煤质中灰分分区统计分析与合理错距在煤层群配采中的应用

王威钦，丁自伟，廖敬龙，张元震

(1.武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065)

基础研究

煤质中灰分分区统计分析与合理错距在煤层群配采中的应用

王威钦1，丁自伟2，廖敬龙3，张元震3

(1.武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065)

为解决煤层群合理配采的需求及对煤质稳定的要求，分析了煤层赋存条件和开采方式对各煤层生产原煤煤质灰分的影响。通过大量地质钻孔统计，分盘区分析计算了现有综采条件下各煤层的煤质灰分预测值，得出配采灰分，为煤层群配采提供参考依据。根据矿井开拓和发展规划，按照合理错距，设计出合理的工作面配采方案，达到为选煤厂按优化配采方案提供均质原煤的目的。

煤质；灰分；统计分析；合理错距；煤层群；配采

陕北某矿井自上而下分为5个含煤段，井田内有可采煤层6层，分别为2-2，3-1，4-2，4-3，4-4，5-2煤，其中2-2，3-1，4-2和5-2煤为主采的厚及中厚煤层，4-3和4-4号煤层为薄煤层，各煤层存在不同程度的压茬问题。自试生产以来，为达到设计生产能力和保证效益，一直开采煤层厚和煤质好的下部5-2煤。目前，由于煤层压茬，使矿井接续紧张；且井田范围内薄煤层设计可采储量达0.184Gt，具有较高开采价值。为尽快调整生产接续，有效、合理地开采资源，确保矿井高产稳产，有必要进行煤层群合理配采预测分析。

煤层群配采中，根据各煤层赋存、生产技术条件等，对盘区各煤组厚、中厚、薄煤层及优、劣煤质进行合理配采，不仅可为选煤厂长期提供均质原煤，达到来煤数量均衡，质量均匀，使洗选后的煤质达到用户需求，而且可使闲置多年的其他盘区可采煤层正常开采[1-2]。同时，促进薄煤层开采技术的研究与应用，最大限度提高煤炭资源采出率，使矿井的可持续发展具有很好的经济和社会效益。

1 煤质合理搭配分析

根据相关研究，煤的发热量与煤的水分和灰分之间有较好的相关性[3-4]。分析该矿生产中影响煤质的各种因素[5]，得出主要影响因素有煤厚、煤层结构、顶底板、水分和机械化采煤程度等。各影响因素都直接或间接地对原煤灰分产生影响，特别是该矿为采用综合机械化开采和掘进的大型矿井，机械化程度较高，在生产过程中大量的顶底板和夹矸将不可避免地混入原煤中，来自顶底板和夹矸中的岩石碎块对原煤灰分影响较大，这与采煤方法的选择及其合理性有很大关系，生产矿井的原煤灰分比煤层煤样灰分相应增高。煤的灰分增高，其发热量降低，经济价值也降低。

灰分分为外在灰分和内在灰分，外在灰分来源于外在矿物质，通过洗选大部分能去掉[6]。因此，对该矿井生产原煤进行煤质预测时，首先进行矿井生产原煤灰分的预测工作，要求预测的生产原煤灰分值应该尽量切合本矿井生产实际[7-9]。因此，结合对各层煤的钻孔取芯煤质检验成果，本分区预测主要考虑原煤的灰分(Ad)、水分(Mad)、挥发分(Vdaf) 和分析基低位发热量(Qnet，ad)，分别统计出各盘区原煤的煤质参数，根据开采影响对煤质灰分做出预测，进而进行合理配采设计。

根据该矿2-2，3-1，4-2，4-3，4-4，5-2煤6层煤各煤层的储量和煤质，按灰分高低以及可选性难易程度不同，煤层按比例搭配开采原则，从采掘部署角度确定2-2，3-1，4-2，4-4，5-2煤5层煤煤层的配采方案(4-3与4-4都属于薄煤层，且赋存条件相似，可参考)，达到为选煤厂实现按最佳选煤生产方案生产提供均质原煤的目的。

2 煤质参数分区统计

通过煤质试验结果，各煤层煤的变质程度为镜煤最大反射率介于0.555%～0.597%之间，属第Ⅰ变质阶段之烟煤，即长焰煤-不粘煤范畴。其中2-2，3-1，4-2煤以长焰煤(CY41)为主，4-3，4-4，5-2煤以不粘煤(BN31)为主。各煤层不同盘区的煤质及实测发热量统计如表1所示。

表1 各煤层分区煤质统计

注：煤质参数中的数值为：参数(统计钻孔数)。

3 生产原煤灰分分盘区预测

矿井生产原煤灰分预测通过钻孔资料中煤层、夹矸、以及顶底板灰分的分区域统计，结合矿井的采煤方法，预测夹矸和顶、底板混入原煤的数量，从而计算出生产原煤的灰分，为煤质合理搭配做出预测[10]。

