光明矿提高稀缺煤种资源采出率开采技术研究

马进功，江小军

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

光明矿提高稀缺煤种资源采出率开采技术研究

马进功，江小军

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

为了提高光明矿稀缺煤种资源的采出率，使其采区采出率达标，提出采用沿空掘巷留窄煤柱技术、加长综采工作面长度、连续采煤机短壁开采技术综合提高5号煤层的采区资源采出率。研究结果表明，此3种技术在5号煤层的应用，将实现综采工作面参数的合理调整和采区边角煤的回采，并使2个采区资源采出率分别由原来的82.1%和80.3%提升至85.4%和86.9%，均可达到最新国家规范对稀缺煤采区资源采出率的要求，可为后期开采实践提供坚实的理论基础。

稀缺煤种；沿空掘巷；加长工作面；连续采煤机

多年来，国内许多国有大型及地方中小煤炭企业，盲目追求产量和经济效益，对煤炭资源(包括稀缺优质煤种)进行非法的、粗放型开采。据有关调查显示，我国煤炭企业资源采出率平均只有约40%，小煤矿仅有15%，资源浪费十分严重[1]。在我国的煤炭资源中，焦煤仅占煤炭总量的5.8%，肥煤与气肥煤仅占3.33%，是我国难得宝贵的炼焦煤资源。光明煤矿5号煤层为中厚煤层，属肥煤、焦煤，属典型的稀缺煤[2]。原有的初步设计中5号煤层共划分2个采区，由于巷道布置方式、工作面及区段煤柱、煤层赋存条件、不规则边角煤资源等因素的影响，导致采区资源采出率较低，尤其是国家《特殊和稀缺煤类开发利用管理暂行规定》出台以后，明确规定了稀缺煤种采区资源采出率指标，5号煤层2个采区的资源采出率达不到要求，因此引进先进工艺、技术提高采区资源采出率，势在必行。

目前，针对此类问题，国内有很多提高资源采出率的技术途径[3-5]，应用较为成熟，如减小采区综采面区段煤柱尺寸及数量(沿空掘巷或沿空留巷技术)、优化放顶煤工艺、合理加大工作面几何尺寸、引进新工艺开采边角煤及残留煤柱、综采充填开采“三下”压煤等技术途径。基于光明矿5号煤层地质赋存和开采技术条件，研究采用沿空掘巷留窄煤柱技术、加长工作面长度和连续采煤机短壁开采技术综合提高采区采出率，确定合理的开采尺寸和开采工艺，从而优化综采工作面参数，确定短壁开采工艺及设备，最终实现采区资源采出率的达标，并为工程实践提供科学的理论依据。

1 工程地质条件

光明矿井位于山西省临县三交镇附近，行政区划属林家坪、刘家会镇管辖，设计生产能力为2.4Mt/a，主采5号煤层。井田地势西北高，东南低，埋深在350～500m，煤层平均厚2.64m，为低瓦斯煤层；煤层倾角为2～10°，大部分区域为近水平煤层；直接顶为较软-中等坚硬砂质泥岩，抗压强度29.20～75.50MPa，厚度2.50～5.60m，平均4.15m，属中等稳定顶板；直接底为中等坚硬砂质泥岩，自然抗压强度39.20～40.40MPa,厚度3.50～6.80m，平均4.79m，属中硬底板。

2 开采设计中存在的问题

根据开采初步设计，5号煤层布置2个采区：一采区和二采区，采煤方法为综合机械化一次采全高，工作面采用双巷道布置，巷道间护巷煤柱留设宽度为15m，工作面长度为200m，巷道宽度为5m，工作面沿煤层走向方向推进，首采面推进长度约1300m。一采区布置了16个综采工作面，遗留了约1.75Mt护巷煤柱和0.75Mt边角块段资源，采区采出率约为82.1%；二采区可布置出27个综采工作面，遗留了约有3.21Mt护巷煤柱和1.83Mt边角煤资源，采区采出率为80.3%。而按照《特殊和稀缺煤类开发利用管理暂行规定》，要求稀缺煤中厚煤层采区采出率应达到83%以上，而上述分析中该矿两采区均达不到资源采出率要求。

3 解决方案

针对上述问题，提出3种技术方案：沿空掘巷留设窄煤柱技术、加长工作面技术和连续采煤机短壁机械化技术。

3.1 沿空掘巷留窄煤柱技术

沿空掘巷技术是目前应用较为广泛的通过留设窄煤柱或不留煤柱提高采出率的有效途径，技术较为成熟。针对该矿综采工作面留设15m宽煤柱问题，结合5号煤层的地质赋存和岩石力学特征，通过理论计算和数值模拟分析确定合理煤柱宽度。

