劉 濤,許孟和 ,王中奎 ,趙正軍
(1.山西煤礦安全培訓(xùn)中心,山西 太原 030012;2.潞安集團(tuán) 古城煤礦,山西 長(zhǎng)治 046100; 3.煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030000)
潞安集團(tuán)古城礦井是國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)批準(zhǔn)新建的特大型礦井,井田面積157.299 3 km2,批準(zhǔn)開(kāi)采3號(hào)煤層,生產(chǎn)能力800萬(wàn)t/a。礦井采用斜、立井混合分區(qū)開(kāi)拓方式。工業(yè)場(chǎng)地分開(kāi)布置,分別為主井場(chǎng)地、副井場(chǎng)地、桃園風(fēng)井場(chǎng)地。首采盤區(qū)為北一盤區(qū)和南一盤區(qū),原批復(fù)的初步設(shè)計(jì)采用大采高一次采全厚綜合機(jī)械化采煤法。
自2013年起,山西省實(shí)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型,煤炭行業(yè)疲軟,經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下滑嚴(yán)重。為節(jié)約投資,決定采用現(xiàn)已非常成熟的技術(shù)—綜采放頂煤開(kāi)采。為此,本文針對(duì)古城礦井3號(hào)煤層采煤工藝由大采高一次采全厚綜合機(jī)械化開(kāi)采變更為大采高一次采全厚綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采進(jìn)行了分析論證。
古城礦井屬高瓦斯礦井, 各煤層煤塵均有爆炸危險(xiǎn)性,且不易自燃。地質(zhì)構(gòu)造總體簡(jiǎn)單,但波狀起伏普遍發(fā)育,并伴有寬緩褶曲,致使局部地層傾角較大,其中影響北一盤區(qū)的褶曲有官莊背斜;影響南一盤區(qū)的褶曲有呈寺背斜、西史向斜。3號(hào)煤層傾角2~16°,其中南一盤區(qū)局部煤層傾角達(dá)16°。地溫、地壓未見(jiàn)異常。水文地質(zhì)類型中等。煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖,局部為粉砂巖,穩(wěn)定性差,結(jié)構(gòu)松軟,吸水軟化,強(qiáng)度較低;老頂為中~細(xì)粒砂巖,為半堅(jiān)硬~堅(jiān)硬的巖石。
古城礦井煤層埋深498~688 m,煤層厚度5.89~6.70 m(含夾矸),平均6.34 m,含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸0~2層,一般1層,其中距底板約0.80 m左右一層夾矸發(fā)育較為穩(wěn)定(平均厚度0.22 m)。煤層變異系數(shù)Cr=0.14,屬穩(wěn)定性煤層。其中北一盤區(qū)3號(hào)煤層平均埋深535 m,厚度5.98~6.67 m(含夾矸),平均6.38 m;南一盤區(qū)3號(hào)煤層平均埋深613 m,厚度5.89~6.70 m(含夾矸),平均6.30 m。
1) 煤層埋深的影響。煤層開(kāi)采深度對(duì)頂煤冒放性的影響實(shí)質(zhì)上是支承壓力對(duì)頂煤的壓裂影響,一般來(lái)講,埋深大于400 m的煤層,其冒放性好。古城礦井首采盤區(qū)煤層埋深498~688 m,冒放性較好,適用放頂煤開(kāi)采工藝。
2) 煤層強(qiáng)度的影響。根據(jù)國(guó)內(nèi)對(duì)綜采放頂煤工作面和大采高綜采工作面的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果表明,煤層強(qiáng)度是影響采用放頂煤或大采高的關(guān)鍵因素。一般來(lái)說(shuō),軟煤(f≤1)和中硬煤(f=1~2)可放性較好,硬煤(f≥2)的垮落性最差,冒塊常見(jiàn)大于1.0 m的塊度,最大特點(diǎn)是支架后方常有懸空頂煤,放出率低。根據(jù)煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司2018年8月編制的《古城煤礦3號(hào)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試及瓦斯抽采半徑考察研究報(bào)告》,首采盤區(qū)3號(hào)煤層普氏系數(shù)f實(shí)測(cè)結(jié)果為0.37~0.62,即f≤1,屬于軟煤,頂煤冒放性好,適合采用放頂煤開(kāi)采。
3) 煤層厚度的影響。煤層厚度對(duì)頂煤冒放性的影響,實(shí)質(zhì)上是綜放工作面采放比的影響。直觀來(lái)看,過(guò)薄的頂煤相當(dāng)于偽頂,隨采隨冒,很難控制其在支架尾部垮落,可能超前漏頂,導(dǎo)致直接頂超前破碎到放煤口時(shí),與頂煤混矸一起放出,影響煤質(zhì),會(huì)在控制一定灰分時(shí)易丟失大量頂煤;另一方面,過(guò)厚的頂煤不易垮落。在放煤過(guò)程中,上部頂煤松動(dòng)緩慢而滯后垮落,這種冒落會(huì)與直接頂一起冒落,而使放煤含矸率增大。因此過(guò)薄或過(guò)厚的頂煤,亦或是綜放工作面采放比不合理時(shí),頂煤都是難以冒放的。
