白集矿急倾斜松软厚煤层开采方法研究

王 君，巩思园，周绍华

（1.中国矿业大学应用技术学院，江苏徐州221008;2.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221116;3.河南大有能源股份有限公司常村煤矿，河南义马 472302）

白集矿急倾斜松软厚煤层开采方法研究

王 君1，巩思园2，周绍华3

（1.中国矿业大学应用技术学院，江苏徐州221008;2.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221116;3.河南大有能源股份有限公司常村煤矿，河南义马 472302）

根据白集矿急倾斜松软厚煤层赋存状况和原有的开采技术水平，结合国内外现有的急倾斜煤层开采经验，提出了适合该矿煤层开采的4种采煤方法，在技术分析的基础上，从经济角度对开采方法进行比较，并运用多目标决策进行最优选择，最终确定该矿的采煤方法，对类似煤层的开采实践具有借鉴意义。

急倾斜松软厚煤层;采煤方法;技术分析;经济比较;多目标决策

对于急倾斜煤层开采，国内目前分为3种方式:水平分层及斜切分层采煤法、水平分段放顶煤采煤法和仓储采煤法。在此基础上形成了伪倾斜柔性掩护支架采煤法、斜切分段放顶煤采煤法、水平分段放顶煤采煤法、深孔爆破钻孔通风无人工作面采煤法、伪俯斜走向长壁放顶煤和伪倾斜分层走向长壁全部垮落采煤法等采煤方法［1－3］。

1 地质概况

白集矿急倾斜松软厚煤层主要分布于－500m，－800m两个水平，地层均为第四系冲积层所覆盖，冲积层下部煤系地层发育较全。试验区域地质构造较复杂，主要构造有F10断层，落差0～390m;F4－23断层，落差3～30m，并有次生小断层。主采煤层3号煤倾角平均50°，煤质松软，煤厚4～9m，平均6m，煤厚由东向西逐渐增厚，层位稳定。3号煤直接顶主要由页岩、砂页岩等组成，厚度变化较大，一般厚0.2～10.7m;基本顶为中细粒长石石英砂岩，中厚层状泥质胶结，极难冒落，厚5.46～28m，比较稳定;直接底主要有砂页岩互层、砂质页岩、页岩组成，一般厚2～3m，比较稳定，岩性较软。3号煤顶底板岩性见综合柱状图1。

图1 3号煤顶底板岩性综合柱状图

2 采煤方法选择

2.1 主要影响因素

影响采煤方法选择的因素较多，其中主要有工作面地质条件和技术装备水平。工作面地质条件包括煤层倾角、厚度、围岩特征、地质构造、瓦斯及自燃发火情况等。

煤层倾角是影响采煤方法选择的重要因素，其关系到采煤工作面采煤方法、运煤方式、采场支护和采空区处理等主要回采工艺的选择，还影响到采煤方法各种参数的确定。该试验区域煤层倾角平均达50°，属于急倾斜煤层;煤层厚度也影响到采煤方法的选择和采空区的处理方式，试验区域的煤层厚度变化较大，对采煤方法的选择带来一定的困难;煤层顶底板岩性坚硬程度将影响到开采空间周围岩层的移动、破坏和冒落程度，试验区煤层基本顶为厚约7m的中细粒砂岩，岩性坚硬，其单轴抗压强度平均值82.5MPa，已采工作面曾出现顶板冒落的大块矸石推垮工作面支架的事故，威胁了工作面的安全生产。

2.2 可选择采煤方法的技术分析

依据高产、高效、低耗、安全的要求和煤层赋存特征，结合白集矿的地质生产技术条件，可供选择的主要采煤方法为:伪倾斜柔性掩护支架采煤法、斜切分段放顶煤采煤法、深孔爆破钻孔通风无人工作面采煤法和伪倾斜分层走向长臂全部垮落采煤法。这些采煤方法的主要特点如下:

（1）伪倾斜柔性掩护支架采煤法 该方法可使工作面倾角变缓，具有生产系统简单、掘进率低、自溜运煤劳动强度低等特点。但柔性掩护支架对断层、煤层厚度和倾角等产状变化的适应性比较差，白集矿试验区域地质构造较复杂，断层多，煤层厚度变化较大，所以在支架下放过程中容易被卡住而影响正常生产，且柔性掩护支架结构目前还不够完善，使用寿命短，故障率高。

