鄭建平

(陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

陽泉礦區(qū)是我國最大的無煙煤生產(chǎn)基地，15號煤(俗稱丈八煤)煤層厚度大、煤質好，是礦區(qū)主采煤層之一，但礦區(qū)內(nèi)地質構造發(fā)育、瓦斯含量高，煤層賦存條件較為復雜。

綜采放頂煤采煤法在1988年引入陽煤集團以來，一直是15號煤層的主要采煤方法，并為陽煤集團的持續(xù)發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻[1]。進入新世紀以來，伴隨著我國綜采設備制造技術的不斷進步，大采高綜采和大采高綜放開采技術也不斷蓬勃發(fā)展，創(chuàng)造了一個又一個的高產(chǎn)高效生產(chǎn)紀錄[2-5]。為不斷提高開采效率，陽煤集團近年來通過與各大科研院所合作，陸續(xù)引進和應用了大采高綜采和大采高綜放開采等先進采煤工藝，并積極推廣煤礦智能化開采技術。但采煤工藝的選擇有其適用性，尤其是特定的煤層地質條件是選擇采煤方法的先決條件[6-9]。本文以陽煤二礦81201工作面為工程背景，對厚煤層復雜地質條件下采煤方法的選擇進行了研究。

1 工程概況

81201工作面為陽煤二礦12采區(qū)首采工作面，工作面東、西、北三面均為實體煤，南部為12采區(qū)準備巷，埋藏深度為440～669m。工作面開采15號煤層，煤層總厚度平均為7.24m，含平均1.18m厚泥巖夾矸，煤層傾角為2°～8°，平均4°，掘進工作面瓦斯涌出量為1.5m3/min，無煤塵爆炸性，煤層不易自燃。工作面基本頂為12.29m厚的石灰?guī)r與泥巖互層，直接頂為2.28m厚的泥巖，頂板裂隙較為發(fā)育，直接底為2.28m厚的泥巖。工作面總體為一由東向西傾伏的單斜構造，其上發(fā)育次一級寬緩褶曲構造，陷落柱較發(fā)育，斷裂構造不發(fā)育。工作面走向長2062m，傾斜長220m，共布置進風巷、回風巷、內(nèi)錯尾巷、高抽巷4條巷道，回風巷和內(nèi)錯尾巷回風。巷道布置見圖1。

圖1 81201工作面巷道布置

2 采煤方法主要影響因素分析

2.1 地質構造

81201工作面內(nèi)的地質構造主要為陷落柱，其特點是數(shù)量多、尺寸大、分布范圍廣、對工作面回采影響大。根據(jù)上方3號煤層工作面回采過程中揭露的陷落柱構造預測，81201工作面回采范圍內(nèi)可能揭露的陷落柱為D82，D114，D115，D54，D100，D105，陷落柱位置分布如圖1所示，各陷落柱的預測尺寸以及對工作面回采影響預測如表1所示。當采用大采高綜采工藝回采時，由于機采高度增加，工作面割矸量也將隨之增大，因此，陷落柱對大采高工作面的影響程度將明顯大于綜放開采[10-11]。另外，陷落柱附近的煤巖強度降低，也將進一步加大大采高工作面煤壁與頂板的管理難度。

表1 81201工作面陷落柱尺寸及對工作面回采影響預測

2.2 頂板條件

為探究81201工作面頂板結構及裂隙發(fā)育情況，分別在工作面開切眼、進風巷和回風巷進行了頂板鉆孔窺視。圖2為81201工作面頂板窺視素描圖，根據(jù)頂板裂隙發(fā)育程度的不同，分為完整或較完整頂板、微小裂隙發(fā)育頂板、節(jié)理或層理裂隙發(fā)育頂板以及破碎或較破碎頂板4種類型。由圖2可知，81201工作面頂板裂隙整體較為發(fā)育，完整頂板占比較少，裂隙發(fā)育和破碎頂板占比較多，頂板完整性差。計劃探孔深度為10m，實際探孔深度多在5.0m左右，原因主要為頂板破碎發(fā)生塌孔、頂板離層以及頂板淋水影響導致探孔被迫終止。頂板破碎程度嚴重以及頂板淋水預計會對工作面回采過程中頂板控制造成不利影響，不利于大采高綜采的應用。

2.3 煤層強度

在81201工作面巷道掘進過程中對15號煤上下分層分別進行了取樣，并按照國家標準進行了物理力學性質試驗，得出15號煤力學性質測試結果如表2所示。15煤上抗壓強度平均為11.845MPa，15煤下抗壓強度平均為13.199 MPa，均屬松軟煤層，采用5.5m以上大采高綜采時煤壁片幫的危險性較大[12-13]。

圖2 81201工作面頂板鉆孔窺視素描

煤巖層試件編號抗壓強度/MPa平均抗壓強度/MPa彈性模量/GPa平均彈性模量/GPa泊松比平均泊松比15煤上1-112.8401-212.7731-39.9221-412.4401-518.10711.8452.43392.46081.62842.02652.02872.1740.3220.3160.3520.2330.2920.33015煤下2-116.5122-213.0282-310.0582-485.5142-583.71513.1992.44501.7449-9.642111.78212.0950.3570.290-0.1130.1340.324

2.4 煤層傾角

81201工作面整體平緩，煤層在傾向呈近水平分布，如圖3所示，76.8%的區(qū)域煤層傾角小于5°，傾角超過10°的區(qū)域比例僅占到2.2%。如圖4

所示，81201工作面進風巷整體以小角度仰采為主，最大不超過10°，俯采范圍較小，局部超過15°，對開采影響有限；回風巷以小角度仰、俯采為主，仰采和俯采角度大于10°的比例分別為0.9%和2.3%，對開采影響有限。因此，預計煤層傾角對81201工作面回采以及采煤方法選擇影響較小。

