极近距离煤层开采方式的优化研究
2018-12-05张辉
张 辉
（山西焦煤西山煤电集团公司安全生产监督管理局，山西 太原 030053）
在我国，近距离煤层占煤炭资源总量的比重较大，据统计，有超过40%的煤炭资源都属于近距离煤层[1-2]。西山煤电集团西铭矿8#、9#煤层属于极近距离煤层，目前采用下行开采的方法，即先采8#煤层，然后开采9#煤层。为提高矿井经济效益，改善工作面的开采环境，本文对现有开采方式进行分析并提出相应优化方案。
1 工程背景
西山煤电集团西铭矿是山西西山煤电股份公司旗下矿井，主采2#、3#、8#和9#煤层，目前，其上组2#、3#煤层资源逐年减少，8#和9#煤层已成为矿井的主采煤层。8#和9#煤层相距0.5～6.9m，平均仅1.8m，层间岩层岩性以砂质页岩为主，强度较低，完整性较差，属于极近距离煤层。8#煤层平均厚度为4.2m，9#煤层平均厚度为2.8m。在9#煤层开采过程中，受上煤层开采的影响，层间顶板稳定性差，维护困难，尤其在层间岩层较薄处，极易发生冒顶等安全事故[3]。因此，基于上、下煤层层间距较薄的实际情况，对极近距离煤层合层综放开采的可行性进行分析研究。
2 顶煤冒放性预测
对于放顶煤开采顶煤冒放性，许多学者进行了大量研究[4-5]，太原理工大学靳钟铭教授[4]等利用模糊数学和破坏系数两种方法建立顶煤冒放性计算模型，并在实践中得到了验证。由于利用模糊综合预测的方法对冒放性进行预测时，其计算量大，且夹矸层厚度上限为0.5m，不适合本文地质条件的使用。因此，利用破坏系数法对工作面顶煤冒放性进行预测。
2.1 破坏系数法预测
根据大量的实验结果，利用多元回归分析，建立顶煤破坏系数方程，可以对顶煤冒放性进行合理预测，极大地简化了计算过程，回归方程为：
式中：
Y—顶煤破坏系数；
H—煤层埋深，m；
Md—顶煤厚度，m；
Rc—煤体单轴抗压强度，MPa；
Mj—夹矸层厚度，m；
D—煤层裂隙分维值。得出的破坏系数与顶煤冒放性的分类对照表如表1所示。
表1 破坏系数法顶煤冒放性分类
2.2 西铭矿极近距离煤层冒放性预测
根据矿井地质资料，西铭矿下组极近距离煤层埋深H约280m、顶煤厚度Md为6.04m、煤体单轴抗压强度Rc为16MPa、夹矸层厚度Mj为0.5～6.9m、煤层裂隙分维值D为1.61。将数据代入式（1），对不同夹矸厚度下顶煤冒放性进行合理预测，所得结果如表2。
表2 冒放性预测
如表2所示，对于8#、9#极近距离煤层，层间距最小为0.5m时，顶煤冒放性为Ⅱ级，冒放性好，采用放顶煤开采可以取得良好的经济技术指标；层间岩层厚度为1.2m时，顶煤冒放性为Ⅲ级，冒放性中等，采用合理的放煤工艺和参数，也可以取得较好的技术经济指标；当层间岩层厚度为1.8m时，顶煤冒放性为Ⅳ级，冒放性差，采取适当的措施，也可以使用放顶煤开采；当层间岩层厚度为3m和4m时，顶煤冒放性为Ⅴ级，冒放性差，不能使用放顶煤开采。
3 开采方式优化
根据前面的分析，9#煤层部分区域可以采用放顶煤开采的方式。上部已采空部分，仍采用原有下行开采的方法；上部8#煤层未采的部分，根据层间岩层厚度选取合适的开采方式：
（1）层间岩层厚度在1.2m以下时，顶煤冒放性较好，层间岩层可直接冒落，不需采用任何措施，就可以直接使用综采放顶煤开采；
（2）层间岩层厚度为1.2～1.8m时，顶煤冒放性较差，主要是由于层间岩层较厚，影响顶煤的放出，可对层间岩层采取恰当措施（如水力致裂、挑顶开采等）后，采用综采放顶煤开采；
（3）层间岩层厚度为1.8m以上时，难以冒落或冒落块度过大，堵塞放煤口，不适合采用放顶煤开采，因此仍采用下行开采的方法进行回采。
根据西铭矿煤层实际赋存条件，层间岩层厚度平均值为1.8m，小于1.8m的区域比重较为可观，采用放顶煤开采的方法后，具有以下优势：
（1）相比于下行开采，放顶煤开采前期只需布置一个工作面就可以将区域内两层煤全部回采，回采所需时间也极大地缩短，经济效益明显提高；
（2）工作面布置更加简单，顶板管理控制容易。采用下行开采时，受上煤层的开采影响，顶板较为破碎，稳定性差，管理维护十分困难，而采用放顶煤开采后，则可避免这一问题的发生；
（3）放顶煤开采的巷道掘进量降低，巷道搬家次数减少，降低工人的劳动强度，工作面单产更高。
4 结论
（1）利用破坏系数法对其顶煤冒放性进行合理预测，得到不同层间距下顶煤冒放性，认为层间距在1.8m以下时，顶煤冒放性在Ⅳ级及以上，可采用放顶煤开采；层间距在1.8m以上时，顶煤冒放性为Ⅴ级，不能采用放顶煤开采；
（2）根据冒放性预测结果，提出开采方式的优化方案。按照层间岩层厚度的不同，将煤层分为3个区域，认为层间岩层厚度在1.2m以下时，可直接采用综放开采技术，层间岩层厚度为1.2～1.8m时，可在采取一定措施后采用综放开采，层间岩层厚度为1.8m以上时，仍采用下行开采的方法。
