浅谈古城煤矿厚煤层综放开采的关键技术及问题

李 鑫

(潞安集团 古城煤矿建设管理处，山西长治 046108)

古城煤矿位于潞安井田西南部，是潞安集团在建的一座特大型矿井，设计生产能力800万t/a，服务年限71.4 a，开采深度+500～-100 m标高，主采3号煤层，煤层均厚6.3 m。井田总体为一向西倾斜的单斜构造，倾角4°左右，现已查明断层有10余条，工程地质条件中等，3号煤层顶底板条件较好，矿井直接充水含水层为顶板砂岩裂隙含水层，矿井正常涌水量为341.6 m3/h，最大涌水量500 m3/h，水文地质条件为中等。矿井瓦斯平均含量为10.34 ml/g，属于高瓦斯矿井。本文以S1301工作面为例，探讨古城煤矿厚煤层开采的关键技术。S1301工作面位于古城矿井南一盘区，可采范围1 297 m，切眼长302 m，煤厚6.32 m，可采储量346.6万t，采用走向长壁、后退式低位放顶煤一次采全高全部垮落式综合机械化采煤法。

1 厚煤层开采工艺简介

目前，我国厚煤层开采工艺主要采用分层开采工艺、大采高一次采全高采煤法和综采放顶煤采煤技术[1]。在现有生产技术条件下，分层开采主要适用于大于10 m厚煤层的开采，大采高一次采全高采煤法主要适用于3.5～6 m的煤层厚度，综采放顶煤采煤技术主要适用于6～10 m煤层开采，其中为了节约成本，提高采煤效率，综采放顶煤采煤工艺的适用范围越来越广泛[2]。

1) 分层开采工艺是将厚煤层按照2.0～3.0 m的厚度进行分层，自上而下逐层开采，在上分层开采形成人工假顶或者再生顶板后，下分层进行煤层回采。该方法投入设备少，顶板及地表变形较缓和，便于瓦斯治理，但开采成本高，巷道布置较困难，下分层的支护难度较大。

2) 大采高一次采全高采煤法是沿煤层走向或倾向一次采全高的综采工艺，该方法具有产量大、效率高，适用于集中生产或者简单矿井生产。但一次采全高对机械设备、巷道布置和硐室尺寸等要求较高，生产投资较大。

3) 综采放顶煤采煤技术是沿厚煤层底板布置一定高度的长壁工作面，用常规综采方法采煤，借助煤层采空区顶板压力或者外界辅助爆破等方法，使上部未采煤层垮落或破碎，然后利用辅助运输设备将顶煤运出工作面的采煤工艺，见图1。综采放顶煤技术是采用单一的采煤技术获取双倍的煤层采量，该方法具有巷道掘进少，采煤成本低，煤炭产量大、生产效率高等特点，目前已经广泛应用于厚煤层的开采，并且获得了很好的生产效益。

图1 综采放顶煤开采示意

2 综采放顶煤采煤工艺关键技术

随着科技的发展以及综采放顶煤采煤技术的不断成熟，综采放顶煤技术已经成为建设高产高效矿井的有效途径，并且为我国不稳定煤层开采提供了最有效方法[2-3]。综采放顶煤技术的关键在于综放比的选择，放顶煤时机的把握，沿煤层底板掘进巷道的支护等。而对于古城煤矿来说，矿井属于高瓦斯矿井，且属于大断面巷道掘进，所以综采放顶煤应当制定合理的瓦斯防治措施以及大断面煤巷的支护稳定。

2.1 综放比选择及放顶煤时机把握

综放开采的出煤量主要包括采煤机割煤和放顶煤两部分，综放比是采煤机割煤高度与放顶煤高度之比，选择合理的综放比是采煤工作面实现高产高效的重要前提。按照古城煤矿工作面煤层赋存条件，综采放顶煤设备条件，以及已有相邻矿井工作面综放比经验值，古城煤矿S1303工作面综采高度控制在(3.3±0.1)m，综放比为1∶0.915。