3.1.1 理论计算

根据沿空掘巷弧形三角块理论[6-8]，并根据该矿条件建立沿空掘巷模型，如图1所示。

图1 沿空掘巷模型

本矿沿空掘巷技术成功应用的关键主要是基本顶破断后的岩块A和B，通过水平力和摩擦力作用咬合在一起，形成 “砌体梁”平衡[2]结构，合理的窄煤柱宽度使沿空巷道处于弧形三角块的保护下(围岩应力相对较低)。煤柱合理宽度计算公式为：

B=x1+x2+x3

(1)

(2)

式中，B为煤柱宽度，m；x1为采空区影响的塑性区宽度，m；x2为煤柱帮采用的锚杆有效长度L′，取2.0m；x3=0.2～0.4(x1+x2)；m为工作面采高，取2.64m；A为侧压系数，A=u/(1-u)=0.23；φ0为煤体内摩擦角，26°；C0为煤体黏聚力，2.4MPa；K为应力集中系数，取2；γ为上覆岩层平均容重，25kN/m3；H为巷道埋深，445m；PZ为巷道煤帮的支护阻力，取0.9MPa。

经计算，5号煤层x1为2.03m，B=4.84～5.64m，即煤柱宽度在4.84～5.64m为宜。

3.1.2 数值模拟优化煤柱宽度

采用FLAC3D数值模拟软件，建立了沿空掘巷[3]三维数值模型，进一步对煤柱合理尺寸进行优化，分别建立了煤柱宽度为3m，4m，5m，6m，7m，8m，9m，10m的8种模型。通过分析煤柱水平位移和垂直应力云图绘制水平位移峰值及垂直应力曲线如图2所示。

图2 不同宽度煤柱水平位移峰值曲线

分析图2可知，煤柱宽度为3～5m时，煤柱应力峰值区(以应力峰值的0.8倍计算)相对煤柱宽度较大，但是应力峰值比较小，煤柱内垂直应力峰值急剧增大，增幅较大，呈线性增大趋势，斜率较大；煤柱宽度为5～7m，在煤柱中部存在弹性区，煤柱应力峰值区相对煤柱宽度较小，塑性破坏区域较小，但是峰值应力相对较大，且大于原岩应力值，该阶段应力峰值增幅较3～5m阶段明显小；煤柱宽度为8～10m，垂直应力分布近似呈梯形状，煤柱应力峰值区较大，应力峰值也较大，应力峰值区距离巷道距离较远，因而巷道侧煤柱内发生塑性破坏区域也较大；采空区侧水平位移，当煤柱宽度在3～5m范围时急剧增长，煤柱宽度5～7m范围时又急剧下降，大于7m后下降趋势和幅度均放缓；而巷道方向水平位移3～4m范围，煤柱向巷道内水平位移急剧增加，增长幅度大；4～7m范围，呈线性增长，增长幅度明显放缓；7～10m范围，增长幅度又变大。综合上述分析，煤柱宽度应取5～7m为宜。

综合分析理论计算和数值模拟结果，将护巷煤柱尺寸宽度的合理值取5m，进行提高资源采出率的研究。

3.2 加长工作面长度

工作面长度加长，将使采区内布置工作面数量减少，煤柱数量相应降低，也将直接影响采区的资源采出率。工作面长度确定应充分考虑地质条件、工作面设备能力以及回采工艺系统的可靠性程度等综合因素[9]。目前，国内综采工作面的一般长度为150～240m，我国高产高效综采工作面长度已达到了250m，300m和320m，神东矿区榆家梁煤矿已经布置出了360m甚至400m的超长综采工作面，是目前全国最大的综采工作面。该矿初步设计时将工作面长度设计为200m，拟将工作面长度加长至240m，根据其条件并结合目前国内外采场矿压显现控制技术和综采面装备技术的发展现状，综合分析工作面加长的可能性。

3.2.1 工作面加长对采场矿压显现的影响与控制

工作面长度的增加对采场矿压显现强度有直接的影响，工作面加长影响顶板的垮落拱高度，则要求支架的工作阻力增加，因此，必须选择合理工作阻力的液压支架，有效控制顶板。根据5号煤层条件经分析计算，200m工作面需要的支架工作阻力约3500～4000kN，如将工作面长度确定为240m，则支架的工作阻力应调整为4500～5000kN，就能够控制该煤层的工作面顶板。

3.2.2 综采工作面主要配套设备技术

根据目前我国综采工作面主要配套设备的发展技术，适合2.64m厚煤层，240m工作面的综采装备非常成熟，其中，采煤机总装机功率已达2000kW以上，已成功投入使用的液压支架最大采高也已超过7m，支架中心距已从最初的1.50m发展到了2.0m，刮板输送机的最大辅设长度已达400m，制造技术非常成熟。

