彬长矿区多重灾害条件下工作面采煤方法及工艺参数研究

孙东飞

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

彬长矿区是国家规划建设的14个大型煤炭基地之一——黄陇基地的核心区域，是我国实施西部大开发战略的重要地区，是陕西省能源战略转移接续区的主要矿区，肩负着陕西关中地区主要能源供应的任务。煤层赋存条件好，一般为厚到特厚的近水平煤层，煤质优良；外部建设条件便利。规划建设的多为大型、特大型矿井。但矿区大部分矿井存在瓦斯大、动压现象强、煤层易自燃、煤尘易爆炸、水文条件复杂、热害严重等问题[1-5]，井下灾害种类多，多种灾害的耦合使得灾害防治变的更为复杂，如何合理确定采煤方法及工艺参数成为影响煤矿“安全、高效”生产的主要因素。本文在深入调研矿区内大佛寺煤矿、亭南煤矿、下沟煤矿、胡家河煤矿、高家堡煤矿、小庄煤矿、文家坡煤矿的工作面实际生产情况的基础上，分析了彬长矿区典型灾害种类及特征，以及各灾害耦合作用关系，提出了采煤方法及工艺参数确定的原则和经验结论，对同类矿井的设计、建设及生产组织有一定借鉴意义。

1 采煤方法研究

彬长矿区煤层厚度大，最厚达26m。目前，对于特厚煤层开采的常规办法主要是分层开采。由于彬长矿区主采煤层顶板洛河组砂岩富水性强，煤层易自然发火，煤层具有冲击倾向性的原因，下分层开采需要考虑众多复杂的因素，因此尽可能的少分层或者不分层是采煤方法选择的一个重要思路，也就是上分层尽可能的增加采高。但是，增加采高会提高导水裂隙带的发育高度，引发剧烈的矿压显现甚至是冲击地压现象，给水文和冲击地压防治工作带来巨大的困难；另一方面，目前国内综采工作面成套设备的最大采高为8.6m左右，进一步提高采高上限需要在装备制造领域取得更多突破。考虑到以上因素，大采高一次采全高采煤方法并非在所有情况下都是最优方式。通过生产实践，综放开采在开采本区主采煤层或者第一分层时具有明显优势。首先是可以增大采放总高，使第一分层尽可能的多采；其次是综采放顶煤采煤法相对于综采一次采全高支承压力分布范围增大，且应力明显降低；在释放弹性能量方面，放顶煤开采煤层中的弹性能超前释放，并连续释放，减缓顶板来压的弹性动能，降低冲击地压发生的几率，有利于冲击地压防治[6]；再者，放顶煤采煤方法与一次采全高相比，相同总采高的前提下割煤高度越小，导水裂隙带波及高度越低，越有利于矿井的防治水或保水采煤。

彬长矿区煤层强度虽然略高，但煤层埋藏较深，煤层的裂隙较为发育，在上覆岩层压覆作用下具有较好的冒放性。因此，根据本矿区的煤层赋存特征及开采技术条件，放顶煤是较为理想的一种采煤方法，放顶煤目前已在彬长矿区大部分矿井得到应用和推广。

2 采高研究

2.1 割煤高度

割煤高度越高，越有利于提高工作面单产，有利于提高煤炭回收率。但是随着割煤高度的增大，矿山压力影响范围也随之增大[7]，易造成应力集中区域，增大诱发冲击地压灾害的可能性。另外，割煤高度的增加还会带来煤壁片帮的问题。彬长矿区主采煤层属侏罗系延安组含煤地层，煤层f系数一般为1.2～1.8，煤层结构简单，裂隙发育，在强矿压的作用下易形成片帮。追求高产、高效、高回收率应建立在安全的前提下，割煤高度应尽可能避免诱发冲击地压及煤壁片帮。实践证明，彬长矿区煤层回采高度当达到3.8m时，会经常性出现矿山压力异常现象，小范围煤壁片帮现象，所以，彬长矿区一般将煤层割煤高度控制在3.5m左右。

另外，煤层割煤高度加大会使工作面支架、采煤机等设备的最大不可拆重量增加。彬长矿区煤层埋深一般在400～800m，大部分采用立井提升，割煤高度加大同时会带来提升系统的整体提级，造成矿井辅助提升系统的投资及运营成本加大，经济效益下降。

2.2 放煤高度

放顶煤采煤方法除了割煤工艺还有放煤工艺。割煤高度确定后，放煤高度一般不大于割煤高度的3倍，放煤高度与割煤高度之和便是工作面的总采高。放煤高度一般从煤层的冒放性、煤层总厚或分层厚度等方面确定，但该矿区还需重点考虑采放总高及采放比例对上覆洛河组砂岩承压含水层的影响，即放顶煤工艺参数对导水裂隙带发育高度的影响。目前国内外的导水裂隙带计算公式只使用于单层采厚1～3m、累计采厚不超过15m的分层一次采全高采煤方法，对于厚、特厚煤层采用放顶煤或分层放顶煤还没有计算公式。放顶煤开采导水裂隙带受上覆岩层结构、埋深、采放比、总采高、放煤工艺等诸多因素影响，彬长矿区内各矿井的导水裂隙带发育高度也大不相同，具不完全统计裂采比从12.71到22.32，发育高度从125.8m到225.4m，差异较大，没有明显规律。彬长矿区部分煤矿放顶煤开采导水裂隙带发育情况见表1。