（2）斜切分段放顶煤采煤法 该采煤方法将工作面以斜切分段形式布置，工作面采用滑移顶梁液压支架。支架体积小，重量轻，结构简单，安、拆、搬运方便。支架实现自移，可减轻工人劳动强度，较能适应煤层的变化，落煤方式灵活，投资仅为机械化液压支架的1/5。但滑移顶梁自身稳定性差，支柱易插入底板，影响支撑阻力的提高，支架构件之间的连接件易损坏。白集矿试验区域为松软厚煤层，在放顶煤开采时容易发生片帮冒顶事故;直接底岩性较软，支柱易插入底板，顶煤冒落时容易引起支架不稳定，出现歪架、倒架情况。同时，白集矿原有技术装备不够先进，采用该方法需更新技术设备。

（3）深孔爆破钻孔通风无人工作面采煤法该采煤方法的工作面长25～30m，在区段运输巷内由下向上平行于煤层顶板沿工作面走向每5m钻进直径500mm的通风钻孔，直通区段风巷，承担通风。在两通风钻孔之间打直径90mm的爆破钻孔，在爆破钻孔内装药放炮，完成破煤工作。该方法具有吨煤成本低的优点，但掘进率高，采出率低，含矸率高。因白集矿试验区煤质松软且煤层倾角大，在深孔爆破时，通风钻孔容易被抛出的破碎煤块堵塞，引起通风不畅，不能及时排除爆破产生的粉尘和有毒气体，产生安全隐患，所以采用该采煤方法时应加强通风。

（4）伪倾斜分层走向长壁全部垮落采煤法该采煤方法的工作面呈伪斜直线布置，爆破落煤，单体液压支柱、铰接顶梁支护，四、五挡控顶，全部垮落管理顶板。这种采煤方法的主要优点是巷道布置和回采工艺简单、采出率高。近几年来，白集矿在倾角27～45°左右的煤层中积累了丰富的大倾角煤层开采技术和生产管理经验，因此该方法是首选的采煤方法。但是随着开采深度的增加，煤层倾角逐步增大，煤层顶板变得复杂，开采条件和难度加大，要求必须做好工作面设备防倒滑工作，加强煤壁和分层顶底板的管理，防范冒落矸石下滑和落煤下放时对人和设备造成的冲击。

通过上面的技术分析比较，初步选择伪倾斜分层走向长壁全部垮落采煤法。主要技术依据为白集矿具有大倾角煤层回采的经验，原有的设备、设施可充分利用，采出率高，工作面单产能够满足生产系统要求，与其他生产环节较为配套。

为确定该条件下最优的采煤方法，需要从经济角度入手，进一步分析以上采煤方法的优缺点。

2.3 采煤方法选择的经济比较

通过对上述4种采煤方法作技术分析后，结合白集矿生产情况作进一步的经济比较。构建目标函数P，见式 （1），使其费用最低。

式中，Hi为工作面第i项费用，元/t;P为工作面吨煤成本，元/t。

约束条件:煤层厚度M取6m，工作面长L取80～100m。

依据白集矿具体生产技术条件，建立求解目标函数最优值的函数模型，并通过计算机编程求解，经济比较参数见表1。

计算结果表明:伪倾斜柔性掩护支架采煤法吨煤费用为76.8元/t;斜切分段放顶煤采煤法吨煤费用为96元/t;深孔爆破钻孔通风无人工作面采煤法吨煤费用为67.4元/t;伪倾斜分层走向长壁全部垮落采煤法吨煤费用为78.3元/t。

综合技术分析和经济比较得出:斜切分段放顶煤采煤法吨煤费用远远高于其他3种;伪倾斜柔性掩护支架采煤法因其支架对断层、煤层厚度和倾角等产状变化的适应性比较差，容易因故障停产;深孔爆破钻孔通风无人工作面采煤法吨煤成本最低，但掘进率高，采出率低，含矸率高且存在一定的安全风险;伪倾斜分层走向长壁全部垮落采煤法，技术上可行，且生产成本较低。

