大海则煤矿厚煤层采煤方法的选择

雷佳(中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿，陕西 榆林 719000)

0 引言

众所周知，我国不仅是全球煤炭生产大国，同时也是煤炭消费大国，煤炭这一资源在我国能源结构中占据重要地位。根据我国的煤炭储量来看，其中厚度超过3.5m的厚煤层在全部煤炭资源中的储量为44%，其中厚煤层的产量在煤炭总产量中所占的比例为45%左右[1]。根据厚煤层的分布情况来看，其主要分布在我国大多数的产煤、区与各大煤炭集团公司中，当前厚煤层开采已经成为我国实现高效、安全开采的关键技术，其中针对千万吨级的矿井开采方式为厚煤层开采。伴随着科学技术的发展，设备制造工艺的不断提高，煤层埋深的逐渐加大，为机械化采煤快速发展奠定了坚实的基础，其中长壁采煤法的发展尤为突出；而厚煤层开采方法则主要有分层开采、放顶煤开采、大采高综采3种[2]。要建设高产高效矿井，选择适宜的采煤方法是关键，应按照煤层地质条件以及开采煤矿的经济条件决定选用哪种采煤方法，尽可能满足回采安全、产量大、煤质好、成本低、效率高等要求。

1 工程概况

大海则煤矿原属于神华集团神东煤炭公司，是一个规模较大的出口煤基地，大海则井田位于陕西省榆林市榆阳区西部，2号煤层厚度4.41～10.97m，平均厚度6.32m。煤层厚度由南向北渐变厚，规律明显，以厚-特厚煤为主，2号煤层在区内以埋藏浅、厚度大为显著特征。这一煤层结构较为简单，通常不含或者只含0.10m～0.35m厚的一层粉砂质泥岩夹矸。其直接顶板岩性主要是泥岩和粉砂质泥岩，直接底板岩性主要是泥岩和泥质粉砂岩。

2 煤层赋存条件

2.1 煤层倾角

煤层倾角对支架稳定性会产生直接影响。伴随倾角的增大，上覆岩层重力会沿着切向层面逐渐增大分量，沿着垂直法向层面的分量则逐渐减小，顶底板滑移量沿着层面逐渐增大[3]。如此一来，煤层工作面支架的垂直荷载较小，但承受着较大的侧向力，弱化支架的稳定性。大海则矿井对应的地质条件较为简单，2号煤层有0.6°倾角，属于近水平开采，方便使用大采高开采。

2.2 埋深

按照在多个矿区得到的经验，发现周期来压步距大多不超过20m，也就是支架支护强度不超过1.4MPa。根据架宽为2.05m来考虑，支架工作阻力则能达到15785kN。现阶段国内设计的采高为7m的液压支架的工作阻力最大能达到18000kN，可以满足大海则煤矿深部超大采高回采的支护要求[4]。

2.3 煤层厚度

2号煤层全矿井煤层厚度主要集中在5.0～7.5m之间，其中有87.65%的煤层厚度都在5.0～7.5m之间。根据当下超大采高综采技术的发展情况，超大采高综采中7m是一个界限，全矿井中有77.17%煤层的厚度都在5～7m之间。综合煤层赋存条件分析，2号煤层具备采用割煤高度5.6m和割煤高度6.9m的大采高综采煤层厚度条件。

3 安全生产条件分析

3.1 瓦斯

按照地质报告，通过对勘探瓦斯采样测试进行分析，发现2号煤层中含有瓦斯，每一克可燃物质中有0～5.14ml/g二氧化碳、0～0.38ml/g甲烷、0～0.02ml/g重烃。瓦斯的成分为：0～23.89%二氧化碳、0～18.14%甲烷、0～1.57%重烃。这表明煤层瓦斯就是属于二氧化碳-氮气带，如果使用超大采高综采方法，其工分带作面就会有较大的通风断面，可以使有害气体被有效稀释。

3.2 煤尘爆炸危险性

测试2号煤层，发现其火焰长度超过400mm，有90%的抑制煤尘爆炸最低岩粉用量，所以将其确定为存在爆炸危险的煤层，如果使用超大采高综采技术，就会增大煤尘绝对总量，应通过各种策略实施喷雾降尘，保证工作面回采的安全性[5]。

3.3 自燃倾向性

2号煤层煤的吸氧量0.68～0.74cm3/g，自燃倾向性等级为Ⅰ类和Ⅱ类，自燃倾向性属容易自燃和自燃。据周边资料，区域上的主采煤层露头均已自燃，榆横矿区中的小煤矿堆煤及巷道中的煤柱也有自燃现象发生，亦能说明该煤层易自然发火。设计按易自燃煤层采取综合预防煤层自然发火的措施。

3.4 顶底板条件

综合上述分析得出顶底板的条件如下：

(1)煤层顶板主要为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩为主，能够做到随采随冒。

(2)顶板的及时垮落能在一定程度上减缓支架的载荷和煤壁压力，防止片帮和冒顶。

(3)顶板强度中等，顶板完整度较好，利于大采高开采。

(4)煤层底板主要是泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，其中有69.8%是粉砂岩，有22.5%是泥岩，属于中等强度，对快速推移支架是有利的。