表1 彬长矿区部分煤矿放顶煤开采导水裂隙带发育情况

综上，确定首采工作面的采高及采放比例时，可以参考临近矿井的实际测定值，有条件矿井可专门开展本矿井导水裂隙发育研究，通过打钻取样分析，结合临近矿井进行综合分析得出最终发育高度理论值，以此确定采放总高。在矿井投产后，随着观测数据的丰富，逐渐地掌握本矿井的导水裂隙发育情况和规律，进一步修正本矿井的最佳采放高度和采放比。目前，彬长矿区采放高度一般在5～12m，一般不超过12m，采放比一般在1∶1～1∶3。

3 工作面长度研究

工作面长度越大工作面循环产量越高，越容易高产、高效。但工作面长度受诸多因素的制约，其主要因素一般为：地质因素、技术装备因素、效益因素，其中地质因素是最主要的影响因素。地质因素包括瓦斯等级、自然发火倾向、冲击地压倾向等，而彬长矿区受上述几种因素影响较大，以下分析瓦斯、自然发火和冲击地压对工作面长度的影响。

3.1 瓦斯的约束

低瓦斯矿井在其他条件满足需要的前提下，工作面长度可大幅度提高，工作面长度可达300m以上。但对高瓦斯矿井，工作面长度的确定要受到瓦斯涌出量的限制，工作面长度越长，瓦斯涌出量越大，工作面断面和过风能力是有一定限度的。在瓦斯预先抽采、边采边抽、抽空区抽采等综合防治措施下，工作面过长将会导致瓦斯涌出量不能及时通过通风稀释，易发生工作面瓦斯浓度超限，导致设备保护性停机，影响生产；严重时会造成瓦斯集聚带来安全隐患，《煤矿矿井采矿设计手册》中规定：以矿井通风能力校核工作面长度的公式如下[8]：

式中，L为根据工作面通风能力确定的工作面最大长度，m；v为工作面内允许的最大风速，取4m/s；m为工作面采高，m；lx为工作面最小控顶距，m；Cf为风流收缩系数，取0.9～0.95；q为昼夜产煤1t所需风量，m3/min；Sn为循环进度，m；p为煤层生产率，即单位面积上出煤量，p=mρc，t/m2；ρ为煤的体积质量，kg/m3；c为工作面回采率；φ为昼夜循环数，个。

3.2 自然发火的约束

采煤工作面采空区内存在着自然发火三带[9]，从外向里分别是：冷却带、氧化升温带、窒息带。冷却带的氧气充分，但由于受工作面通风影响，空气流动速度快，热量会源源不断被风流带走，不宜造成热量集聚，不易发生自燃；窒息带距离工作面最远，里面蓄热条件好，温度高，但在窒息带内属于缺氧区，氧气浓度低于氧化下限值，不具备自燃条件；最容易发生自燃的是位于中间的氧化升温带，当氧化升温带持续蓄积热量升高温度同时有足够的氧气供应时，很容易发生采空区遗煤自燃。所以，影响工作面安全生产的重点区域是位于三带中间的氧化升温带。氧化升温带如图1所示[10]。

图1 氧化升温带示意图

通过大量的回归分析，得到采空区漏风流场自燃条件下的工作面长度l与自燃氧化带宽度Lm近似服从二次曲线关系式[10]：

式中，a，b为回归系数(a单位为m0.5，b单位为m)。

利用数值模拟的手段，计算不同工作面长度所对应的自燃氧化带宽度，然后确定a和b值。从上式可以看出，工作面越长自燃氧化区的宽度越大，对于煤层自然发火的防治越不利[10]。有关研究证明，工作面长度安全临界值(最大值)与煤的最短自然发火期成正比关系。

综上，除上述两项主要地质影响因素外，还有矿压、水文地质条件、地热条件等因素。总之，在彬长矿区工作面长度的确定存在影响因素多而复杂，确定难度大，目前尚未有全因素影响分析模型来准确提供理论指导。通过彬长矿区近十几年的煤矿开采经验总结，综放工作面长度安全临界值一般在180m，个别矿井可达到200m；一次采全高临界值为260m。彬长矿区部分煤矿工作面长度统计见表2。

表2 彬长矿区部分煤矿工作面长度统计表

4 工作面推进速度研究

工作面推进速度是生产管理时的重要指标，直接影响着矿井的产量。陕北一些高产高效矿井之所以可以达到工作面单产超千万吨甚至达两千万吨级的水平，其中最主要的一个因素就是推进速度快。目前许多矿井日进度突破24m，但这些矿井的开采技术条件都比较简单，而彬长矿区在多重灾害尤其是冲击地压的影响下，难以实现类似陕北地区的推进速度。与此同时，由于采空区防灭火的需求，彬长矿区矿井工作面回采速度也不能过慢，这就需要找出各矛盾影响因素的平衡点，使回采工作兼顾安全与效率。

