薄煤层综采在花图沟煤矿的应用

王文书

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

薄煤层综采在花图沟煤矿的应用

王文书

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

花图沟煤矿在5号煤层的开采中首次采用薄煤层走向长壁综合机械化采煤法，并在生产中不断进行改进，取得了良好的效果，提高了资源回收率，并取得了一定的经济效益，从而为本地区薄煤层的开采提供了宝贵经验。

薄煤层;综采;液压支架

Application of Full-mechanized Mining Thin Coal-seam Technology in Huatugou Colliery

花图沟煤矿位于东胜煤田南部鄂尔多斯市准格尔旗境内，于2009年建成投产，设计生产能力1.20Mt/a，初期投产的5号煤层为薄煤层，采用走向长壁综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板，经过两年多的生产实践，取得了良好的效果。该煤矿在本地区率先采用综采方法开采薄煤层，此方法在花图沟煤矿的成功应用，为本地区同类煤层条件的矿井高产高效开采薄煤层提供了参考。

1 井田概况

1.1 资源及储量

花图沟井田面积6.0714km2，井田内可采煤层6层，主要可采煤层3层，6-1上和6-1号煤层平均厚度分别为2.21m和3.10m，属中厚煤层，6-2号煤层平均厚度为1.03m，属薄煤层;次要可采煤层3层，4-1，4-2号煤层局部可采，平均厚度分别为2.52m，1.90m，属中厚煤层;5号煤层大部可采，平均厚度为0.98m，属薄煤层。

花图沟井田地质资源量为60.33Mt，设计可采储量为42.11Mt。其中，5号煤层设计可采储量5.34Mt，6-2号煤层设计可采储量5.44Mt，薄煤层设计可采储量合计为10.78Mt，占全井田设计可采储量的25.6%，比例较高。因此，选择安全高效的薄煤层开采方法对于提高花图沟煤矿的资源回收率、延长煤矿的服务年限和提高煤矿的经济效益具有重要意义。

花图沟煤矿移交生产时，首先开采5号煤层;煤矿达产时，5号和6-1上号煤层同采，实现薄、

厚煤层的配采。

1.2 煤层开采条件

井田内地层倾角1～3°，为单斜构造，井田内未发现断裂构造及岩浆岩侵入体，井田以孔隙、裂隙充水为主，直接充水含水层富水性微弱，以区外承压水微弱的侧向径流为主要充水水源，水文地质条件简单。根据地质报告和临近煤矿资料，各可采煤层顶底板岩石的强度低，以软弱岩石为主，岩体的稳定性较差，且遇水易软化变形。

该煤矿为低瓦斯矿井，煤层容易自燃，煤尘具有爆炸危险。

1.3 井田开拓

由于井田各可采煤层总体埋藏浅，煤层数量多、间距较小，斜井开拓系统简单、连续。因此，矿井采用斜井开拓方式，主斜井煤炭提升采用胶带输送机，副斜井辅助提升采用防爆无轨胶轮车。

1.4 大巷布置

井田可采煤层为近距离煤层，煤层间距一般为20～30m。根据煤层赋存条件，结合井田几何形状，主要运输 (回风)大巷均沿煤层布置。在5号煤层布置一条辅助运输大巷和一条回风大巷，工作面运输巷分设溜煤眼与6煤组主运大巷相连;6煤组采取联合布置集中大巷的开拓方式，在6-1号煤层布置主、辅运大巷，在6-1上号煤层布置一条回风大巷。

2 薄煤层综采工作面布置

2.1 采煤方法

5号煤层厚0.71～1.15m，平均0.98m;埋深25.06～138.93m，平均86.10m;煤层顶板岩性以泥岩、粉砂质泥岩为主，局部为粉砂岩;底板岩性以泥岩为主，局部相变为泥质粉砂岩。

薄煤层综采技术与装备在我国已经较为成熟，近水平、缓倾斜、倾斜到急倾斜的薄煤层综采方法，在山东、河南、黑龙江和云贵川等全国大部分地区均有成功应用。而东胜煤田由于资源量丰富、开采条件好，可供开采的中厚、厚煤层资源较多;多数地方煤矿获取资源的成本较低，对提高资源回收率的认识不足、积极性不高;开采薄煤层产量较低、成本较高、效益较差;地方煤矿技术、管理水平相对较低，习惯采用炮采方法，但薄煤层炮采的工作条件也较恶劣;而采用薄煤层综采方法，其技术和管理人员又不能满足要求。以上几方面因素导致当地煤矿大多对薄煤层资源弃而不采。

花图沟煤矿由于总的资源量不多，薄煤层资源比例较高，按照国家设计规范对资源回收率的要求，不允许对薄煤层资源随意丢弃;同时业主单位具有较为先进的煤矿建设理念，认可先进、合理、可靠的薄煤层综采方法。因此，为了保证煤矿早日达产、高产高效，同时提高煤矿生产的安全性，确定5号煤层采用综采方法，并对本煤矿影响薄煤层综采方法应用的浅埋深、煤层硬、底板软等几方面问题进行重点分析。

2.2 工作面布置

在5号煤层布置一个对拉综采工作面，即1501工作面。工作面运输巷通过溜煤眼与6-1号煤层运输大巷相连，回风巷采用直接与大巷相连的布置方式。工作面开切眼沿井田边界布置向大巷方向推进，条带式开采。工作面布置方式见图1。

图1 工作面布置

2.3 工作面主要参数

2.3.1 工作面长度

花图沟煤矿5号煤层厚度较薄，埋藏浅，工作面过长将给行人及支架选型增加难度，受运输机能力限制的事故率也将明显增加。因此，综合考虑工作面生产能力、煤层赋存条件及地质情况等因素将5号煤层首采工作面按对拉面布置，单面长度确定为150m。

