钱家营矿煤炭资源综合利用技术应用

安雪梅，张嘉勇

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009)

钱家营矿煤炭资源综合利用技术应用

安雪梅，张嘉勇

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009)

煤炭资源；综合利用；技术方法

针对我国煤炭资源回收中存在的主要问题，在薄煤层共存的矿区易造成下层煤炭资源积压。介绍了国内外薄煤层赋存状况及开采状况，通过对开滦钱家营矿在复采沉降区薄煤层开采设备选型配套的分析及复采方案，提出了影响薄煤层开采综合利用技术。研究结果表明：通过优化选型工艺和设备及综合利用技术的应用，大大提高了矿井煤炭资源综合利用水平，有效地延长了煤矿开采寿命，提高了开采率，对实现煤炭资源保护及利用具有重要意义。

0 前言

煤炭及其伴生的产物都属于不可再生的能源，所以对煤炭资源我们必须珍惜利用。由于我国地理环境的复杂性，煤炭赋存条件相对复杂，多数煤层属于难采煤层，也是我国煤炭资源回采率低下的重要原因之一。为改善煤炭行业现状并使其健康发展，必须从企业管理、企业文化、科研技术、人才引进、机械设备、安全措施和环境保护等方面进行改善。随着煤炭资源的不断开发利用，人们逐渐认识到了增加煤炭资源回采率的重要性[1-2]。

虽然我国煤炭资源的回收率呈现出良好上升态势，例如开滦集团各生产矿井，近几年，采区回采率平均达82%以上。但是随着矿井资源的不断挖掘和萎缩，导致提高煤炭回收率面临的问题也愈来愈多。国内关于煤炭资源提高回采率主要面临以下几个问题：(1)近距离煤层群开采过程中，薄煤层地质条件比较复杂，严重制约开采进度，从而导致薄煤层开采产量低；(2)由于经济原因，煤炭资源旺销负效应的影响导致煤炭开采的资源浪费，超能现象严重；(3)采掘工程中局部区域的地质条件存在一定的局限性，也是造成煤炭开采损失的重要原因之一；(4)开采工艺设计不完善，且没有根据回采不同厚度煤层选用相应的新型设备，从而造成因设备因素丢弃煤碳资源[3]。

1 薄煤层赋存及开采状况

1.1 薄煤层开采技术国内外现状

薄煤层的煤层厚度小、地质条件相对较差，大大限制了机械设备的使用，导致劳动效率低下，并且也存在较大的安全隐患，大型机械设备的安装、移动、拆除都存在很大的难度，从而制约煤炭的产量。通过研究可知，现今开采的煤矿中85%存在薄煤层分布，所以只有进一步开展薄煤层开采技术，才能从根本上解决薄煤层开采率和安全系数低的问题，这是煤矿解决开采现状的根本方法。薄煤层开采主要包括3种开采工艺：刨煤机采煤法、螺旋钻机采煤法和采煤机采煤法[4-6]。

刨煤机采煤法[7]是由德国于上世纪40年代研制的采煤法，由于其效率较高，很快得到了发展和利用，至今依旧是薄煤层进行采煤的重要方法。

我国在上世纪60年代开始研制螺旋钻机[8]，于1976年制造了MBI-1刨煤机，并在1979年正式投入使用，发展至今我国研发了从60～400 kW的刨煤机。2006年，经过自主研究生产的国内第1台螺旋钻采煤机正式投入使用，首次实现了薄煤层工作面无需支护、无人采煤新工艺[9]。

1992年，我国制造了MG200/450-BWD型薄煤层采煤机[10]。2007年，西安煤矿机械有限公司研制成功了我国首台全机载薄煤层采煤机[9]。

1.2 边角煤回收技术

我国大部分矿井开采过程实现了大规模机械化，但是开采过程中由于开采方式和井下设计等因素，在采掘区域出现部分未经挖掘的残余块段和各样的煤柱，这就是边角煤。形成边角煤的主要原因有：一是自然因素导致形成的边角煤，包括由于地应力等造成的断面和地质条件导致不能布置采掘工作面的残留块段；二是由于人为因素造成的，包括正规开采过程中，顺槽与切眼直交的切块方式形成的边角煤，以及开采区域中未开采的各种残留煤柱[11]。国内部分矿井多年开采残余边角煤储量如表1所示。

