煤层赋存特性及其对回采工艺的影响研究

2019-05-07裴斌

山东煤炭科技 2019年4期

裴斌

（山西省晋神能源生产服务中心，山西忻州 034000）

晋神能源沙坪煤矿13#煤层平均厚度为16.84m，煤层结构复杂，一般含夹矸3～6层，夹矸厚度0.05～1.93m，岩性为泥岩或炭质泥岩。经地质钻孔揭露，13#煤层存在分叉，分叉区域上下煤层的层间距为1.16～9.35m，分层夹矸岩性一般为粉砂岩至中粗岩。目前，针对10m以上特厚煤层国内采用的回采方法有分层综采和综放开采两种，沙坪煤矿现有采煤方法为大采高综采一次采全高，适合开采厚度5m以下煤层，而13#煤层工作面为一次性复合特厚煤层综放开采，开采条件复杂。因此，根据国内外特厚煤层开采技术发展现状，结合沙坪煤矿13#煤层厚度及煤层赋存特点，选择合理的综放工艺是实现13#煤层安全高效高回采亟需解决的问题。

1 13#上、13#煤层赋存特征

利用井田范围内的25个钻孔地质勘探与测井成果，分别对煤矸合厚、纯煤厚度、夹矸厚度等进行统计，同时运用Surfer软件绘制13#上、13#煤层特征分布云图，综合分析研究沙坪煤矿13#上、13#煤层结构与赋存特征，对采煤方法选择分区域评价具有极为重要的意义。

1.1 煤层钻孔概况

经钻孔探测得出的井田范围内石炭系厚煤层分布为：（1）13#上煤层厚度4.57～9.39m，平均5.92m；（2）13#上煤层与13号煤层间距1.16～9.35m，平均5.61m，主要分布一盘区；（3）13#煤层厚度6.1～22.22m，平均16.84m；13#煤层夹矸层数1～18层，夹矸累计厚度0.43～9.47m。沙坪矿二盘区13#上煤层与13#煤层合并，合并煤层统称为13#煤层。一盘区13#煤层分叉为13#煤层与13#上煤层，分叉区域煤层埋深、夹层厚度及钻孔编号和坐标如表1所示。

表1 13#煤层与13#上煤分叉钻孔信息统计

1.2 13#上煤层赋存特征及夹层厚度变化

13#上煤层及夹层厚度等值线和三维线框如图1、图2所示，在一盘区划分的工作面内，靠近井田边界处的13#上煤厚度较大，基本在4.5m以上；越靠近井田内部，13#上煤层厚度越小，经5～7个工作面揭露，煤层厚度从9.5m变薄至0.5m。13#上煤层与13#煤层夹层厚度在一盘区北面呈中间厚四周薄的分布特征，最厚处达9m以上，最薄处1m；一盘区南面，夹层厚度呈单斜构造，从西南边界处至井田内部，厚度从8m减小至1m。

图1 13#上煤层厚度等值线

图2 13#上煤层厚度三维线框图

1.3 13#煤层赋存特征分析

13#煤层厚度分布特征如图3和图4所示。从图中可以看出，13#煤层厚度分布在12～15m的范围为分叉区域，属一盘区；二盘区13#煤层厚度未出现分叉现象，大部分区域煤层厚度在15m以上。

图3 13#煤层厚度等值线

图4 13#煤层厚度分布三维线框

2 工作面回采工艺分析

2.1 分层开采与整层开采优缺点

采用分层开采时，由于上下分层距离较近，上煤层回采留设煤柱引起应力集中，造成下部煤层工作面顶板管理困难，增加了煤柱煤炭损失，影响了煤层开采的经济性。相对于煤层整层综放开采，分层开采时每层煤每个工作面均需要多掘进两条巷道，一条切眼，造成巷道掘进、支护及维护费用增加。工作面设备的投资费用高于综采放顶煤一次采全高回采。

分层开采安全上面对的问题有火灾和顶板方面。考虑到13#煤层属自燃煤层，分层开采自然发火的几率将大幅度增加。受上部煤层采动影响，开采下部煤层工作面时顶板和巷道管理困难，开采效率低，13#煤层厚度大所具有的单位面积储量上的优势反而变成了开采经济效益上的劣势。但上部煤层预先开采形成解放层，有利于下部煤层瓦斯释放。

采用一次采全厚综放开采避免了煤柱的损失，降低巷道掘进率，降低吨煤生产成本，提高工作面生产效率。这种采法的设备与相同产量的分层开采相比，使用时间短，过煤量少，设备使用寿命延长。由于割煤高度降低，放煤高度增大，回收率降低，但幅度较小。整层开采会将13#煤层间顶板放出，混矸率增加。

13#煤层整层开采面临的安全问题主要有顶板管理和通风等问题。整层开采有效地降低了煤层自然发火的可能性，改善了自燃煤层的管理。从顶板管理角度分析，13#煤层开采一次采出煤厚较大，回采强度增大，工作面压力显现剧烈，同时造成了更大范围的顶板运动，煤体在基本顶回转压力下发生破坏而冒落，从而保证了顶煤能够充分破碎。另一方面，一次采出煤厚增大使工作面瓦斯涌出量较综采工作面要大，要求有足够大的通风断面来满足工作面配风量要求。

2.2 根据分层厚度分析布置方式

沙坪煤矿整个井田区域内工作面划分如图5所示，一盘区内有13个工作面范围内的煤层出现了分叉，分叉为13#上煤层和13#煤层，如图5中虚线圈出部分。通过对分层综放和整层综放的优缺点分析及沙坪煤矿13#煤层厚度及煤层特点，13#煤层厚度较大，适宜采用综放开采方法，其中北翼阴影区域13#上煤层为厚煤层，共6个工作面，可采用大采高综采开采方法先回采。

在一盘区南翼与二盘区共有20个工作面范围内的13#上煤层与13#煤层合并（亦可称13#煤层未出现分叉），此区域煤层厚度较大，赋存条件优越，可采用整层综放开采方法。

13#上、13#煤层层间岩层是影响采法选择的主要因素，层间岩层的厚度决定了顶煤的冒放性和原煤含矸率，因此，在选择整层综放开采时，要求13#上、13#煤层层间距应该尽可能小，通过对一盘区、二盘区各煤层以及层间岩层厚度进行的统计分析，最终确定了各区域采用的采煤方法，即一盘区北翼工作面采用上分层综采、下分层综放开采，一盘区南翼、二盘区工作面采用整层综放开采。