古城矿井首采盘区采煤工艺变更论证

刘 涛，许孟和 ，王中奎 ，赵正军

(1.山西煤矿安全培训中心，山西 太原 030012；2.潞安集团 古城煤矿，山西 长治 046100； 3.煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030000)

潞安集团古城矿井是国家发展和改革委员会批准新建的特大型矿井，井田面积157.299 3 km2，批准开采3号煤层，生产能力800万t/a。矿井采用斜、立井混合分区开拓方式。工业场地分开布置，分别为主井场地、副井场地、桃园风井场地。首采盘区为北一盘区和南一盘区，原批复的初步设计采用大采高一次采全厚综合机械化采煤法。

自2013年起，山西省实行产业转型，煤炭行业疲软，经济形势下滑严重。为节约投资，决定采用现已非常成熟的技术—综采放顶煤开采。为此，本文针对古城矿井3号煤层采煤工艺由大采高一次采全厚综合机械化开采变更为大采高一次采全厚综合机械化放顶煤开采进行了分析论证。

1 首采盘区3号煤层概况

古城矿井属高瓦斯矿井, 各煤层煤尘均有爆炸危险性，且不易自燃。地质构造总体简单，但波状起伏普遍发育，并伴有宽缓褶曲，致使局部地层倾角较大，其中影响北一盘区的褶曲有官庄背斜；影响南一盘区的褶曲有呈寺背斜、西史向斜。3号煤层倾角2～16°，其中南一盘区局部煤层倾角达16°。地温、地压未见异常。水文地质类型中等。煤层直接顶板为砂质泥岩、泥岩，局部为粉砂岩，稳定性差，结构松软，吸水软化，强度较低；老顶为中～细粒砂岩，为半坚硬～坚硬的岩石。

古城矿井煤层埋深498～688 m，煤层厚度5.89～6.70 m(含夹矸)，平均6.34 m，含泥岩、炭质泥岩夹矸0～2层，一般1层，其中距底板约0.80 m左右一层夹矸发育较为稳定(平均厚度0.22 m)。煤层变异系数Cr=0.14，属稳定性煤层。其中北一盘区3号煤层平均埋深535 m，厚度5.98～6.67 m(含夹矸)，平均6.38 m；南一盘区3号煤层平均埋深613 m，厚度5.89～6.70 m(含夹矸)，平均6.30 m。

2 采煤工艺影响因数分析

2.1 顶煤冒放性方面

1) 煤层埋深的影响。煤层开采深度对顶煤冒放性的影响实质上是支承压力对顶煤的压裂影响，一般来讲，埋深大于400 m的煤层，其冒放性好。古城矿井首采盘区煤层埋深498～688 m，冒放性较好，适用放顶煤开采工艺。

2) 煤层强度的影响。根据国内对综采放顶煤工作面和大采高综采工作面的实测统计研究结果表明，煤层强度是影响采用放顶煤或大采高的关键因素。一般来说，软煤(f≤1)和中硬煤(f=1～2)可放性较好，硬煤(f≥2)的垮落性最差，冒块常见大于1.0 m的块度，最大特点是支架后方常有悬空顶煤，放出率低。根据煤炭科学技术研究院有限公司2018年8月编制的《古城煤矿3号煤层瓦斯基础参数测试及瓦斯抽采半径考察研究报告》，首采盘区3号煤层普氏系数f实测结果为0.37～0.62，即f≤1，属于软煤，顶煤冒放性好，适合采用放顶煤开采。

3) 煤层厚度的影响。煤层厚度对顶煤冒放性的影响，实质上是综放工作面采放比的影响。直观来看，过薄的顶煤相当于伪顶，随采随冒，很难控制其在支架尾部垮落，可能超前漏顶，导致直接顶超前破碎到放煤口时，与顶煤混矸一起放出，影响煤质，会在控制一定灰分时易丢失大量顶煤；另一方面，过厚的顶煤不易垮落。在放煤过程中，上部顶煤松动缓慢而滞后垮落，这种冒落会与直接顶一起冒落，而使放煤含矸率增大。因此过薄或过厚的顶煤，亦或是综放工作面采放比不合理时，顶煤都是难以冒放的。

古城矿井首采盘区平均煤厚6.34 m，若采用放顶煤开采，采煤工作面割煤高度3.8 m，放煤高度2.54 m，采放比为1∶0.67，顶煤适中，采用放顶煤液压支架支护，支架的反复移架支架过程，对顶煤有一定的压裂作用，冒放性好。

4) 煤体节理裂隙发育的影响。对于放顶煤，煤层的节理裂隙发育程度影响顶煤的冒放性，节理越发育，对放顶煤越有利；但对大采高综采工艺来说，煤层的节理裂隙是不利因素，节理裂隙越发育，工作面发生片帮事故的概率随之增加。据井下现场实地观测，古城矿井首采盘区巷道及工作面片帮较多，3号煤层节理裂隙相对较发育，说明顶煤冒放性较好，有利于放顶煤综采工艺，而不利于大采高综采工艺。

2.2 生产能力方面

从潞安矿区邻近矿井的生产实践来看，300～350 m超长综采放顶煤工作面在余吾、高河等矿井得到成功应用，采用放顶煤采煤工艺，单个工作面生产能力能够达到400万t/a。本矿井开采技术条件与余吾煤业、高河能源类似。因此，采用放顶煤开采能够达产。

2.3 生产安全方面

北一盘区和南一盘区煤层局部最大倾角16°，初步设计中绝大部分工作面沿走向推进，无论何种采煤工艺，均需采取支架防倒措施，但由于大采高液压支架重量大，高度高，比放顶煤支架更易倾倒，生产安全管理难度更大。

3号煤层属于较软煤层，顶底板强度也比较低，对于放顶煤采煤工艺来说，煤层冒放性比较好，是有利的；但采用大采高一次采全厚采煤工艺，采高越高，煤层越软，易发生煤壁片帮，安全隐患较大。

放顶煤回采工艺在潞安集团已成功应用30多年，生产管理技术熟练，积累了非常丰富的实践经验，在我国放顶煤开采工艺应用及生产组织管理方面处于领先水平，生产安全有保障；大采高一次全厚采煤法虽然回采工艺简单，但在潞安集团应用较少，工程技术人员和工人缺乏经验，不利于安全高效生产。

综上所述，古城矿井更适合采用综采放顶煤采煤工艺。

2.4 设备投资方面

大采高一次采全厚工作面由于采高大，要求的支架支撑高度高，工作阻力大，支架重量大，设备功率高，造成工作面设备投资明显高于综采放顶煤工作面。根据市场调研，单个放顶煤综采工作面设备投资为22 615.87万元，较单个大采高综采工作面设备投资40 553.51万元，可节省44%的资金。因此，从投资角度考虑，宜采用综采放顶煤开采工艺。

3 结 语

1) 古城井田3号煤层埋藏较深、厚度变化较大，煤层较松软，顶底板均较软，顶煤冒放性较好，为保证安全生产，节约初期投资，实现高产高效，首采盘区更适应采用综采放顶煤采煤工艺。

2) 开采前，应制定防瓦斯、防尘、防水、采放煤工艺、顶板支护、初采和工作面收尾等安全技术措施。

3) 开采时，应充分考虑支架的侧向抗压能力，配置运输能力大的后部刮板输送机。

4) 开采过程中，应加强对主控岩层运动的研究与观测，加强上部采空区探测与防漏风的管理。

5) 古城矿井2018年11月21日进入联合试运转阶段，首采面采用放顶煤采煤法已安装完成并进行了试采，能够满足800万t/a的生产能力。