表1 我国部分煤矿边角煤储量

研究结果表明，我国边角煤开采回收技术具有多样性。对于煤层边角煤开采技术而言，其主要方法有：Ⅱ型钢放顶煤、轻型支架放顶煤(轻放)、网格式支架放顶煤(网放)、滑移支架放顶煤等；对于中厚煤层则有短壁综采、综放采煤法和长臂综采、综放采煤法以及连采、连掘工艺断壁采煤法[12]。3种方法各适应于不同条件下的煤层。

1.3 引进先进的工艺装备

国内矿井煤炭资源储量、环境及地质条件较为复杂。在全国范围内，就煤层赋存的厚度、倾角和硬度而言，煤厚大于5.0 m以上的厚煤层占总储量的45%，急倾斜煤层占全国15个省46个矿区煤层总数的31%，缓倾斜占48%，两者合计79%。煤的坚固性系数f<1为软煤层，占煤层赋存总量的11.5%，中硬煤层坚硬度为f=1～2，其占有数为74.5%，两部分总计86%[13]。

厚煤层的煤炭赋存总量占45%，相对应的厚煤层开采产量亦占总产量的45%左右。正是厚煤层的数量占我国煤层数量的大部分，所以厚煤层机械化开采方法的研究是我国也是全球采矿业重点研究的方向。过去大多采用长壁式倾斜分层冒落法和充填法开采缓倾斜厚煤层，采水平分层或斜切分层冒落法和充填法开采急倾斜厚煤层，并且通过一些非常规方法开采巷柱式、残柱式等整层的煤层。通过普遍应用的采煤法，在技术经济合理性方面都存在着一些制约因素例如机械化程度低，资源损失严重，安全程度低以及经济价值低等问题[14]。

随着工艺的进步，国内厚煤层逐渐使用综合机械化放顶煤的方法，大大增加了矿井产量。但是普遍存在工作面回采率较低，大部分煤矿企业综采面均未达到国家规定采区回采率要求。在此，既有顶煤冒放性差影响回采率的因素，也有初、末采不放煤和两端头支架不能放煤的因素影响，同时更有难以实现放顶煤无煤柱开采的因素影响。这些因素的影响使综放面顶煤放出率降低，放煤过程控制失调，工作面回采率不能提高，影响综放开采综合经济效益。

2 工程概况

钱家营矿井田内，煤层多为薄煤层，平均厚约0.29 m；直接顶板在中部和西部为粉砂岩，东北部及东部为中、细砂岩，沿倾向大致在-800 m深为中砂岩，以浅一般为粉砂岩，厚约3.5 m，一般地段，顶板岩石完整，且较坚固。

为充分利用矿产资源，进行薄煤层储量挖潜，5煤层开采掘进巷道基本为半煤岩掘进，回采方式采用走向长壁后退式综合机械化采煤法，采煤机械化程度100%。布置的1358和1357工作面情况如下：

1358东工作面位于三采区东翼，目前正在回采，该工作面下伏7、9煤层均回采完毕，煤层厚度为0.3～1.7 m，平均为1.2 m，回采走向长为288 m，倾斜长为120 m，基本为半煤岩掘进，回采过程中割顶底板较多，造成原煤灰分增加，共计挖潜产量为7.4 万t。(如图1)

1357w工作面巷道布置,工作面运道长度为668m,风道长度为745m,巷道方位为259°30',风道、运道平行布置,切眼长度为145m,切眼与运道夹角为94°。开采方法采用大规模机械化综合后退式采煤法。为充分利用矿产资源,进行薄煤层储量挖潜,基本为半煤岩掘进。工作面回采距离为622m,倾斜坡度距离142m,厚度为0.3～2.0m,平均为1.28m,回采方式采用走向长壁后退式综合机械化采煤法,开采机械化程度高达100%,预计可挖潜储量约为14.3万t。(如图2)

挖潜储量计算方法:

走向长度× 倾斜长度× 平均煤厚× 容重× 回采率=622×142×1.28×1.3×97% =142562(t)

3 综合利用技术应用

3.1 边角煤回收新技术

在煤炭开采过程中，地质环境相对较差，开采条件难度随之上升，并且基于现有机械化程度，产生了大量的边角煤炭。所以在煤层开采过程中提高边角煤柱的回收利用技术，有利于延长开采寿命和提高开采率，达到煤炭资源保护及利用的目的。

钱家营矿井12煤层为正在开采煤层，12-1煤为井田内中厚-厚煤层，向北有变薄趋势。井田内为较稳定煤层，局部夹矸2层，为复杂结构。12-2煤局部有夹矸1层，属于简单结构。钱井2～钱东3线以东达可采厚度，但-450 m以下有分叉变薄现象，据2石门揭露的几个见点大多在2 m左右。井田内为极不稳定煤层。

