伊永杰，李化敏，程志斌

(1.國(guó)能神東煤炭保德煤礦，山西 忻州 036600；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000；3.河南理工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，河南 焦作 454000)

0 引 言

我國(guó)一些大型產(chǎn)煤區(qū)煤層厚、傾角小，具備很好的開(kāi)采條件。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的趨勢(shì)下，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)對(duì)煤炭的需求量急劇攀升。為滿足快速增加的能源需求，就需要采用既安全又高效的開(kāi)采方法。20世紀(jì)80年代產(chǎn)生了放頂煤開(kāi)采工藝，經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，放頂煤開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，產(chǎn)量迅速提高。如大同塔山煤礦在近20 m厚的煤層中應(yīng)用綜放開(kāi)采技術(shù)，工作面年產(chǎn)達(dá)15 Mt水平；平朔井工礦在14 m厚煤層中應(yīng)用綜放開(kāi)采技術(shù)，綜放工作面年產(chǎn)達(dá)10 Mt水平。在放頂煤開(kāi)采工藝不斷發(fā)展成熟的同時(shí)，大采高技術(shù)[1-3]也取得了較快發(fā)展。隨著綜采液壓支架高度的不斷加大，煤層的一次采全厚的高度也越來(lái)越大。 晉煤集團(tuán)寺河煤礦開(kāi)采平均煤厚6.4 m的3#煤層時(shí)，在2307工作面采用一次采全高開(kāi)采方法，原煤工效達(dá)到152 t/工；神東上灣煤礦最大采高達(dá)8.8 m，單個(gè)工作面最高日產(chǎn)5.84×104t、最高月產(chǎn)1.46 Mt。

在綜放開(kāi)采技術(shù)從引進(jìn)至今近40年的時(shí)間里，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)綜采放頂煤開(kāi)采與大采高綜采技術(shù)進(jìn)行了研究，取得了豐碩成果。李佳佳等[4]、趙鐵林等[5]、吳利軍[6]、吳彥霞[7]分析頂煤冒落形態(tài)的影響因素和冒落頂煤體的物理力學(xué)特征，得出了提高頂煤采出率準(zhǔn)則。梁小龍[8]、蘇波[9]對(duì)綜放工作面采放工藝過(guò)程、放頂煤開(kāi)采采放工藝參數(shù)匹配方式和綜放工作面設(shè)備能力匹配關(guān)系進(jìn)行分析，提出了循環(huán)作業(yè)方式的循環(huán)工時(shí)及工作面各環(huán)節(jié)煤流量計(jì)算公式，為綜放面工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、優(yōu)化采放工序、提高頂煤回收率和單產(chǎn)提供依據(jù)[10-12]。郝利生[11]、申磊[12]采用PFC數(shù)值模擬方法，針對(duì)大傾角松軟特厚煤層展開(kāi)了采放工藝優(yōu)化研究。閻煒[13]、楊玉海[14]為了解煤壁采動(dòng)裂隙的演化規(guī)律，采用了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和仿真模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，并對(duì)煤壁失穩(wěn)現(xiàn)象用滑移線理論進(jìn)行研究。李紹琿[15]、陳寧[16]、王國(guó)勛[17]為總結(jié)影響工作面煤穩(wěn)定性的各種因素，采取了建立了大采高工作面煤壁滑面力學(xué)模型，并利用了邊坡穩(wěn)定性理論和概率分析方法。張釗[18]為得到煤壁的撓度特征和失穩(wěn)機(jī)理，以完整性較好的煤壁作為硏究對(duì)象，采用壓桿理論進(jìn)行了研究分析。

目前，針對(duì)超大采高綜采的相關(guān)研究較少，本文基于保德煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、理論分析等方法，從煤層賦存條件、覆巖結(jié)構(gòu)、煤層回采率、冒放性、類似礦井大采高情況、經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行不同開(kāi)采方法的適應(yīng)性評(píng)價(jià)，為保德煤礦高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供參考依據(jù)，同時(shí)為類似礦井的選擇合理開(kāi)采方法提供方法借鑒。