表1 经济比较参数

3 多目标决策

在以上技术分析和经济比较的基础上，为进一步确定最优采煤方法，利用最高积分法根据多目标决策原理对上述4种可选采煤方法进行比较分析。

（1）目标选取 根据当前开采技术条件和采煤评价标准，选取吨煤费用、单产、工效、含矸率、煤尘及采出率等6个目标。

（2）确定目标权重 一般情况下，目标权重大小反映该目标对采煤方法选择的影响程度。为便于计算比较，隐含约定最重权重值为20。此外，定权重采用平均权重法，即几个专家对6个目标所定权重进行平均作为最后各目标权重，见表2。

表2 专家评价表

（3）指标无量纲化 由已知地质和开采技术条件及部分计算结果可得到4种采煤方法的各目标的指标值。指标无量纲是针对这些指标为多目标决策的需要而进行的数值转化，其转化公式见式（3），其中隐含约定最好指标值无量纲化结果为10，见表3。

表3 目标的指标值及其无量纲化

式中，Bij为i方案j指标的无量纲化结果值;Aij为i方案j指标的指标值;Aj0为j指标的最优值;Ajmax为j指标的最大值;Ajmin为j指标的最小值。

（4）决策模型 根据多目标决策方法采用最

式中，Dzi为i方案的多目标决策积分结果;φj为j指标权重。

根据白集矿的地质与开采条件，以及当前技术条件和评价标准，赋予以上6个目标权重值见表4高积分法，可得决策模型见式 （4），求其最大值。所示，其目标值见表5。

表4 目标权重值

（5）决策结果分析 将以上所选参数输入计算机计算，最终积分值见表6。

由表6可知:伪倾斜分层走向长壁全部垮落采煤法积分最高，也是多目标决策的最优方案。

表5 4种采煤方法的目标值

表6 4种采煤方法最终积分值

通过技术分析、经济比较和多目标决策研究得出，白集矿急倾斜松软厚煤层的最优开采方法为伪倾斜分层走向长壁全部垮落采煤法。

4 现场应用效果

白集矿试验区域3121工作面，面长85m，倾角45～55°，采用伪倾斜分层走向长壁全部垮落采煤法，实现了安全高效的回采。该工作面平均月产11873t，工效4.64t/工，采出率达到了85.6%，产生了良好的经济效益，同时形成了适用其地质条件和技术水平的开采技术体系，为该矿类似条件的区域煤层开采提供了依据。

5 主要结论

（1）急倾斜煤层选择开采方法时应重点考虑煤层倾角、厚度、硬度及围岩特性，分析采煤工艺和设备配套在特殊地质条件下的可行性和适应性，选择与地质条件和技术水平相匹配的开采方法。

（2）综合运用技术分析、经济比较和多目标决策的方法，对急倾斜松软厚煤层选择开采方法的研究是可行的，研究得出白集矿急倾斜松软厚煤层的最优采煤方法为伪倾斜分层走向长壁全部垮落采煤法。

（3）基于技术分析、经济比较和多目标决策的研究方法所确定的采煤方法在现场得到成功应用，为同类煤层选择最优开采方法提供有益借鉴。

［1］杜计平，孟宪锐.采矿学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2009.

［2］姬王鹏.急倾斜煤层综采工作面顶板活动规律与支架稳定性研究［D］.徐州:中国矿业大学，2011.

［3］刘 勇，郑 伟.急倾斜煤层采煤方法优化探讨［J］.煤炭工程，2009（10）:12－13.

Steeply Inclined Soft Thick Coal-seam Mining Method in Baiji Colliery

WANG Jun，GONG Si-yuan，ZHOU Shao-hua
（1.China Coal Import＆ Export Company，Beijing 100011，China;2.Management School，China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou 221116，China;3.Changcun Colliery，Henan Dayou Energy Co．，Ltd，Yima 472302，China）

Combining current mining experience of steeply-inclined coal-seam，4 mining methods which fit for steeply-inclined soft thick coal-seam in Baiji Colliery were put forward.By economic comparison，multi-goal decision was applied to selecting optimal mining method.This could provide reference for mines with similar condition.

steeply-inclined soft thick coal-seam;mining method;technology analysis;economic comparison;multi-goal decision

TD823.21 3

A

1006-6225（2012）02-0034-04

2012－03－09

江苏高校优势学科建设工程资助项目 （PAPD）;江苏省博士后科研资助计划项目 （1002004B）

王 君 （1981－），男，江苏江都人，助教。主要从事矿山压力与安全高效开采方面的研究。

［责任编辑:于海湧］