2.3.2 工作面推进长度

为了减少工作面搬家次数，充分发挥设备的生产能力，工作面推进长度应适当加大。根据花图沟煤矿首采区域开拓巷道布置，5号煤层初期工作面的推进长度可达到1900m。

2.3.3 工作面日循环数及进度

由于5号煤层硬度大，受工作空间限制，采煤机功率较小，因此，选用较小的0.6m采煤机截深;按照工作面设计产量，确定工作面一班割4刀煤，日完成循环8个，日进尺4.8m。

2.4 主要设备选择

在该矿区，由于煤层埋藏较浅，地表沟谷纵横，液压支架的选择需要重点考虑浅埋地压的影响;同时，底板软且易泥化，也需要对液压支架的底板比压进行验证;对于该矿薄煤层，采煤机的高度小、过煤空间小，需要解决装机功率较小和煤层较硬的矛盾。

2.4.1 液压支架选择

该矿井5号煤层工作面的液压支架选择主要考虑两点：支撑高度范围和工作阻力。

液压支架支撑高度范围要尽可能适应煤层厚度的变化，并应满足大部分区域煤层开采的要求。5号煤层厚0.71～1.15m，平均0.98m。因此，液压支架的支撑高度范围应尽可能满足综采工作面开采5号煤层不同厚度时的要求。

支架工作阻力采用估算法确定。这种计算方法的基础是工作面支架工作阻力支撑直接顶，并平衡基本顶失稳时对支架的动载，计算公式为：

式中，P为工作面支架所需支护强度，kN;S为支架支护顶板面积，m2;γ为顶板岩石的重力密度kg/m3;M为开采煤层厚度，m;a为煤层倾角。

根据以上分析和计算，并考虑一定的不均衡系数和浅埋深影响，设计推荐采用ZY2800/6.5/13型液压支架，按计算可满足要求。实际生产中，发生了支架压死现象，后及时根据生产地质资料、按照浅埋深公式重新计算，将液压支架改进为ZY6800/6.5/13型，解决了工作面的支护问题。

2.4.2 采煤机选择

根据5号煤层厚度及顶底板岩性，并考虑到工作面采高小、采煤机机身较矮、装机功率受限制，而5号煤层硬度较大，需考虑浅截深的滚筒。经计算，设计选用MG100/240型双滚筒液压无链牵引采煤机，截深0.6m，可满足使用要求。

5号煤层综采工作面主要设备见表1。

表1 5号煤层综采工作面主要设备

2.5 工作面生产能力

平均采高 h1为 0.90m，采煤机截深 b为0.6m，对拉综采工作面长度l为300m，煤体重力密度 r为1.29×103kg/m3，工作面采出率 Cg为97%，则工作面每个循环的割煤量为：

式中，K为正规循环率，取90%。

按年工作330d，则工作面年产量可达0.48Mt。

3 各生产系统布置

主运系统 煤炭经由对拉工作面→集中运输巷→溜煤眼→6号煤层主运大巷→主斜井。

辅运系统 工作面所需材料由防爆无轨胶轮车自副斜井→5号煤层辅运大巷→对拉工作面上下回风巷→对拉工作面。

通风系统 工作面采用“一进两回”W型通风系统。

4 薄煤层综采工作面生产实践

花图沟煤矿2009年建成投产，虽然前期精心设计、统筹考虑，薄煤层综采工作面在两年多的生产实践中，仍发现了一些问题：

(1)由于该煤矿未建洗煤厂，为保证煤质，生产中严格控制工作面采高不割底，使工作面推进速度受到一定的限制。正常生产情况下每班割2刀煤，实际年产量为0.3Mt/a，工作面生产能力略低于设计能力。

(2)工作面自开切眼推进约150m时，曾出现支架被压死的现象。主要原因是该处地表为一沟谷，煤层距地表仅50m，致使上覆岩层在矿山压力作用下压死支架。

通过分析，采取以下措施进行改进，较好地解决了问题。

(1)将工作面适当调斜与地表沟谷成斜交，减小沟谷处浅埋深地层压力对工作面的集中影响。

(2)在液压支架下方增加单体液压支柱作为加强柱，以增加液压支架对顶板的支撑力。在后续的工作面生产中，根据生产地质资料、按照浅埋深公式重新计算，将液压支架由ZY2800/6.5/13型改进为ZY6800/6.5/13型，满足了浅埋深综采工作面的支护要求，而且产量也有较大提高，最高每班割煤达到6刀。

5 结论

(1)该矿5号煤层采用薄煤层综采提高了资源回收率，并取得了良好的效果，在该地区同类煤层条件具有借鉴意义。

(2)通过实践证明，初期仅按照估算法计算结果选用的液压支架工作阻力偏小，生产中曾出现支架被压死的现象。根据生产地质资料、按照浅埋深压力计算对液压支架进行改进后，解决了工作面支护问题。因此，液压支架选型应重点考虑浅埋地压的影响，建议在该地区薄煤层综采的液压支架工作阻力不宜小于6000kN。

(3)对拉工作面布置，虽然可以减少一条巷道、减少煤柱损失，但设备投资大、两个工作面生产相互影响，不利于加快工作面推进速度，建议采用单面布置方式。

(4)受工作空间限制采煤机功率较小，工作面推进速度慢，人员在工作面操作及行走困难，如果矿井设有洗煤厂，可采用适当割底的方式加大工作面空间，既可以加大采煤机功率，又可以提高工作面推进速度。

［1］张容立，何国纬，李 铎.采矿工程设计手册 ［M］.北京：煤炭工业出版社，2003.

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1006-6225(2012)04-0032-03

2012-05-17

王文书 (1964-)，男，河北邯郸人，工程师，采矿室主任，从事矿井设计及项目管理工作。

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