3.2.3 邻近矿区技术改造情况

本矿邻近矿区某矿5203综采面通过技术改造和设备升级，已将5号煤层240m长工作面投入使用，效果良好，为光明矿加长工作面长度技术提供了成功应用案例。

根据上述综合分析，将综采工作面长度调整为240m，现有的采场矿压控制技术和装备制造技术完全可以满足此要求，因此本方案是可行的。

3.3 采用连采短壁技术回收边角煤

5号煤层一采区和二采区均有较多的不规则块段，综采工艺技术回采难度较大，投资收益率小，设备搬家频繁、工作面长度变化大。因此，提出采用具有采掘合一、机动灵活、适应范围较广等优势的连续采煤机短壁开采技术[10-11]解决上述难题，该技术自上世纪90年代从美国引进，发展至今具有成熟的开采工艺和完整的配套设备，并通过20多年的国内现场实践，初步总结出此技术的基础应用条件，现将5号煤层边角块段地质条件与其对比分析，从而分析其可行性，如表1所示。

表1 连采适用指标评价

由表1可知，无论是煤层埋深、厚度、煤层倾角、顶底板条件和煤层赋存都较为适合采用连采。采用间断式运输工艺，主要配套设备为连续采煤机、梭车、锚杆钻车、行走支架、给料破碎机和铲运车。开采工艺及方法为：连采短壁工作面采用3巷布置，并结合旺格维利式开采布置，分别布置主运巷、辅运巷和专用回风巷，主运巷与辅运巷在工作面一侧边界并列布置，护巷煤柱留设20m，另一侧布置回风巷，3条巷道通过支巷贯通，形成完整的循环风路系统，实现工作面的全风压通风。掘进时，回风巷采用单巷掘进方式，主运巷和辅运巷采用双巷掘进工艺(连采机掘进与锚杆机支护进行平行作业)；回采时，连续采煤机以采硐的方式完成回采工序，梭车进行转载运煤，给料破碎机进行破碎、装载，将煤运至工作面胶带输送机，履带式行走支架跟随连采机的后退式回采进行迈步式移动，临时支护支巷与采硐形成的三角区域顶板，开采过程中连采机和行走支架均可实现遥控器操作。经初步计算，此工艺条件下边角煤块段资源采出率约可达53%，生产能力可达0.4Mt/a。连采工艺如图4所示。

图4 连采开采工艺及通风方式

4 结论

(1)根据光明矿5号煤层的条件，采用理论计算和数值模拟得出沿空掘巷窄煤柱宽度应为5m；将综采工作面由原来的200m加长至240m，目前的开采工艺、采场矿压控制和装备制造水平均可满足；连续采煤机短壁开采工艺可解决采区边角煤的开采，资源采出率可达53%，生产能力可达0.4Mt/a。

(2)5号煤层在采用沿空掘巷留窄煤柱技术和加长工作面技术后，可多回收综采面遗留煤柱资源约3.36Mt；采用连续采煤机短壁机械化开采技术，可多回收开采边角煤资源约1.43Mt。3种技术手段综合，将使一采区和二采区资源采出率分别达到85.4%和86.9%，均达到了新规范要求。

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[责任编辑：周景林]

MiningTechnologyofImprovingMiningRatioofScarceCoalinGuangmingColliery

MA Jin-gong,JIANG Xiao-jun

(Taiyuan Research Institute Co.,Ltd.,China Coal Technology Engineering Group,Taiyuan 030006,China)

In order to improve mining ratio of scarce coal in Guangming Colliery,it was put forward that applying driving roadway along shallow coal-pillar,prolonging mining face and short-wall mining with continuous coal miner.Results showed that application of the 3 technologies in 5th coal-seam would rationally optimize full-mechanized mining face,make boundary coal mined and improve resource mining ratio of 2 mining zones from 82.1% and 80.3% to 85.4% and 86.9%,which would reach the requirement of state regulation for scarce coal resource and provide theoretical basis for later mining practice.

scarce coal; driving roadway along gob; prolong mining face; continuous coal miner

2013-12-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.009

山西省青年科技研究基金项目(2012021022-2)

马进功(1986-)，男，山西汾阳人，硕士，助理工程师，从事短壁矿山压力、边角煤短壁开采方法及设计、短壁充填技术等方面的研究工作。

马进功，江小军.光明矿提高稀缺煤种资源采出率开采技术研究[J].煤矿开采，2014，19(5)：29-32.

TD821

A

1006-6225(2014)05-0029-04