沙坪煤业13号煤层合理采煤方法分析

武成家

(1.晋能集团有限公司，山西 太原 030006； 2.山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司，山西 太原 030006)

引 言

矿井现有采煤方法主要为综采放顶煤和综采一次采全高，其中，一次采全高采煤方法适合开采煤层厚度为5 m～6 m以下的煤层。近年来，出现了8 m综采一次采全高采煤方法。对于10 m以上厚及特厚煤层主要采用综采放顶煤采煤方法，分别为分层开采和综放开采。分层开采的生产系统较为复杂，下分层开采安全性差、效率低，已较少使用；综放开采随着煤炭开采技术的成熟而成为开采厚及特厚煤层的主要方法[1-5]。

厚及特厚煤层采用综放开采，首先，需要分析围岩条件及冒放性是否能满足顶煤冒放回收的需要，确定是否需要相应的技术措施提高顶煤的放出效果。其次，还需要分析工作面综放工艺的整体适应性，特别是初次采用综放的矿井，以减少技术投入的风险，为矿井发展规划提供保障。本文以沙坪煤业13号煤层作为研究对象，从产能、经济和安全角度，分别对该煤层采用分层开采和综放开采进行分析，得到合理的采煤方法。该研究可以为矿井的生产规划提供依据，提高煤炭生产安全性、高效性与回收率。

1 13号煤层赋存特征

13号煤层位于太原组二段中下部，分布于全井田。在井田一盘区，分为13上煤层和13号煤层，其中，13上煤层厚度4.57 m～9.39 m，平均5.92 m；13上煤层与13号煤层间距1.16 m～9.35 m，平均5.61 m；13号煤层厚度6.10 m～22.22 m，平均16.84 m；13号煤层夹矸层数1层～18层，夹矸累计厚度0.43 m～9.47 m。在一盘区划分的工作面内，靠近井田边界处的13上煤厚度较大，基本在4.5 m以上；越靠近井田内部，13上煤层厚度越小，经历5个～7个工作面，煤层厚度从9.5 m变薄至0.5 m；一盘区北面，夹层厚度呈中间厚四周薄的分布特征，最厚处达9 m以上，最薄处1 m；一盘区南面，夹层厚度呈单斜构造，从西南边界处至井田内部，厚度从8 m减小至1 m。在二盘区，13上煤层和13号煤层合并，称为13号煤层，二盘区13号煤层厚度未出现分叉现象，大部分区域煤层厚度在15 m以上。

煤层顶板岩性以泥岩为主，局部为砂质泥岩、粉砂岩、砂岩；底板岩性以泥岩为主，局部为炭质泥岩、砂质泥岩。13号煤层的单轴抗压强度平均为18.43 MPa，抗拉强度为1.035 MPa，属于中硬煤层，韧性较低，煤层埋深平均167 m。13号煤层在4.00 Mt/a产量生产条件下，开采13号煤层时，矿井最大绝对瓦斯涌出量15.48 m3/min，最大相对瓦斯涌出量为1.84 m3/t；回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为4.52 m3/min，掘进面最大绝对瓦斯涌出量为1.69 m3/min，开采13号煤层时为瓦斯矿井。13号煤层自燃倾向性等级均为Ⅱ类，属自燃煤层，煤尘均具有爆炸危险性。

2 13号煤层分层开采方法分析

由沙坪煤业13号煤层的具体赋存条件可知，该煤层开采时主要问题为综放开采时顶煤的冒放性，分为顶煤可冒性和可放性。顶煤的冒放性和煤层的硬度、裂隙发育程度、埋深等相关。1) 顶煤体抗压强度普遍偏高，大部分在25 MPa以上，即，煤层普氏硬度系数f大于2.5；2) 煤层裂隙不发育，整体性比较好，韧性较大；3) 煤层埋深比较浅，当煤层埋深较小时，顶煤受支承压力作用的影响较小，顶煤不易破坏，不利于顶煤的放出。13号煤层平均厚度为16.84 m，为中硬煤层，煤层普氏硬度系数平均为1.84，煤层埋深较浅，该煤层的冒放性需进一步分析。利用现有综采装备在13号煤层分两层布置工作面进行大采高综采开采，以工作面产能为目标，从技术、经济及安全角度针对分层开采方法进行分析。