1 工程背景

1.1 保德煤礦開(kāi)采方法沿革

保德煤礦是神東煤炭集團(tuán)所屬骨干礦井之一，目前主采8#煤層，該煤層共分為5個(gè)盤區(qū)，分別為一盤區(qū)、二盤區(qū)、三(上)盤區(qū)、三(下)盤區(qū)和五盤區(qū)。

2011年以前，保德煤礦主要采用大采高綜采技術(shù)，開(kāi)采范圍為一盤區(qū)全部工作面、二盤區(qū)81201工作面～81203工作面、三上盤區(qū)81301工作面～81303工作面以及五盤區(qū)81501工作面。隨著煤層厚度變厚、煤層傾角變化較大等情況的出現(xiàn)，導(dǎo)致綜采工作面回收率降低、工作面支架穩(wěn)定性差、易出現(xiàn)強(qiáng)礦壓等問(wèn)題，在經(jīng)過(guò)綜放開(kāi)采的可行性論證后在8#煤層應(yīng)用綜放開(kāi)采。使用放頂煤開(kāi)采后發(fā)現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)和不足之處，優(yōu)勢(shì)主要包括以下方面：①工作面回采率增加；②工作面使用兩柱放頂煤支架，工作阻力高，不會(huì)出現(xiàn)片幫、漏頂，礦壓得到了有效控制；③割煤高度低，支架重量小、投資少。不足主要包括以下方面：①工作面多出后方放煤系統(tǒng)，投入增加；②工藝環(huán)節(jié)及現(xiàn)場(chǎng)管理復(fù)雜；③在采用兩柱式放頂煤支架的情況下，支架有效合理作用范圍小，在拉架、放煤過(guò)程中將導(dǎo)致支架頂煤漏空，支架合力作用點(diǎn)前移，在低載荷條件下支架容易達(dá)到或超過(guò)額定工作面阻力，對(duì)頂板控制不利。

1.2 地質(zhì)條件

8#煤層未開(kāi)采區(qū)為二盤區(qū)及三(下)盤區(qū)，每個(gè)盤區(qū)計(jì)劃布置8個(gè)工作面。開(kāi)采前對(duì)該區(qū)域煤層及頂?shù)装宓那闆r進(jìn)行了探測(cè)。

1) 煤層厚度。通過(guò)對(duì)二盤區(qū)及三(下)盤區(qū)地質(zhì)打孔，將各鉆孔煤厚進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 計(jì)劃開(kāi)采區(qū)煤厚分布統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of coal thickness in planned mining area

2) 煤層埋深。對(duì)地質(zhì)鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，二盤區(qū)煤層埋深280.31～555.40 m，平均埋深404.35 m；三(下)盤區(qū)煤層埋深320.00～645.82 m，平均埋深497.27 m。

3) 頂?shù)装濉?#煤層二盤區(qū)直接頂主要為泥巖，厚度3.40～11.33 m，抗壓強(qiáng)度21.4 MPa，底板為細(xì)粒砂巖，厚度0.57～2.50 m，抗壓強(qiáng)度26.7 MPa，三(下)盤區(qū)直接頂主要為泥巖，厚度0.85～10.35 m，抗壓強(qiáng)度13.8 MPa，底板為泥巖，厚度0.93～7.90 m，抗壓強(qiáng)度22.1 MPa。

2 不同開(kāi)采方法的礦壓顯現(xiàn)特征

基于保德煤礦前期的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，一次采全高開(kāi)采方法條件下的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)頻率和次數(shù)均大于綜采放頂煤開(kāi)采方法，說(shuō)明不同開(kāi)采方法下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律不同。為了對(duì)比不同開(kāi)采方法下厚煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，分別統(tǒng)計(jì)8#煤層采用大采高一次采全高與放頂煤開(kāi)采時(shí)，工作面的礦壓礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表2和圖1。

表2 工作面礦壓監(jiān)測(cè)記錄表Table 2 Monitoring record table of working face mine pressure

