煤的可放性、顶板、支架。

1）3号煤层的可放性

①煤层平均厚度5.5米，采2.2米，放3.3米是很理想的厚度。（内蒙古平庄红庙煤矿规定是采2米放3米）。

②煤质属中等硬度，且煤层节理裂隙发育，具有良好的落煤条件。

③采用炮采放顶煤采煤法，在采底煤放炮过程中，对顶煤有着松动作用，使顶煤产生预裂，加剧顶煤的裂隙，创造快建落煤的条件。

综上所述3号煤层的可放性方面是可靠的。

2）顶板

无论使用哪种采煤方法，顶板都是采用全面跨落式管理。根据地质资料，该矿井3号煤层直接顶板和老顶均泥质胶结的砂质泥岩、泥岩、粉砂岩组成。顶板围岩裂隙发育，是较为理想的放顶煤顶板。

3）放顶煤采煤的支架选型

在国内还没有生产炮采放顶煤的专用支柱，从华北、西北对对小型炮采放顶煤支柱的调查发现；炮采放顶煤都使用普通支柱，以单体液压支柱为普遍、也有选用金属摩擦支柱。

在合理选用支架的问题上，国内目前有两种不同的理论：一种理论认为：放顶煤支架受力情况较好，受力小，顶煤对支架有缓冲和保护作用。支架（支柱）选择较轻一些的合理。而另一种理论则认为：放顶煤支架或支柱应选择较重（稳重）一些为合理。理由是当顶煤下放时，对支柱产生一个合力，即有水平推力，又有正压力。需要特别加强支柱的稳定性。

在国内顶煤对支柱的压力情况正处于研究之中，所以在放顶煤支柱的选择上还没有很完善理论数据作参考，鉴于这种情况，在选用支柱问题上主要是依据该矿煤层与顶板的具体条件，结合调查其他矿井使用支柱成功的经验。经计算初步确定选用以支撑高度1.44～2.24米，DZ22-30/100单体液压支柱为基该型，在此支柱基础上，工作面后排支柱按接斜撑钢轨，从而使后排支柱形成一个三角形的受力系统，确保在放顶煤时支柱的稳定和安全。

上述三个基该条件，前二个条件在该矿井已具备，后一个条件也完全能达到，放顶煤采煤法在该矿井的使用是适合的。

四、采煤工作面的参数和回采步骤

1、工作面长度

炮采放顶煤工作面长度、规范中目前还没有具体规定，从管理上来说：

放顶煤工作面长度不宜大，因为在一个工作面中各段的放煤速度不会十分均匀，工作面长了不容易管理。国内最长的炮采放顶煤工作面长度没有超过110米。许多地方还有40米、60米长的放顶煤工作面。从顶板管理方面分析：工作面适当长一些对放顶有利。工作面越短顶板越难放落。设计确定3号煤层炮采放顶煤工作面长度为80米。经计算能满足矿井产量的需求。

2、工作面循环数及生产能力。

1）工作面昼夜进行三个循环：进尺为2米，月进尺50米，年总进尺600米。工作面年产量为：

Q=H·米·L·r·K

Q=80×5.5×600×1.28×0.85

Q=287232吨

式中：Q——年产量吨

H——工作面长度 80米

米——煤层平均厚度 5.5 米

L——工作面年总进尺 600 米

r——煤的容重 1.28吨/立方米

K——工作面回采率85%

炮采放顶煤工作面年回采产量287232吨，对于一个小型矿井，基本上一个炮采放顶煤工作面就能达到产量要求。生产集中，降低生产成本低。

2）工作面最大控顶距为5米，最小控顶距为3米。

3、工作面工作制度

設计采用三班作业制。三班作业，其中两班采煤，每班进尺1米，一班放煤。这样可以达到三班作业，三班出煤，班内检修。其优点：工时充分利用，设备利用率高，推进速度快，有利于放顶煤。缺点是：没有专门的检修班，设备检修的质量不稳定。其实，该工作面的机械设备很简单，既无采煤机，又无大的液压支架，也不需要每天安排专门的检修班。

4、工作的回采率

工作面的炮采煤和放顶煤之和的平均回采率为85%。3号煤层的厚度5.5米属厚煤层，按规定其回采率为85%，也是合适的。

5、工作面的接替关系。

顺槽掘进应避免回采过程中应力集中造成的不利影响，该设计采用沿空送道。因此顺槽及开切眼的掘进要等到回采应顶板压力已趋稳定时才能进行。所以回采面实行跳采。

6、工作面回采工效

回采工作面的工序包括采煤（打眼、放炮、攉煤）。放顶煤、支柱子、推移淄槽、管理刮板输送机、工作面材料运输、设备日常检查、修理等。工作面每日出勤人数为56人，工作面日产量为1025吨，工作面工效为18.3吨/工。

7、回采步骤

工作面先由炮采采底煤、炮采高度2.2米，然后再放落顶煤，具体过程：

1）炮采底煤，每进一茬为1米即一个循环，每天二个循环，和放一次顶煤。

2）支柱，进一茬移柱一次，排距1米，行距是0.6米

3）移刮板输送机，每进一茬移一次输送机，工作面设置两部输送机，在近煤壁和靠采空区侧各设置一部，先推移前输送机，后拉移后输送机。

4）放顶煤，是整个回采工艺中的关键工艺，按如下要求进行。