三元煤业厚煤层大采高开采可行性研究

郭晓龙

（晋能控股煤业集团潞安煤炭事业部长治公司，山西 长治 046000）

煤炭是我国重要的一次消费能源，也是不可再生能源，如何提高煤炭资源的采出率对我国煤炭工业具有重要的意义[1-3]。对于厚煤层而言，采用大采高一次采全高回采工艺，可以有效提高煤炭资源的回收率，因此在地质条件适宜的情况下应广泛使用该工艺[4-5]。大采高工艺能够有效地提高通风断面，对稀释瓦斯浓度效果显著，并能够有效发挥工作面产能优势，在提高单产能力的同时，也可以提升煤炭资源回收率，提高企业的经济效益[6-8]。依据三元煤矿3#煤层赋存条件，通过对开采煤层附近岩层进行力学试验结合开采影响因素分析、煤壁稳定性实测等手段分析了3#煤层拟采用的大采高工艺的可行性。

1 大采高开采影响因素分析

三元煤业位于山西省长治市潞城区西南，生产能力2.60 Mt/a。目前三元煤业主采3#煤层，煤层厚度范围6.3～8.4 m，平均7.18 m，地质构造相对简单，煤层倾角一般在3°～7°，属近水平厚煤层。矿井瓦斯绝对涌出量16.38 m3/min，属高瓦斯矿井，煤尘具有爆炸倾向性，爆炸指数16.7%。目前3#煤层采用走向长壁综放全部垮落法采煤工艺，工作面割煤高度3 m左右，巷道及工作面通风断面较小，限制了风排瓦斯能力，同时，架后放煤造成工作面煤尘大，对工作面安全生产构成较大威胁。

1.1 煤层倾角

煤层倾角对支架的稳定性影响程度最大，倾角增大，使得作用在支架顶梁上方的覆岩载荷沿层面切向分量升高，外加支架自重在倾向分量上的叠加，导致支架下滑力增大，若倾角超过一定限度，将有支架倾倒的风险[2-3]。三元煤矿地质条件简单，基本无较大地质构造，3#煤层倾角平均6°，属近水平煤层，对大采高开采工艺的应用十分有利，但不排除局部倾角过大对生产造成影响的可能，在支架和工作面设计时应加以考虑。

1.2 埋深

随着回采工作面埋深的增大，采场围岩煤岩体所受的压力增大，支架承受覆岩动、静载荷随之升高，工作面液压支架支护能力需相应提高[4-5]。通过调研可知目前国内7.0 m大采高工作面主要分布在鄂尔多斯及榆林地区，煤层埋深多在300 m以内，山西赵庄煤矿、寺河煤矿埋深一般在400 m左右。三元煤矿3#煤层埋深在250～420 m之间，属中等埋深，能够满足大采高开采条件。同时结合目前国内大采高工作面的开采情况，国内设计的7 m大采高的工作面液压支架，工作阻力最高可达26 000 kN，可满足三元煤矿大采高回采的支护要求。

1.3 煤层厚度

统计三元煤矿地质钻孔数据，得出3#煤层等厚线及三维厚度图，如图1所示。

图1 3#煤层厚度等值线

分析图1可知，三元煤矿3#煤层厚度集中在5.9～7.9 m之间，且主要集中在7.0 m以下。统计分析可知，3#煤层厚度小于7.0 m的钻孔占到总钻孔数量的82%，说明三元煤矿3#煤层厚度较为一致，具备一次采全高的条件。

1.4 煤层裂隙发育情况

回采煤层附近岩层内部裂隙的发育程度对大采高工作面及巷道围岩的稳定性至关重要。为了得到大采高可行性分析的现实依据，在3301工作面顺槽每隔100 m的距离进行布点，针对三元矿3#煤层及顶板进行了现场钻孔窥视，煤层及顶板裂隙观测结果如表1所示。

表1 钻孔窥视观测结果

分析可知3#煤层裂隙多为横向裂隙，且裂隙发育均较为明显，其中3#煤层顶部2.6～3.4 m范围内顶煤多为明显的横向裂隙，其余部分多为微小裂隙，且较发育，3#煤层上方3.0～5.0 m范围内顶板均存在多处明显的横向裂隙。

1.5 顶底板物理力学试验

大采高工作面中由于采高加大，容易导致工作面煤壁片帮冒顶，煤层及顶底板的物理力学参数是分析大采高煤壁片帮冒顶的主要依据。在三元煤矿井底车场附近打钻收集3#煤层及其顶、底板岩(煤)样，依据通用标准进行物理力学性质测试实验，实验结果如表2所示。