由圖1可知，綜放工作面的初次來(lái)壓步距以及周期來(lái)壓步距均大于大采高綜采工作面。在初次來(lái)壓方面，綜放工作面平均來(lái)壓步距為61.23 m，大采高綜采工作面平均來(lái)壓步距為30.70 m，降低約49.9%；在周期來(lái)壓方面，綜放工作面平均來(lái)壓步距為20 m，大采高綜采工作面平均來(lái)壓步距為9.4 m，降低約53%。綜放工作面周期來(lái)壓強(qiáng)度小于大采高綜采工作面，綜放工作面平均周期來(lái)壓強(qiáng)度為40.26 MPa，大采高綜采工作面平均來(lái)壓強(qiáng)度為46.45 MPa，增大約15.4%。

圖1 綜放工作面與綜采工作面礦壓對(duì)比柱狀圖Fig.1 Comparison map of mine pressure between fully mechanized caving face and mining face

因此，綜放工作面由于在放煤過(guò)程中頂煤充當(dāng)了直接頂垮落時(shí)的“墊層”，使得工作面的壓力分為了割煤和放煤兩個(gè)階段，在頂板來(lái)壓時(shí)有一部分力將轉(zhuǎn)換為破煤時(shí)的壓力從而減緩來(lái)壓強(qiáng)度。同時(shí)，由于綜放工作面頂煤放不能完全放出，因此在采空區(qū)也可以形成一定的碎漲填充空間，從而使得工作面的來(lái)壓步距有所增加，同時(shí)使頂板的周期性破斷變?yōu)閺木徛膹澢磷罱K破斷的過(guò)程，這也在一定程度上削弱了周期來(lái)壓強(qiáng)度。

3 開(kāi)采方法適應(yīng)性評(píng)價(jià)

為了選擇8#煤層更好的開(kāi)采方法，從煤層賦存條件、覆巖結(jié)構(gòu)、煤層回采率、冒放性、類似礦井大采高情況、經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行開(kāi)采方法的適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

3.1 煤層賦存條件

1) 煤層厚度。根據(jù)煤厚占比數(shù)據(jù)可知，二盤區(qū)煤厚以7～9 m為主，若采用大采高綜采技術(shù)，最大采高超過(guò)8 m，且8#煤層頂板裂隙發(fā)育、完整性差，存在片幫冒頂風(fēng)險(xiǎn)。

2) 煤層埋深。對(duì)地質(zhì)鉆孔資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，8#煤層二盤區(qū)煤層埋280.31～555.40 m，平均埋深404.35 m。三(下)盤區(qū)煤層埋深320.00～645.82 m，平均埋深497.27 m，8#煤層埋深變化較大，最大高差達(dá)325.83 m。隨著采深的增大，采場(chǎng)圍巖壓力增大，巖層移動(dòng)更加劇烈，頂板及上覆巖層移動(dòng)變形強(qiáng)化，因此推測(cè)8#煤層在開(kāi)采過(guò)程中工作面及巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度變化較大，采用綜采放頂煤方法具有更強(qiáng)的適用性。

3) 煤層傾角。煤層傾角是影響液壓支架穩(wěn)定性的重要因素，當(dāng)煤層傾角較大時(shí)，支架上覆巖層的重力切向分量較大，而法向分量較小，使得支架所受側(cè)向應(yīng)力變大，支架穩(wěn)定性相對(duì)減弱；同時(shí)，支架所受合力作用線遠(yuǎn)離底座，發(fā)生重心偏移現(xiàn)象，加劇了支架失穩(wěn)的可能性。8#煤地層屬單斜構(gòu)造，根據(jù)地質(zhì)鉆孔鉆探結(jié)果，計(jì)劃開(kāi)采區(qū)域的煤層傾角普遍在9°左右。在使用大采高支架情況下易發(fā)生受力不均、支架傾斜等情況，影響支架穩(wěn)定性。

4) 煤體強(qiáng)度。煤層強(qiáng)度影響煤壁穩(wěn)定性最主要的因素。保德煤礦8#煤層呈層狀、線理及條帶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部?jī)?nèi)生裂隙發(fā)育。經(jīng)測(cè)定，8#煤層抗壓強(qiáng)度為11.2 MPa，普氏系數(shù)為1.1，屬軟煤層。若采用大采高綜采工藝時(shí)，采高增大，煤壁片幫的危險(xiǎn)性高、煤壁控制難度增大，綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)可有效緩解該問(wèn)題。