为了充分回收资源，钱家营矿对老的生产区域边角煤进行了回收利用，减少了资源浪费，稳定了矿井产量。如1124 w工作面挖潜，该工作面是一采区12-1煤层遗留边角块段，上覆7煤层、9煤层均已回采完毕，为充分实现矿井原煤产量稳定，充分利用矿产资源，加强储量挖潜工作，矿井设计了1124 w工作面，工作面回采总长度为507.3 m，倾斜坡度长为183.8 m，煤层厚度为0.6～4.2 m，平均厚度为2.6 m，根据地质条件的特点，回采方式采用走向长壁后退式综合机械化采煤法，采煤机械化程度达100%，挖潜储量23.3万t，预计该工作面可挖潜储量约29.9万t。如图3所示。

挖潜储量计算方法：

走向长度× 倾斜长度× 平均煤厚× 容重× 回采率=507.3×183.8×2.6×1.3×95% =299399(t)

3.2 地质损失块段复采方案

由于预留煤柱多为隔水煤柱和护巷煤柱，造成采空区面积大，易大量积水，并存在大量岩石，巷道难免要穿过采空区布设，巷道顶板易破碎，并出现片帮、冒顶，给复采块段开采造成极大困难；并且复采块段的顶板冒落程度不同，部分区域高冒，极易造成涡流和局部瓦斯积聚，如果通风系统不完善，可能造成瓦斯等有害气体涌出。所以必须根据复采块段采空区、巷道布置、地质构造等进行复采方案设计，并且做好局部通风管理工作。

二采区9煤构造复杂，上覆、下伏煤层回采完毕。9煤东方及北方具有变薄的趋势，其为中厚煤层。局部有夹矸1～2层，为复杂结构，煤层厚度相对均匀，但是煤层基底沉积不平，煤层局部顶底板断层密集度较高，由于受到巨大的破坏，煤层不再完整。井田内为较稳定煤层。伪顶和直接顶板多为粘土岩粘土岩厚约为0.29～0.32 m，部分区域为粉砂岩，厚约为4.0～0.42 m。该区域煤层赋存复杂，原为地质报损块段，后经分析研究该区域煤层具备开采的可行性。

为了回收该区域煤炭资源，设计了1294工作面，该工作面上覆5煤层、7煤层、下伏12-1煤层均已采毕，在掘进过程中整个工作面内实见断层51条，落差≤2 m的断层达12 个，2～3 m的2条，3 m以上的断层2条。从掘进实见资料分析，回采过程中隐伏断层极为发育，这些断层极大地破坏了煤层的连续性和稳定性，造成煤层顶板受到外力作用极易破损，由于煤层松软的原因，也容易造成片帮，给回采造成一定困难。通过加强管理，加强支护，提高材料投入等措施，进行储量挖潜。

1294东工作面回采长度为721.8 m，倾斜坡度距离约为164.8 m，平均厚度为2 m。回采方式采用走向长壁后退式综合机械化采煤法，采煤机械化程度达100%，预计整个工作面报损区域可挖潜储量约为33.2万t。

挖潜储量计算方法：

走向长度× 倾斜长度× 平均煤厚× 容重× 回采率=721.8×164.8×2.1×1.4×95% =332235(t)

3.3 煤柱的回收利用技术

3.3.1工业广场煤柱的回收利用技术

为了更好地保护煤炭资源，提高矿井开采寿命及回收率，对位于钱家营矿工业广场的1129工作面残余煤柱进行开采设计。

当工作面进入工业广场范围内时会对建筑物产生变形影响，为保护其建筑物的安全和完整性，必须采取有效措施。针对这种情况采用连续采煤机，煤柱使用袋翼式回收的方法，通道的顶板用锚杆支护。当采掘工程中，相对较窄的煤柱附近的掘进通道会被打通，由于采煤机采煤过程中会对剩余的斜方向的煤柱开采，所以不需再进行支护，采煤时边采边退，顶板的煤和岩石会自然脱落。根据开采时对煤柱尺寸的要求，为保护连续采煤机工作人员，开采侧翼煤柱不得超过通道顶板支护，也就是保障斜切进刀的距离小于滚筒到工作台的长度，保证斜长为6～7 m。并且在房和联络巷近端靠近采空区边缘的位置，设计一排支柱或丛柱，达到隔离的目的，以确保其安全。当连续采煤机开采时，为防止片帮、冒落，应在通路一边打一排支柱。