(1)夹矸混入量分析 根据矿井采煤方法及煤层夹矸的赋存情况，对夹矸进行分区域统计，发现各层煤夹矸基本在煤层中间，采煤过程中无法剔除，为保证资源利用率夹矸按照全部混入考虑。依据矿井钻孔柱状图，分区统计得到各煤层的夹矸厚度。统计结果如表2所示。

表2 各煤层赋存分区统计

(2)顶、底板混入量的分析 对于厚煤层，目前采用的采煤方法为一次采全高综采。煤层顶、底板都为泥岩和砂质泥岩，易垮落，采用留护顶、底煤的综采法，护顶底平均厚度按照0.05m考虑[10-11]。因此，为计算有效，煤层厚度按照扣除护顶和护底后的实际厚度计算。在预测灰分时，按照综采条件下计算经验和相似条件下薄煤层生产技术，相关生产现场都采取减矸措施，顶底板混入均考虑破碎小块矸石，结合以往研究经验，均按0.05m考虑。

(3)顶、底板及夹矸灰分的选取 根据勘探报告，分别对各煤层顶、底板及夹矸灰分进行统计分析。

(4)煤岩视密度 根据各煤层样品测试结果，剔除测试异常值，然后采用其算术平均值。各煤层视密度如表2所示。对于顶、底板和夹矸，由于岩性有差异，根据岩性分析，为计算方便，按照以往计算经验，本次均取2.00t/m3进行计算。

(5)矿井生产原煤灰分预测 根据统计分析，按照近似计算公式(1)，可得到各煤层的不同盘区的预测生产原煤灰分。各煤层不同盘区生产原煤灰分预测结果如表3所示。

(1)

式中，h1，h2，h3，h4为煤层平均厚度、混入原煤中的顶板厚度、混入原煤中的底板厚度、混入原煤中的夹矸层厚度，m；d1，d2，d3，d4为煤层、顶板、底板、夹矸层的平均视密度，kg/L；A1，A2，A3，A4为煤层、顶板、底板、夹矸层的平均灰分，%；Ad为该煤层预测的生产原煤灰分，%。

表3 各煤层分盘区灰分预测

4 煤层配采方案

4.1 按灰分确定煤层最优配采方案

4.2 确定煤层配采数据

(2)

式中，AK为可采煤层灰分；K为煤层分盘区生产能力比值，即煤层分盘区生产能力q与矿井所采煤层平均生产能力之比。

(3)

表4 各煤层分盘区配采数据

续表1

位于上下对称的相同配采灰分区域的开采区域工作面可以按1∶1配采，Ⅱ-区的1个工作面可以与I+区的2个工作面配采。参考煤层配采优化表，可方便选择优化配采方案，根据矿井的生产能力及实际开拓系统的布置，并考虑煤层间合理安全错距的情况下，合理选择开采区域的煤层搭配，保证矿井的生产能力和煤质需求。

表5 煤层配采优化

5 工作面配采方案设计及核算

5.1 合理错距计算

煤层群联合布置可以减少准备工程量，比较经济，联合布置可以采用“分层分采”与“分层同采”2种开采方式。“分层分采”工作面接替困难，尤其在上煤层较薄，下煤层较厚的情况下，先开采薄煤层时，矿井生产能力受到极大限制；先开采下层煤时，由于考虑到煤层间距的影响，上层煤容易被破坏，难以回采，造成大量资源的浪费。因此，大多数煤矿常采用“分层同采”的开采方式。在分层同采时，研究上层煤采动应力对下煤层的影响具有十分重要意义，对于确定上下煤层工作面合理错距有指导作用。针对煤层群联合布置分层同采工作面合理错距的确定有2种方法，即稳压式错距布置和减压式错距布置，2种方法计算的最小稳压式错距和最小减压式错距如表6所示。

目前近距离煤层群同采普遍采用的是稳压式错距布置形式，该形式具有较高的安全性，一般比较适用于矿山压力显现程度高及顶板完整性较差的矿井。同采稳压式工作面布置形式提高了近距离煤层群同釆工作面的稳定性，但对于巷道支护造成一定的困难，由于错距的增大，使下煤层回采巷道承受重复釆动影响的长度范围变大。

表6 可采煤层错距

5.2 开采设计

该矿井设计生产能力12.0Mt/a，分为5个盘区，如图1所示。采用斜井开拓方式，矿井有主、副斜井和回风斜井3个井筒，主、副斜井井口位于工业场地内，风井场地距离工业场地约2000m。按照规划，随着工作面的接续转移，后期增加西进、回风立井。