5) 瓦斯、煤塵及自燃特性。①根據(jù)礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果，8#煤層礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為129.03 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為11.20 m3/t，為高瓦斯礦井；②據(jù)煤塵爆炸鑒定報(bào)告，煤塵具有爆炸性；③8#煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類，為自燃煤層。在瓦斯、煤塵及自然發(fā)火方面，兩種開(kāi)采方法均需加強(qiáng)瓦斯、降塵抑爆及防滅火等安全措施的實(shí)施及管控工作。

6) 頂?shù)装?。該煤層頂?shù)装宥酁槟鄮r，抗壓強(qiáng)度低，遇水易軟化，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)位于28.03%～83.98%，整體穩(wěn)固性較差?；夭蓵r(shí)會(huì)對(duì)工作面頂板控制帶來(lái)較大困難，不利于大采高綜采工作面圍巖控制。

7) 地質(zhì)條件。①地質(zhì)構(gòu)造。8#煤層在開(kāi)采過(guò)程中井下揭露斷層共計(jì)56條斷層，皆為正斷層，落差全部小于5 m，落差在3～5 m之間的斷層4條，其余斷層落差小于3 m。②裂隙帶。井田裂隙帶較為發(fā)育，在生產(chǎn)中揭露11條裂隙帶，均呈組分布，走向與煤層近一致，寬度在80～120 m，間距在100～150 m，裂隙傾角大于70°，裂隙存在層間滑動(dòng)，受裂隙帶的影響，礦區(qū)頂?shù)装遢^為破碎。③沖刷構(gòu)造。一盤區(qū)沖刷構(gòu)造在81111工作面和81112工作面靠近切眼段，沖刷體巖性為灰白色中、細(xì)砂巖，屬半堅(jiān)硬型，水平層理較為發(fā)育，局部為斜層理。受沖刷影響81111工作面煤層最薄處僅為0.2 m，沖刷體寬度為125 m。三盤區(qū)沖刷范圍大，井田內(nèi)最大寬度2 895 m，受此沖刷構(gòu)造影響，煤層以及頂板形碎帶嚴(yán)重，給掘進(jìn)及回采帶來(lái)困難。

綜合8#煤層賦存條件，二盤區(qū)及三(下)煤層較厚，頂?shù)装逋暾暂^差，裂隙較為發(fā)育，破碎頂板占比較多，且地質(zhì)條件復(fù)雜，更適合放頂煤開(kāi)采。

3.2 覆巖結(jié)構(gòu)

大采高綜采面回采過(guò)程中，其覆巖失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)特征如下所述。

1) 隨著工作面開(kāi)采范圍增大，頂板垮落后形成懸頂，并周期性斷裂，頂板以“組合梁”的形式存在。

2) 大采高開(kāi)采空間大，冒落頂板在初始階段密實(shí)度較低，在覆巖頂板的載荷作用下采空區(qū)冒落頂板壓縮量不斷增大，當(dāng)頂板的允許下沉空間超過(guò)覆巖頂板斷裂失穩(wěn)的極限下沉量時(shí)，破斷塊體間呈非鉸接頂板結(jié)構(gòu)形態(tài)直接作用于采空區(qū)冒落矸石及下部組合懸梁結(jié)構(gòu)上方。當(dāng)組合懸梁上方為軟弱頂板巖層，非鉸接頂板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為組合懸梁結(jié)構(gòu)。當(dāng)上方頂板巖層硬度較大時(shí)，頂板非鉸接結(jié)構(gòu)破斷尺寸較大，破斷頂板塊體向采空區(qū)側(cè)延伸，受采空區(qū)矸石作用面積較大，采空區(qū)矸石支撐作用增強(qiáng)，從而減弱了對(duì)下方組合懸梁結(jié)構(gòu)的作用。

3) 隨著開(kāi)采空間的不斷擴(kuò)大，采空區(qū)冒落矸石塊體間的密實(shí)度增加，對(duì)覆巖頂板破斷運(yùn)動(dòng)的支撐作用逐漸增強(qiáng)。非鉸接頂板之上的堅(jiān)硬巖層斷裂后，破斷塊體間相互擠壓形成鉸接頂板結(jié)構(gòu)。