圖3 81201工作面傾角分布

圖4 81201工作面巷道走向角度分布(角度小于0表示俯采)

2.5 煤層及夾矸厚度

根據(jù)陽煤二礦12采區(qū)15號煤層相關地質鉆孔柱狀圖以及在81201工作面巷道過程中探煤鉆孔，生成12采區(qū)81201工作面頂煤、夾矸、底煤厚度分布圖，如圖5所示。

統(tǒng)計81201工作面頂煤、夾矸、底煤厚度及儲量如表3所示。結果顯示，81201工作面頂煤、夾矸、底煤平均厚度分別為3.97，1.18，2.08m，儲量分別為2.3082，0.9817，1.2089Mt，煤層(含夾矸)總厚度平均為7.24m，煤炭凈儲量為3.4949Mt。

圖5 81201工作面頂煤、夾矸和底煤厚度等值線分布

表3 81201工作面煤層和夾矸厚度、儲量統(tǒng)計

根據(jù)目前81201煤層賦存特征以及陽煤集團15號煤層開采經(jīng)驗，有割煤高度6.5m大采高綜采、割煤高度4.5m大采高綜采開采15煤上以及綜采放頂煤等3種開采方法可供選擇。煤層夾矸巖性為泥巖，強度較低，堅固性系數(shù)f≤4.0，采用放頂煤開采時，可選擇生產(chǎn)能力和割煤高度較大的大采高綜放開采，配備大功率采煤機，實現(xiàn)夾矸的直接切割，減小夾矸對放頂煤的影響。3種開采方法技術指標對比如表4所示，計算時大采高綜放的割煤高度取3.8m。

從出煤量與出矸量可知，在不考慮頂板混矸的情況下，采用4.5m大采高只開采15煤上時，采出夾矸率為0，但出煤量和煤炭采出率最低。若只采上層煤棄采下層煤，會造成煤炭資源浪費嚴重，而采用分層開采上下層煤時，采法工序復雜，開采效率低[14]，并會打亂采掘銜接計劃，因此不建議采用該種開采方法。采用6.5m大采高綜采時，由于需要留一定厚度底煤，實際煤炭采出率低于3.8m大采高綜放開采，含矸率也略高于3.8m大采高綜放開采。且根據(jù)工作面煤層賦存條件及陽煤集團大采高綜采使用經(jīng)驗，采用6.5m大采高綜采時煤壁和頂板的管理難度很大，受陷落柱等地質構造的影響程度也更大，另外，布置一個大采高工作面的初期設備投資也遠大于綜放工作面。

表4 81201工作面3種采法條件下技術參數(shù)

注：15號煤容重取1.4t/m3，夾矸容重取2.0t/m3，割煤采出率取93%，放煤采出率取80%。

因此，綜合煤層開采條件以及經(jīng)濟、安全性等3方面對比分析，認為大采高綜放開采是81201工作面合理的采煤方法。

3 大采高綜放工作面割煤高度確定

綜放工作面割煤高度的確定主要考慮煤壁穩(wěn)定性以及頂煤冒放性兩方面因素，割煤高度的增大有利于頂煤的充分破壞，但不利于煤壁穩(wěn)定性的管控。以陽煤二礦81201工作面煤層賦存條件為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對綜放開采不同割煤高度下煤壁穩(wěn)定性及頂煤冒放性進行了分析，如圖6所示。以煤壁最大水平位移量來表征煤壁穩(wěn)定性，以頂煤拉伸破壞面積占支架上方頂煤總面積的比值來表征頂煤冒放性好壞，并將該系數(shù)定義為頂煤拉伸破壞性系數(shù)，且將頂煤拉伸破壞系數(shù)大于50%作為判斷頂煤冒放性好壞的臨界值。

圖6 割煤高度4.0m時煤壁及頂煤體塑性區(qū)分布情況

圖7為割煤高度4.0m時煤壁及頂煤體塑性區(qū)分布情況。

圖7 不同割煤高度煤壁最大水平位移和頂煤拉伸破壞性系數(shù)

如圖7所示，隨著割煤高度的增加，煤壁最大水平位移和頂煤拉伸破壞性系數(shù)均呈增大趨勢；當工作面割煤高度達到3.0m以上時，頂煤具有良好的冒放性，割煤高度繼續(xù)增大時，主要考慮煤壁穩(wěn)定性的影響；當割煤高度達到4.0m時，煤壁最大水平位移增加量明顯超過頂煤拉伸破壞性系數(shù)的增加量，因此從煤壁穩(wěn)定性的角度考慮，工作面割煤高度不宜超過4.0m。

考慮煤層夾矸厚度及發(fā)育層位，工作面割煤高度應不低于3.26m，最終取81201工作面割煤高度為3.8m，放煤高度為3.44m，采放比為1∶0.9。

4 結 論

(1)陽煤二礦81201工作面陷落柱構造發(fā)育，頂板破碎，煤層松軟，不利于大采高綜采的應用。

(2)對比6.5m，4.5m大采高綜采以及3.8m大采高綜放開采3種采煤工藝可知，3.8m大采高綜放開采煤炭采出率最高，且含矸率低于6.5m大采高綜采。通過煤層開采條件以及經(jīng)濟、安全性綜合分析，認為大采高綜放開采具有明顯優(yōu)越性。

(3)通過綜放開采不同割煤高度下煤壁穩(wěn)定性及頂煤冒放性的數(shù)值模擬分析，得出81201工作面割煤高度應不高于4.0m，并考慮夾矸厚度及發(fā)育層位影響，最終取工作面合理割煤高度為3.8m。