2.1 产能要求分析

产能要求为800万t/a。分层开采时，13号煤层工作面长度为300 m，采煤高度6.8 m，按照年生产330 d计算，每天要求产量达到24 242 t。工作面日推进循环数计算公式见式(1)。

(1)

式中，n为日循环数；L为工作面长度，m；K1为生产不均衡系数，取1.18；Qr为工作面日产量，取24 242 t；H为煤层采厚，m；B为循环进尺，0.8 m；γ为煤体容重，取1.45 t/m3；C为工作面回采率，取95%。

矿井在开采8号煤层时，工作面长度为240 m和300 m，工作面日推进6刀～10刀，可以满足工作面产能240万t/a要求。预计13号煤层工作面日推进循环数达到10刀，对应日推进度为8 m，但需要工作面长度达到300 m，以目前矿压显现情况和工作面管理水平，13号煤层综采工作面很难以实现年产量800万t的产能要求，当年产量为400万t时，日产量要求12 121 t，工作面长210 m，日推进8刀，可以满足产量要求。

2.2 经济要求分析

从经济角度分析，采用分层开采时存在的问题主要为：1) 煤柱损失量大。对于13号煤层分层开采，由于上、下层距离较近，上煤层回采留设煤柱引起应力集中，造成下煤层巷道需要避开应力集中区，一般需要采用内错或外错式布置方式，这样就增加了煤柱煤炭损失，尤其是下部煤层煤质较好，影响了煤层开采的经济性；2) 巷道掘进率高。13号煤层采用分层回采方式时，每个工作面均需要多掘进两条巷道、一条切眼，造成巷道掘进、支护及维护费用增加；3) 工作面设备投资大。采用分层开采时，工作面设备的投资费用高于综放开采，13号煤层可布置50个工作面。根据煤矿生产实际情况，13号煤层服务年限可达34.7年，工作面整套装备寿命按6年计算，至矿井回采后期需要6套装备。

2.3 安全要求分析

1) 自然发火。在同样煤层条件下，一次采全高比分层开采自然发火的机率小得多，13号煤层属自燃煤层，即便本煤层开采未出现自燃现象，由于埋深较浅，8号煤层有采空区，上分层开采可能引起的顶板破坏、不能形成规则“三带”，造成采空区漏风，在下分层开采对上分层采空区重新揭露后，采空区及巷道自然发火的危险性将大幅度增加。

2) 顶板管理。受上组煤层采动影响，开采下部煤层工作面时顶板和巷道管理困难，易造成顶板冒顶伤人的事故，开采效率低。13号煤层厚度大所具有的单位面积储量上的优势反而变成了开采经济效益上的劣势。13号煤层开采下分层顶板维护困难，需要增加铺网工艺，在很大程度上限制了正常生产。煤壁稳定性较差，要采取综合措施防治煤壁片帮，增加了工作面顶板管理的难度，增加了经济成本。

3) 瓦斯。13号煤层单层开采达4 Mt/a时，矿井瓦斯最大绝对涌出量15.48 m3/min，瓦斯最大相对涌出量为1.84 m3/t；回采工作面瓦斯最大绝对涌出量为4.52 m3/min，掘进面瓦斯最大绝对涌出量为1.69 m3/min；该矿井开采13号煤层时为瓦斯矿井。根据13号煤层赋存条件，上部煤层预先开采形成解放层，有利于下部煤层瓦斯释放。

3 13号煤层综放开采方法分析

3.1 产能要求分析

13号煤层在分层开采条件下很难满足800万t/a产量的要求。基于沙坪煤矿13号煤层的条件，适当增大割煤高度条件可进行整层合并开采。在国内现有的开采设备水平下，综放工作面每日循环为6刀～10刀，13号煤层整层开采时产能可以满足工作面年产800万t的生产目标；综放工作面每日循环数为3刀～4刀，13号煤整层开采时产能可以满足年产400万t的生产目标。

3.2 经济要求分析

1) 降低煤炭损失、降低巷道掘进率。采用一次采全厚综放开采避免了厚度较大处顶煤及巷道之间煤柱的损失，降低了吨煤生产成本，提高了工作面生产效率。13号煤层整层开采降低了巷道掘进量，按井田范围内25个工作面计算，单层煤少掘巷道近150 000 m，合并开采减少了采煤机割煤量，材料及电力消耗减少，吨煤生产成本大幅降低，生产效率提高，实现高效集约化生产。