4 相似煤层开采条件类比分析

从大海则煤矿所处位置看，处于榆林地区。附近的井田均没有大规模开采，可借鉴的是神木地区的神东矿区几个超大采高开采的矿井和陕煤集团的红柳林煤矿。

上湾第一个大采高7m工作面和大柳塔矿大采高7m工作面的埋深都较浅，而大海则矿有较大的埋深，要加强对工作面矿压显现构成的分析，优化支架选型；顶板和底板条件没有明显的差异，当底板是泥岩时可能会使生产受到较大的影响，相比之下大海则煤矿具备较好的底板条件；大海则煤矿对应较软的矿体，在开采环节有遇到片帮问题的可能性，应适当借鉴开采上湾、大柳塔煤矿的经验。在开采赵庄煤矿时使用经过改进的ZY12000/28/62D型两柱掩护式液压支架，依托科学的采煤工艺和流程有效管理工作面现场，有序回采大采高工作面。在梁北煤矿的开采中运用台阶割煤、支架初撑力与正规循环率的提高、推进速度的加快等手段，对特殊地段进行注浆加固，确保工作面的生产正常而有序，在限产情况下达到月均单产15万t的标准。

综上，根据将大采高综采用于较软厚煤层的实践情况，发现工作面煤壁因为煤较软必然会发生片帮现象，利用改善支架结构或者提高初撑力或者加快推进速度、注浆加固、台阶割煤等方案)等措施，完全能够实现超大采高综采。

5 煤炭质量与效益

5.1 煤炭质量

从混矸率和回收率角度分析，2号煤一般不含或含1层厚0.10m～0.35m的粉砂质泥岩夹矸，若采用超大采高综采工艺，含矸率预计低于0.05%或甚至不含矸石。若采用大采高综放工艺，由于顶煤厚度较小，平均只有约2.9m，预计混矸率在5%～10%左右。混矸率和回收率是相互矛盾的，若要提高回收率，则免不了导致原煤混入矸石量增加，神华柳塔矿2-2煤层厚度7.3m，由于其直接顶强度较低，原煤含矸率较高，达9.38%，柳塔矿原煤输往临近的布尔台3000万t/a选煤厂，为了提高回收率，也容忍了一定的含矸率，在留有一定底煤的情况下，柳塔矿大采高综放工作面纯回收率仍达到了86.7%。

5.2 效益

从工作面定员来分析，超大采高综采工工作面自动化程度较高，一般一个综采队定员人数多为70～80人左右。大采高综放工工作面由于有放煤环节，一个综采队定员人数一般在100～120人左右，虽然国内有不少综放面采用电液控制系统，但在放煤时往往需要人工干预。

从推进速度和产量角度分析，超大采高综采工作面推进速度较快，一般日推进12～16m，年产原煤12.0～14.0Mt/a，补连塔矿22303工作面曾创出日割煤21刀，生产原煤5.28万吨的记录。而大采高综放工作面推进速度稍慢，一般日推进6～10m，年产量约在6.0～8.0Mt/a左右，据统计，国内大多数7～8m厚度煤层大采高综放工作面日产量多在2万吨左右。

6 大采高综采和综放工艺对比

6.1 工艺成熟度对比

从割煤高度分析，2号煤层平均厚度6.9m，若采用超大采高综采，国内现有的7.2m综采液压支架完全可以满足要求，若采用超大采高综放，适宜的割煤高度为4.0m，国内4.2m支护高度的大采高综放支架也比较成熟。

6.2 设备投资对比

从设备投资分析，300m长工作面设备投资在5～6亿左右，而大采高综放300m长工作面设备投资在3～4亿左右，超大采高综采设备投入较综放高1亿左右，这主要是超大采高进口采煤机和高强度支架费用较昂贵。

6.3 影响因素对比

根据对影响因素的分析来看，超大采高综采工艺要求设备具有较高的可靠性，而且煤壁片帮等会在一定程度上对快速推进工作面产生制约作用，然而超大采高工艺的好处就在于布置工作面较为简洁，管理也较为简单。大采高综采因为涉及到前后两部刮板，需要多点出煤，所以其工作面的操作及管理都较为复杂。除此以外，脆性煤体放煤顶煤的工作面会有很大的粉尘，因为2号煤顶板大多都是砂质泥岩，其强度比破碎块度小，容易提高混矸率，而且采空区遗煤容易留下自然起火隐患[6]。

7 结语

综合前述论证，从煤层条件、安全条件、相似煤层开采条件类比分析、煤质及效益、大采高综采和综放工艺对比5个方面比较分析认为，大海则煤矿2号煤层能够采用综放开采亦可以采用综采开采。并对可能采用的设备进行了选型，对回采工艺进行了研究。对比分析了大海则矿应用超大采高综采工艺和综放工艺的主要指标，认为2号煤层适宜采用超大采高综采，且分析的各项指标一般均优于综放开采，建议优先考虑综采开采方案。