4) 在頂板鉸接結(jié)構(gòu)上方由于頂板允許的下沉空間很小，因此其上覆頂板巖層為非貫通斷裂，呈彎曲下沉狀態(tài)。組合懸梁結(jié)構(gòu)、非鉸接頂板結(jié)構(gòu)是鉸接頂板結(jié)構(gòu)與工作面支架間相互作用的媒介，鉸接頂板結(jié)構(gòu)是影響工作面礦壓顯現(xiàn)的主要因素，非鉸接頂板結(jié)構(gòu)的周期性斷裂失穩(wěn)，會(huì)對(duì)工作面產(chǎn)生較小的周期性壓力。

綜放工作面采空區(qū)由破碎頂煤和破斷直接頂共同填充，相較于大采高綜采，綜放工作面采空區(qū)上方為頂板下沉提供的空間更小，基本頂允許下沉空間小于覆巖頂板斷裂失穩(wěn)的極限下沉量，基本頂破斷巖塊形成相互鉸接的大變形梁結(jié)構(gòu)。當(dāng)工作面頂板為極堅(jiān)硬厚煤層且形成懸臂梁結(jié)構(gòu)時(shí)，工作面會(huì)在其上位巖層中的較堅(jiān)硬巖層形成老頂組合平衡巖梁。

煤層性質(zhì)是綜放面頂板大變形巖梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的決定性影響因素，若上覆巖層傳遞的壓力超過(guò)頂煤的承受極限，頂煤卸壓、釋放能量。頂煤完全破碎時(shí)，其無(wú)法傳遞載荷，起到“墊層”的作用，使頂板運(yùn)動(dòng)對(duì)支架的影響較??；頂煤不完全破碎時(shí)，其仍具備一定的支撐能力，支架受到的頂板壓力受頂煤強(qiáng)度影響較大。

大采高綜采工作面覆巖頂板整體呈現(xiàn)“組合懸梁結(jié)構(gòu)-非鉸接頂板結(jié)構(gòu)-鉸接頂板結(jié)構(gòu)”的結(jié)構(gòu)特征，而綜采放頂煤基本頂破斷巖塊形成鉸接的大變形梁結(jié)構(gòu)，且有頂煤作為緩沖層，可有效減小頂板來(lái)壓強(qiáng)度。

3.3 回采率

將二盤區(qū)與三(下)盤區(qū)煤層厚度統(tǒng)計(jì)可知，煤層厚度變化大，當(dāng)大采高綜采的設(shè)計(jì)采高不同時(shí)，對(duì)于煤層是否能夠整層開(kāi)采影響較大。根據(jù)神東礦區(qū)大采高應(yīng)用情況和目前支架的發(fā)展情況，分析采高為5.0 m、5.5 m、6.0 m、6.5 m、7.0 m、7.5 m、8.0 m、8.5 m兩個(gè)盤區(qū)的煤層回收情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同采高煤層回收率占比Fig.2 Recovery ratio of coal seams with different mining height

由圖2可知，二盤區(qū)煤層厚度較大，當(dāng)設(shè)計(jì)采高在7.5 m以下時(shí)，盤區(qū)內(nèi)一半以上的煤層無(wú)法實(shí)現(xiàn)整層開(kāi)采，采用目前最高的液壓支架為8.8 m支架時(shí)，盤區(qū)內(nèi)也有19%的區(qū)域難以實(shí)現(xiàn)整層開(kāi)采，因此采用大采高綜采技術(shù)時(shí)可能會(huì)造成較大煤炭資源損失；三(下)盤區(qū)煤層相對(duì)較薄，設(shè)計(jì)煤層達(dá)到6 m以上時(shí)，盤區(qū)內(nèi)超過(guò)94%的區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)整層開(kāi)采，但是由于部分區(qū)域煤層較薄，采用大采高綜采時(shí)，可能存在大量截割巖石的情況，可能造成影響采煤效率、增加設(shè)備損壞概率等不良狀況。由此可知，若采用放頂煤開(kāi)采，既可以割煤，也可以放煤，高度可控，能較好地兼顧提高回收率與減少截割巖石。