自试生产以来，为达到设计生产能力和保证效益，一直开采下部5-2煤。根据当前开采现状，由于压茬的存在，根据从井筒附近由浅到深、由近到远依次开采接替原则， 考虑当前的开采现状和后期规划，结合合理错距，以及生产集中，便于管理，满足通风、运输和排水，确定了联合开采顺序，即先采南一、北一，北二、南二、西一盘区依次为接续盘区。根据各煤层分布情况，移交盘区为南一盘区、北一盘区，沿5-2，4-2煤分层布置大巷， 4-2煤大巷分别通过辅运斜巷、煤仓和回风斜巷与5-2煤集中大巷联系。后期分别在3-1和2-2煤层布置大巷。

图1 矿井盘区布置

根据盘区接替原则、矿井开采和发展规划，结合煤层分盘区最优配采表，设计2个开采接续和工作面搭配方案，两方案主要配采煤层为5-2，4-2和3-1煤层，生产中搭配4-3煤和4-4煤。各配采方案不同阶段煤质灰分如表7所示。

表7 各配采方案不同阶段煤质灰分

5.3 产量与煤质核算

根据各煤层厚度及赋存，计算得出各煤层工作面设计生产能力如表4所示，为满足矿井产量和煤质需求，对设计方案产量和煤质灰分进行核算，结果如表7所示。

由煤质核算结果，方案一原煤灰分为13.97%～15.88%，方案二原煤灰分为14.05%～16.98%。方案二的厚煤灰分与平均灰分16.76%相接近，配采煤质较稳定。方案一煤质灰分较低，产量稳定，适合搭配薄煤层进行开采；方案二采出煤炭煤质稳定性好，产量大，但方案二在后期通风和运输系统较长，对矿井生产管理有一定影响。对如上所述各方案，由煤质检验成果和计算所得的配采灰分，根据煤炭资源评价灰分分级[10]，该矿井原煤属于低灰煤和特低灰煤范围，经过工作面配采设计所得平均灰分等级属于低灰煤，满足生产要求和用户对煤质要求。

6 结 论

(2)设计出工作面合理优化配采方案并对煤质进行了预测，得出各方案平均灰分等级属于低灰煤，保证了矿井原煤灰分稳定和用户对煤质要求。

[1]王绍留，王瑞琦.优劣质煤层配采方案研究[J].煤矿开采，2013，18(6)：40-42.

[2]姜 英，涂 华.动力煤和动力配煤[M].北京：化学工业出版社，2012.

[3]Patel S U，Jeevan Kumar B，Badhe Y P.Estimation of Gross Calorific Value of Coals Using Artificial Neural Networks[J].Fuel,2003,82(12):1491-1497.

[4]陈天生，邱嘉艳.人工神经网络预测煤的发热量[J].煤质技术，2006，7(4)：56-58.

[5]何立新.煤矿生产中影响煤质的十大因素及相关措施[J].矿山测量，2004，3(1)：61-63.

[6]陈文敏，刘淑云，王智灵.GB/15221-9《煤炭灰分分级》编制说明[J].煤炭分析及利用，1995，12(3)：37-39.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 15224.3-2009 煤炭质量分级 第三部分:发热量[S].北京：中国标准出版社，2009.

[8]中华人民共和国建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50359-2005 煤炭洗选工程设计规范[S].北京：中国计划出版社，2005.

[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 15224.1-2009 煤炭质量分级 第一部分:灰分[S].北京：中国标准出版社，2009.

[10]戴少康.选煤工艺设计实用技术手册[M].北京：煤炭工业出版社，2010.

[责任编辑：周景林]

Application in Coal Seam Group Coordinate Mining of Coal Ash Partition Statistic Analysis and Reasonable Stagger Distance

WANG Wei-qin1，DING Zi-wei2，LIAO Jing-long3，ZHANG Yuan-zhen3

(1.School of Civil Engineering ，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Energy College，Xi’an Science and Technology University，Xi’an 710054，China；3.Shaanxi Coal Industry and Chemical Technology Research Institute Co.，Ltd.,Xi’an 710065，China)

In order to solving the problems that reasonable coordinate mining of coal seam group and coal quality stability，influence that coal seam occurrence condition and mining method to raw coal quality was analyzed，according to a large amount geological holes statistics，coal quality ash predicted value of all different coal seam under fully mechanized coal mining now were calculated about different panels，and coordinate mining ash was obtained，it referenced for coal seam group coordinate mining.According to mine development，based on reasonable stagger distance，then reasonable working face coordinate mining schemes was designed，and homogeneity raw coal could be provided for coal preparation plant.

coal quality；ash；statistic analysis；reasonable stagger distance；coal seam group；coordinate mining

2016-07-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.002

国家自然科学基金项目(51504183)；陕西省自然科学基础研究计划(2015JQ5132)

王威钦(1987-)，男，甘肃临洮人，工程师，博士研究生，现从事矿山岩石力学及地下工程稳定性分析等方面的研究工作。

王威钦，丁自伟，廖敬龙，等.煤质中灰分分区统计分析与合理错距在煤层群配采中的应用[J].煤矿开采，2017，22(2)：5-9，46.

TD822

A

1006-6225(2017)02-0005-05