古城礦井首采盤區(qū)平均煤厚6.34 m,若采用放頂煤開(kāi)采,采煤工作面割煤高度3.8 m,放煤高度2.54 m,采放比為1∶0.67,頂煤適中,采用放頂煤液壓支架支護(hù),支架的反復(fù)移架支架過(guò)程,對(duì)頂煤有一定的壓裂作用,冒放性好。
4) 煤體節(jié)理裂隙發(fā)育的影響。對(duì)于放頂煤,煤層的節(jié)理裂隙發(fā)育程度影響頂煤的冒放性,節(jié)理越發(fā)育,對(duì)放頂煤越有利;但對(duì)大采高綜采工藝來(lái)說(shuō),煤層的節(jié)理裂隙是不利因素,節(jié)理裂隙越發(fā)育,工作面發(fā)生片幫事故的概率隨之增加。據(jù)井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀測(cè),古城礦井首采盤區(qū)巷道及工作面片幫較多,3號(hào)煤層節(jié)理裂隙相對(duì)較發(fā)育,說(shuō)明頂煤冒放性較好,有利于放頂煤綜采工藝,而不利于大采高綜采工藝。
從潞安礦區(qū)鄰近礦井的生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看,300~350 m超長(zhǎng)綜采放頂煤工作面在余吾、高河等礦井得到成功應(yīng)用,采用放頂煤采煤工藝,單個(gè)工作面生產(chǎn)能力能夠達(dá)到400萬(wàn)t/a。本礦井開(kāi)采技術(shù)條件與余吾煤業(yè)、高河能源類似。因此,采用放頂煤開(kāi)采能夠達(dá)產(chǎn)。
北一盤區(qū)和南一盤區(qū)煤層局部最大傾角16°,初步設(shè)計(jì)中絕大部分工作面沿走向推進(jìn),無(wú)論何種采煤工藝,均需采取支架防倒措施,但由于大采高液壓支架重量大,高度高,比放頂煤支架更易傾倒,生產(chǎn)安全管理難度更大。
3號(hào)煤層屬于較軟煤層,頂?shù)装鍙?qiáng)度也比較低,對(duì)于放頂煤采煤工藝來(lái)說(shuō),煤層冒放性比較好,是有利的;但采用大采高一次采全厚采煤工藝,采高越高,煤層越軟,易發(fā)生煤壁片幫,安全隱患較大。
放頂煤回采工藝在潞安集團(tuán)已成功應(yīng)用30多年,生產(chǎn)管理技術(shù)熟練,積累了非常豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在我國(guó)放頂煤開(kāi)采工藝應(yīng)用及生產(chǎn)組織管理方面處于領(lǐng)先水平,生產(chǎn)安全有保障;大采高一次全厚采煤法雖然回采工藝簡(jiǎn)單,但在潞安集團(tuán)應(yīng)用較少,工程技術(shù)人員和工人缺乏經(jīng)驗(yàn),不利于安全高效生產(chǎn)。
綜上所述,古城礦井更適合采用綜采放頂煤采煤工藝。
大采高一次采全厚工作面由于采高大,要求的支架支撐高度高,工作阻力大,支架重量大,設(shè)備功率高,造成工作面設(shè)備投資明顯高于綜采放頂煤工作面。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研,單個(gè)放頂煤綜采工作面設(shè)備投資為22 615.87萬(wàn)元,較單個(gè)大采高綜采工作面設(shè)備投資40 553.51萬(wàn)元,可節(jié)省44%的資金。因此,從投資角度考慮,宜采用綜采放頂煤開(kāi)采工藝。
1) 古城井田3號(hào)煤層埋藏較深、厚度變化較大,煤層較松軟,頂?shù)装寰^軟,頂煤冒放性較好,為保證安全生產(chǎn),節(jié)約初期投資,實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效,首采盤區(qū)更適應(yīng)采用綜采放頂煤采煤工藝。
2) 開(kāi)采前,應(yīng)制定防瓦斯、防塵、防水、采放煤工藝、頂板支護(hù)、初采和工作面收尾等安全技術(shù)措施。
3) 開(kāi)采時(shí),應(yīng)充分考慮支架的側(cè)向抗壓能力,配置運(yùn)輸能力大的后部刮板輸送機(jī)。
4) 開(kāi)采過(guò)程中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)主控巖層運(yùn)動(dòng)的研究與觀測(cè),加強(qiáng)上部采空區(qū)探測(cè)與防漏風(fēng)的管理。
5) 古城礦井2018年11月21日進(jìn)入聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)階段,首采面采用放頂煤采煤法已安裝完成并進(jìn)行了試采,能夠滿足800萬(wàn)t/a的生產(chǎn)能力。