3.4 冒放性

影響頂煤冒放性[19-22]的主要因素有埋深、采高、煤厚、煤層強(qiáng)度、頂板巖性及結(jié)構(gòu)、煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育程度、煤層夾矸特征等。

1) 煤層強(qiáng)度。實(shí)踐證明，當(dāng)煤層單軸抗壓強(qiáng)度在5～40 MPa時(shí)，適用于放頂煤開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用，尤其以煤層強(qiáng)度10～20 MPa時(shí)放煤效果最佳。保德煤礦8#煤層的單軸抗壓強(qiáng)度為11.2 MPa，適用于進(jìn)行放頂煤開(kāi)采。

2) 開(kāi)采深度。當(dāng)工作面超前支承壓力峰值大于頂煤極限強(qiáng)度時(shí)，則表示采深較大，反之則較小。當(dāng)開(kāi)采深度(H)與煤體強(qiáng)度Rc之間滿足式(1)即可認(rèn)為頂煤能被有效破碎。

H/Rc≥16.57

(1)

8#煤層三(下)盤區(qū)煤層平均埋深497.27 m，二盤區(qū)煤層平均埋深404.35 m，二盤區(qū)與三(下)盤區(qū)煤層開(kāi)采深度與煤體強(qiáng)度Rc的比值分別為為36.10、44.39，結(jié)果表明8#煤層的冒放性良好。

3) 頂板巖性。頂板巖性是頂煤冒放性的主要影響因素，頂板巖層較堅(jiān)硬時(shí)有利于頂煤的破碎；頂板巖層較松軟時(shí)，頂板冒放性較好，有利于頂煤放出，但是不利于頂煤破碎。綜合分析后，認(rèn)為以粉砂巖、中粗砂巖為主的中硬頂板，最有利于頂煤的冒落與放出。8#煤層頂板的抗拉強(qiáng)度在1.5～3.4 MPa之間，頂板穩(wěn)固性較差，巖石質(zhì)量狀態(tài)多為較差類型，有利于頂煤放出。

4) 煤層厚度。頂煤在支承壓力和支架擾動(dòng)的綜合作用下破碎成散體，其中超前支撐應(yīng)力是頂煤破碎的主要因素，支架僅對(duì)其上方2 m左右的頂煤產(chǎn)生影響。一般認(rèn)為，采放比為1∶1～1∶2時(shí)，較適宜頂煤放出，以采煤高度為3.0～3.5 m計(jì)算，當(dāng)煤層厚度為3～7 m時(shí)，較適合采用放頂煤方法。8#煤層二盤區(qū)煤層平均厚度8.21 m。三(下)盤區(qū)煤層厚度平均6.75 m，設(shè)計(jì)采高為3.0～3.5 m時(shí)，三(下)盤區(qū)頂煤度為3.25～3.75 m，采放比為1∶0.93～1∶1.25；二盤區(qū)頂煤厚為4.71～5.21 m，采放比為1∶1.35～1∶1.74。因此，8#煤層的采放比較為適合頂煤破碎和放出。

5) 節(jié)理裂隙發(fā)育程度。根據(jù)保德煤礦8#煤層的揭露情況來(lái)看，該煤層裂隙主要在中上部發(fā)育，呈條帶狀，裂隙間距約為150 m；裂隙帶傾向和走向發(fā)育特征與煤層方向接近，裂隙傾角多小于50°。綜合來(lái)看，8#煤頂煤裂隙發(fā)育較充分，有利于頂煤冒放。

6) 夾矸厚度與硬度。頂煤夾矸是影響頂煤放出的不利因素，夾矸對(duì)頂煤冒放性的影響包括巖性、硬度、厚度、層數(shù)等。一般而言，當(dāng)夾矸厚度大于300 mm時(shí)夾矸對(duì)頂煤影響較大，頂煤冒放性極差。8#煤結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般含夾矸3～4層，夾矸總厚平均1.38 m，夾矸厚度較厚，對(duì)頂煤冒放性產(chǎn)生影響較大，但是夾矸巖性以泥巖為主，夾矸強(qiáng)度較弱，降低了夾矸厚度對(duì)冒放性的影響。