表2 煤岩物理力学试验结果

分析可知，3#煤层强度较低，煤体的普氏系数平均为0.97，属于软弱煤层。通过与井田范围内其他矿井采用大采高回采的工作面进行类比，认为三元煤矿在使用一次采全高大采高开采时，工作面煤壁易发生大范围严重片帮冒顶现象。从寺河煤矿类似地质条件下大采高工作面现场片帮情况可知，回采工作面多出现与煤壁45°～60°夹角的片帮，此时若顶煤支护不及时，支架前方极易发生架前冒顶现象。因此从煤层硬度及煤层裂隙发育程度来讲，3#煤层若采用一次采全高大采高综采，工作面势必存在着大范围片帮冒顶问题，需采取积极有效的防片帮措施防止工作面大面积片帮冒顶现象。

2 工作面煤壁稳定性分析

2.1 煤壁稳定性数值模拟研究

基于煤岩物理力学试验结果，建立FLAC数值计算模型，分别模拟对比分析开采高度为4.0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m时煤壁的片帮及煤壁前方应力情况，模拟结果如图2所示。

图2 不同采高下煤壁的片帮情况（XDISP表示水平方向的位移量）

分析上图可知，随着采高的不断增大，煤壁片帮量明显增加。当工作面采高为4.0 m时，煤壁片帮量达到0.6 m，片帮位置发生在煤壁2～3.5 m的中上部区域；当采高增加至5.0～6.0 m时，煤壁片帮量明显增大，最大片帮量达到1.0 m，片帮位置仍处于煤壁中上部；当采高继续增加至7.0 m时，煤壁最大片帮量增至1.35 m。

2.2 工作面煤壁稳定性现场实测

为更好地分析3#煤层大采高综采的适应性，针对3#煤层一采区1309综放工作面煤壁的片帮情况进行了实测分析。1309综放工作面煤层厚度7.2 m，回采高度3.0 m，放煤高度4.2 m，煤层倾角1°～5°，工作面切眼长度210 m，工作面采用ZF4800/17/33型支架，支架支护强度0.78 MPa。煤层直接顶为厚度2.5 m的砂质泥岩，基本顶为泥岩、粉砂岩、细粒砂岩互层，平均厚度12.41 m。统计分析观测期间煤壁的片帮情况及支架工作阻力情况，如表3所示：

表3 观测期间工作面煤壁片帮统计

统计分析可知，3301综放工作面回采期间工作面整体存在片帮现象。主要片帮区位于工作面中部及机尾侧，最大片帮深度达1 m，片帮深度多集中在0.3～0.6 m之间。加快工作面推进速度可以有效降低片帮风险，当日推进速度为1.8 m时（2021年9月17日～9月18日），煤壁片帮深度超过0.6 m的占比超过20%；随着推进速度的加快，煤壁片帮深度明显降低，当日推进速度为3.2 m时（2021年9月24日、9月26日），煤壁片帮深度超过0.6 m的占比不足2%，降幅十分明显。因此提高工作面推进速度能够有效改善煤壁稳定性，降低片帮风险。此外，支架工作阻力偏低、初撑力不足也是导致煤壁片帮的主因。分别统计2021年9月18日、9月20日两天3301工作面的支架工作阻力情况发现，2021年9月18日工作面中部60#架～67#支架初撑力偏低，支架平均工作阻力不足2 000 kN，该区域最大片帮深度达0.85 m；9月20日工作面104#支架～108#支架初撑力偏低，最大片帮深度达1 m。由此可以看出，提高支架对顶板的控制效果可以有效降低煤壁片帮风险。

综合以上现场实测统计分析可知，3#煤层若采用一次采全高大采高开采，工作面煤壁片帮现象不可避免。采用一次采全高大采高回采具有一定的风险。为维护大采高煤壁的稳定性，需要在采取增大支架工作阻力、保证支架初撑力、跟机移架、严格控制采高、双回路供液、破碎区域煤壁注浆加固等一系列措施的基础上，在确保支架工作阻力，保证支架初撑力的前提下，加快工作面推进速度等措施可以明显减少煤壁片帮的发生[6-8]。同时可以采用台阶割煤、提高正规循环率，在特殊地段注浆加固以保证工作面正常生产，工作面通过加快推进速度，煤壁片帮严重时适当降低采高等可实现工作面安全高效回采。

3 结论

1）从煤层赋存条件及辅助运输条件来看，3#煤层倾角、埋深、煤层厚度及顶底板情况满足一次采全高大采高回采条件。

2）针对大采高煤壁的稳定性，通过数值模拟、现场实测，结合三元煤矿实际地质条件对大采高影响因素进行了分析，分析认为3#煤层若进行一次采全高大采高回采，工作面必然会发生煤壁片帮现象。

3）三元矿3#煤层若采用一次采全高大采高回采，工作面煤壁面临着大范围严重片帮冒顶的问题，但工作面可以通过采取增大支架工作阻力，加快推进速度，采用台阶割煤，提高正规循环率、特殊地段煤壁注浆加固等相关技术措施来避免工作面煤壁较大范围的片帮，以实现安全高效开采。