快速推进工作面被公认为煤层自然发火防治的最佳措施。其原理是快速推进过程中使采空区中的三带快速的完成角色转换，使窒息带快速消失、氧化升温带快速转换为窒息带、冷却带快速转换成氧化升温带及新的冷却带的变换过程，在整个变换过程中采空区中同一区域位于氧化升温带的时间大幅减少，缩短了氧化升温带蓄积热量升高温度的过程，使其未达到氧化自燃所需热量的条件时就转换成窒息带，如此连续快速推进便是有效防治煤层自然发火的绝佳措施。反之，工作面推采速度过慢，使采空区内同一区域位于氧化升温带的时间增加，氧化升温带持续蓄积热量升高温度，工作面的通风风流可导致氧化升温带氧气浓度达到满足氧化自燃的条件，极易发生采空区遗煤自燃灾害。

除此之外，彬长矿区同时还存在冲击地压的影响，冲击地压诱发机理主要是由于煤层本身具有冲击倾向性，在采掘活动的影响下形成应力集中和弹性能量的聚集，当弹性变形能瞬间释放时产生突然而且剧烈的动力破坏现象，破坏性极大。而工作面快速推进会加剧应力集中和弹性能量的聚集，容易诱发冲击地压灾害的发生。

所以，在同时具备易自然发火和冲击地压两种灾害的情况下，出现了防治冲击地压要求不能快速推进而防治采空区发火要求工作面快速推进的矛盾。所以，工作面长度必须兼顾两者的平衡。两种灾害从优先级来考虑，应优先考虑目前最难防治的煤矿灾害——冲击地压，因为煤层自然发火除快速推进外还有采空区灌浆、注氮等防灭火措施。根据彬长矿区胡家河矿井生产实践证明，当工作面推采日循环6刀时，即大于4.8m/d，工作面压力监测数据出现异常，同时会出现煤炮等压力显现。目前，彬长矿业集团公司已将日进尺6刀煤作为防治冲击地压的推采速度上限，要求胡家河煤矿、小庄煤矿、文家坡煤矿等遵照执行。对于防灭火方面的实践经验是当工作面日推采循环小于4刀(即小于3.2m/d)，持续1个月以上时采空区CO会出现超标现象，出现发火征兆。所以，彬长矿区内同时具备冲击地压和自然发火两种灾害时的工作面最佳推采速度宜为3.2～4.8m/d，即每天4～6刀。

5 工作面推进长度分析

工作面推进长度直接影响到工作面搬家倒面的频率，间接影响矿井的生产能力。陕北一些地质条件简单的矿井，为了保证连续生产，缩短搬家倒面时间，工作面长度一度提升到6km以上。工作面推进长度一般受井田开拓部署、煤层赋存条件、开采技术条件和技术装备等较多因素影响。井田开拓部署主要指是采区单翼推进长度否具备布置长推进度工作面的条件；煤层赋存条件主要指是否受煤层倾角及断裂构造等影响；技术装备因素一般指成套综采设备的过煤量或大修周期，以及工作面运输、供电、供液等影响；而开采技术条件影响比较复杂，就本区矿井而言，影响最大的是底板及地压条件。彬长矿区主采煤层4号煤底板为铝土质泥岩，遇水膨胀，最大膨胀率20倍；该区域大部分矿井在工作面巷道掘进过程中由于强地压的影响，掘进困难，底板处理难度大，巷道成形差；另外，该区大部分矿井为高瓦斯矿井，工作面预抽时间均在6个月以上，工作面巷道维护时间较长。因此，若工作面推进长度过大，会造成工作面巷道掘进和维护困难。从彬长矿区的实践经验来看，工作面推进长度应控制在2.3km以内。彬长矿区部分煤矿工作面推进长度见表3。

表3 彬长矿区部分煤矿工作面推进长度统计表

6 结 论

1)放顶煤采煤方法有利于减缓顶板来压的弹性动能，有利于冲击地压防治，同时适合特厚煤层开采，是适宜彬长矿区的一种采煤方法。

2)彬长矿区受强矿压的影响和顶板洛河砂岩承压含水层的影响，割煤高度一般不超过3.5m；采用放顶煤时采放总高受导水裂隙带是否波及含水层与煤层间的有效隔水层的制约。

3)彬长矿区工作面长度受煤层自然发火和高瓦斯因素的制约，综放工作面长度安全临界值一般在180m，个别矿井可达到200m；一次采全高安全临界值可达260m。

4)彬长矿区工作面推进速度主要受冲击地压和煤层自然发火的影响，根据经验，同时具这两种灾害时的工作面推采速度宜为3.2～4.8m/d。

5)彬长矿区工作面推进长度受强矿压的影响较大，根据经验，工作面推进长度应控制在2.3km以内。