3.5 大采高工程類比

選取神東礦區(qū)的上灣煤礦、補(bǔ)連塔煤礦、大柳塔煤礦大采高綜采工作面，將煤層賦存條件與保德煤礦進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 煤層及頂?shù)装鍡l件Table 3 Coal seam and roof and floor conditions

上灣煤礦、補(bǔ)連塔煤礦、大柳塔煤礦采用7.0～8.8 m大采高綜采工藝，在生產(chǎn)過(guò)程中，工作面均存在片幫漏頂?shù)惹闆r，其中上灣煤礦尤為明顯。保德煤礦計(jì)劃開(kāi)采區(qū)域煤層厚度變化范圍大，普氏系數(shù)較其他礦井大幅降低，且埋深由其他三個(gè)實(shí)例工作面平均200.00 m左右增加至497.27 m，更加不利于大采高綜采安全生產(chǎn)。

3.6 經(jīng)濟(jì)效益分析

1) 煤炭產(chǎn)出效益。根據(jù)二盤區(qū)、三(下)盤區(qū)大采高綜采回采率計(jì)算結(jié)果及綜放開(kāi)采回采率統(tǒng)計(jì)，若采用8.8 m大采高綜采技術(shù)，則可多回收煤共計(jì)781.2萬(wàn)t，噸煤利潤(rùn)按照15元進(jìn)行計(jì)算，共產(chǎn)生約1.17 億元經(jīng)濟(jì)效益。

2) 設(shè)備投入。若采用大采高綜采技術(shù)，則工作面液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等均需要按照配套系統(tǒng)進(jìn)行更換，按照目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)價(jià)進(jìn)行估算，需投入3.6億元左右設(shè)備更新費(fèi)用。

3) 巷道擴(kuò)修及掘進(jìn)費(fèi)用。由于大巷及相關(guān)回采巷道尺寸目前無(wú)法滿足大采高綜采設(shè)備運(yùn)輸需求，需根據(jù)大采高綜采設(shè)備尺寸進(jìn)行擴(kuò)修。根據(jù)國(guó)能神東煤炭集團(tuán)提供的相關(guān)巷道尺寸要求，大采高綜采產(chǎn)生的巷道擴(kuò)修成本1.07億元，新掘巷道成本6 025.56萬(wàn)元。

若采用大采高技術(shù)，由煤炭產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為1.17億元，但多花費(fèi)3.6億元設(shè)備更新費(fèi)用、1.07億元擴(kuò)修巷道費(fèi)用，6 025.56萬(wàn)元新掘巷道費(fèi)用，收益遠(yuǎn)小于投入。

3.7 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析

上述分析表明，在煤炭資源回收率方面，若使工作面回采率符合相關(guān)規(guī)定，二盤區(qū)設(shè)計(jì)采高需達(dá)到8.5 m、三(下)盤區(qū)需達(dá)6.5 m以上，在同一配套8.8 m大采高液壓支架，由于煤層傾角9°、煤層及頂?shù)装遢^軟弱、斷層構(gòu)造多，8.8 m大采高液壓支架和煤壁的穩(wěn)定性差，大采高綜采工作面安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)較高。

4 結(jié) 論

根據(jù)8#煤層二盤區(qū)與三(下)盤區(qū)煤層、構(gòu)造、頂?shù)装?、抗壓?qiáng)度等因素，該區(qū)域地質(zhì)類型屬?gòu)?fù)雜類型。通過(guò)礦井3個(gè)綜放工作面及2個(gè)大采高工作以及類似礦井的礦壓統(tǒng)計(jì)分析，綜放相比大采高工作面，初次來(lái)壓和周期來(lái)壓的強(qiáng)度都有所降低。經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，未開(kāi)采區(qū)采用大采高開(kāi)采時(shí)投入大于收益。綜合分析認(rèn)為，二盤區(qū)和三(下)盤區(qū)從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等方面，綜采放頂煤開(kāi)采優(yōu)于大采高綜采采煤法。