工作面在掘进过程中，各应力集中点都要受到剪切力、径向应力的作用并逐步达到稳定状态。当工作面掘进速度比较快时，地表的形变程度较小，对建筑物的影响也较小；但是存在不利因素，掘进速度过快，地表下沉的速度及形变程度都会增大。综合考虑这两点效应，开采时应采取三班循环作业制，两班采煤、一班检修，每班进尺1.6 m的推进速度[15]。

3.3.2跨采区上山开采技术

跨巷回采主要有2种形式，即纵跨与横跨。纵向跨采如图4所示，横向跨采如图5所示。

因为上山要服务于整个采区,为了保证工作面开采时不破坏上山巷道,因此,要留设一定距离的保护煤柱,如图6所示。

随着矿井进一步开采,在煤层底板部分区域内会形成应力增高区和应力降低区。处于煤层应力增高的区域,由于压力过高并且相对集中,底板会遭到破坏;处于应力降低区的应力逐步减小,更易于维护。根据采掘工作面位置不断移动的特点以及巷道系统优化布置的原则,设计巷道与上方跨采面的相对位置,可在底板上方的煤层采面进行跨采,使巷道经历短暂的集中应力作用后,可在很长时间处于应力降低区内。

跨越上山开采，可有效增加工作面的长度，减少煤柱的留设。跨越多个上山回采示意图如图7所示。

1129综采工作面回采通过三采区西翼的1324西及一采区东翼的1129东合并后跨采区上山并进入工业广场保护煤柱进行开采,其实际回采走向长度达到1900m。增加了工作面实际回采长度465m(跨采区上山开采增加走向长度120m,进入工业广场煤柱开采增加走向长度345m),大大提高了回采率,增加可采煤炭量30.3万t,增加矿井产量45.5万t,如图8所示。

3.3.3冲积层防水煤柱上提后开采

根据对“开滦钱家营矿七煤层开采覆岩导高观测与开采上限确定研究”分析可知，防水安全煤岩柱的稳定性及其隔离性能，与松散冲积层的总厚度无关，与松散含水层的水压有关。在松散含水层压力较高时，应适当提高防水煤柱的长度；六采区地层上部的第四纪松散冲积层，可以划分为四含四隔，水害防治的对象是第四含水层段。松散冲积层最下部仅局部分布有粘土隔水层，必须留防水安全煤柱；根据实测导高值和《煤矿安全规程》的有关规定，六采区七层煤开采时的防水安全煤岩柱高度应大于59.4 m。因此，可以将冲积层煤柱上提，将冲积层防水煤柱线上提到66 m，这样增加了工作面可采储量，减少了资源浪费，提高了回采率。六采区西翼的1671东采面通过防水煤柱上提，采面的倾斜长度平均增加30 m，提高煤炭赋存量9.2万t，矿井产量增长13.8万t。

3.4 优化选型工艺及设备

结合钱家营矿现有开采装备和煤层赋存情况，应在以下几个方面对设备进行更新和优化。对于厚煤层开采采用的新工艺，包括支架、采煤机选型等，一次采全高，提高了厚煤层的回采率。

按新投入配套设备服务8个工作面计算，其原煤采出量与原采用ZY9200-20/42D支架原煤采出量对比如表2所示。

表2 原煤采出量对比表

4 结论

(1)通过优化选型工艺及设备的应用，可以对采区块段和地质条件复杂区域的薄煤层进行复采。同时矿井局部的边角煤、煤柱等也有一定的挖潜空间。

(2)通过薄煤层开采方案、边角煤回收新技术、地质损失块段复采方法、煤柱的回收利用技术和优化选型新工艺、新设备等技术手段，可增加矿井可采储量，并提高了矿井煤炭资源综合利用水平。

(3)上述方法有效延长煤矿开采寿命和提高开采率，对实现煤炭资源保护及利用具有重要意义。

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Application of Comprehensive Utilization Technology of Coal Resources at Qianjiaying Coal Mine

AN Xue-mei, ZHANG Jia-yong

(College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

coal resource; utilization; technique

Aiming at the main problems existing in the coal resource recovery, the sublayer coal resource is easy to backlog in thin coal seam mining area. The thin coal seam, the occurrence status and mining status are introduced, through the Kailuan Qianjiaying coal seam mining in mining subsidence area form a complete set of equipment selection scheme analysis and mining，a comprehensive utilization technology of thin coal seam is proposed. The results show that through optimizing the selection of technology and equipment and the application of comprehensive utilization technology，The technology the level of mine comprehensive utilization of coal resources is improved，and extend the service life of coal mining and efficient mining is of great significance.

2095-2716(2016)02-0121-08

X752

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