2) 设备投资降低幅度大。有利于设备的维护与保养，延长设备使用寿命。放顶煤开采工作面，由于煤炭产量的大部分由垮落顶煤构成，支架、采煤机和前部刮板输送机等设备与相同产量的普通综采工作面设备相比，使用时间短，过煤量少，设备使用寿命延长。

3) 含矸率增加。13号煤层间有0层～18层夹矸，总厚度3 m左右，占13号煤层总厚度的19%，此外，放顶煤易混矸，13号煤层整层开采会使原煤发热量降低1 256 kJ～1 674 kJ，煤质变差。本层冒落块度较大，洗选工艺简单，但也会使洗选成本增加3元/t～4元/t。

3.3 安全要求分析

1) 自然发火。改善了自燃煤层的管理。与分层开采下部煤层自燃防治相比，13号煤层整层开采有利于煤层自然发火的防治。

2) 顶板管理。13号煤开采工作面压力显现剧烈。采用分层开采，由于上部煤层开采造成顶板岩层破坏，回采影响稳定后，下部煤层开采在采空区下进行，工作面压力较小。13号煤整层开采时，一次采出煤厚较大，回采强度增大，回采影响范围较广，工作面冒顶片帮加剧，矿压显现较为强烈，甚至造成工作面支架压架等事故。

3) 通风安全。13号煤层瓦斯含量较低，但由于一次采出煤层厚度大，工作面的短时瓦斯涌出量相对较大，因此，要求有足够大的通风断面来满足工作面大配风量的要求。

4) 有利于顶煤的破碎。当13号煤层整层开采时，结合综放理论，由于一次采出厚度大，造成了更大范围的顶板运动，煤层在下部煤体冒落和基本顶回转压力下发生破坏而冒落，从而保证了顶煤能够充分破碎。

4 合理采煤方法选择

13号煤层可选择的采煤方法主要为分层开采和综放开采。一盘区内有13个工作面范围内的煤层出现了分叉，分叉为13上煤层和13号煤层，13号煤层厚度较大，适宜采用综放开采方法；13上煤层为厚煤层，适宜采用大采高综采开采方法。在一盘区南翼与二盘区共有20个工作面范围内的13上煤层与13号煤层合并，此区域煤层厚度较大，赋存条件优越，可采用整层综放开采方法。

13上、13号煤层层间岩层是影响采法选择的主要因素，层间岩层的厚度决定了顶煤的冒放性和原煤含矸率，因此，在选择整层综放开采时，要求13上、13号煤层层间距应该尽可能小，通过对一盘区、二盘区各煤层以及层间岩层厚度进行的统计分析，最终确定了各区域适宜采用的采煤方法，即，一盘区北翼工作面可以采用上分层综采、下分层综放开采，一盘区南翼、二盘区工作面宜采用整层综放开采。

5 结论

本文基于沙坪煤矿13号煤层中硬偏软、厚度较大、顶板坚硬等赋存条件，对13号煤层采煤方法进行了研究。

1) 沙坪13号煤层厚度较大，通过特厚煤层采煤方法进行科学论证，分析不同采煤方法对13号煤层的优缺点及适应性，确定了13号煤层采煤方法，即，13号煤一盘区北翼13上煤层采用综采开采方法；一盘区南翼、二盘区工作面，采用整层综放开采方法；

2) 通过对13号煤层顶煤冒放性的分析，13号煤层顶煤冒放性较好(Ⅱ类)，顶煤可以自行垮落，但存在部分区域直接顶坚硬，不能随采随冒，在采空区形成悬顶，造成顶煤垮落不充分或滞后垮落，可采取顶煤弱化或增大割煤高度等措施提高顶煤冒放性；

3) 该矿井首次采用综放开采，13号煤层工作面采用一次复合特厚煤层综放开采，开采条件复杂，开采时仍存在较多问题，如，采煤方法论证、开采参数选择、合理综放工艺、设备选型配套等。本文可为矿井生产规划提供依据。