放顶煤时机主要包括初次放顶煤距离和放煤步距的确定。为了防止老顶初次来压对工作面的威胁，工作面开始只进行采煤机割煤不放顶煤，待老顶突然来压过后，再进行放顶煤。放煤步距是相邻2次放顶煤的间隔距离，直接关系到工作面的回采率和含矸率，为了简化采煤工艺，一般选择采煤机割煤深度的整数倍。S1301工作面采用MG400/930-WD电牵引双滚筒采煤机，截深0.8 m，利用支架尾梁摆动的低位放煤方式，采用两人双轮顺序放煤法，放煤步距0.8 m。

2.2 大断面煤巷支护

大断面巷道由于巷道跨度范围广，两帮及顶板都为煤层，巷道围岩抗压能力低，巷道顶底板和两帮移近量也随之增大。再加上断层、陷落柱等地质异常的存在，巷道围岩变形量可能更为严重，对巷道的安全快速掘进造成威胁。除此之外，大断面厚煤层巷道对支护条件提出了更高的要求，如果出现支护失稳或者支护强度不够等情况，巷道围岩容易发生冒顶和片帮事故[4]。以S1301工作面辅运巷例，断面为5.2 m×3.8 m，为矩形断面，支护形式为锚网索+梯子梁支护形式，锚杆采用锚杆采用左旋无纵肋螺纹钢锚杆，型号为D22 mm×2 400 mm，锚杆托盘为150 mm×150 mm×10 mm的弧形高强度托盘。锚索采用高强度低松弛钢绞线锚索，直径18.9 mm，长度为8 300 mm，锚索托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm。金属网片采用D10铁丝加工编制的经纬网，网孔为40 mm×40mm。梯子梁选用D14 mm圆钢加工而成。

2.3 瓦斯防治

煤矿开采破坏了煤层中瓦斯平衡，致使煤层赋存瓦斯大量涌出，而综采放顶煤开采技术，相当于对煤层进行了二次干扰，对煤层和上覆岩层的扰动程度加大，造成裂隙发育，为瓦斯释放提供了有力的通道，同时也为瓦斯治理提供了有力条件[2-5]。主要表现在：①综采过程开采强度大，煤炭一次产量较大，造成工作面绝对瓦斯涌出量大；②放顶煤过程中，煤炭产量相对降低，而此时煤层机理发生变化，形成破裂甚至破碎，为瓦斯释放提供了有力条件，造成工作面瓦斯积聚。对于古城煤矿来说，高瓦斯矿井更容易造成工作面瓦斯积聚，引起瓦斯事故的发生，因此，要加强瓦斯涌出规律和瓦斯防治工作。综采放顶煤开采瓦斯防治主要以有效的通风系统风排瓦斯和高抽巷瓦斯抽采为主，其中距煤层顶板一定垂直距离范围内开掘高抽巷是高瓦斯工作面瓦斯的排放，尤其是上隅角瓦斯的治理最有效的措施之一。已有兄弟矿井高抽巷应用效果显示，高抽巷抽采量占工作面总瓦斯涌出量的50%以上，有效抑制了瓦斯对工作面的安全影响。而为了提高高抽巷的瓦斯抽排效果，应当根据裂隙带高度发育和煤层顶板条件选择合适的高抽巷位置。

3 综采放顶煤开采的技术问题

综采放顶煤开采存在的问题主要集中在如何提高煤炭资源回采率，以及控制地表沉陷减小对地表建(构)筑物、公路等的损毁影响。

3.1 提高煤炭资源回采率

选择合理的综放比，对提高煤炭资源回采率具有重要意义。如果按照综放比理论来讲，煤炭资源回采率可以达到80%～90%以上，但由于综放比选择的不合理性，以及达不到充分放顶煤，致使现有综采放顶煤工作面回采率仍旧较低。充分放顶煤是将顶煤完全放落，放煤后煤层顶板可见，如何提高资源回采率，除了选择合理的综放比和放顶煤时机把握，还需要对放顶煤的实施过程进行细化。古城煤矿为了提高资源回采率，应当加强相关技术人员的综合能力与专业素质的培训，并加强放顶煤监督管理，切实做好放顶煤工作。除此之外，可以借鉴王庄煤矿、余吾煤业等相邻矿井采用的“5 m行动”，即在下达月度生产计划标准下每百米少推进“5 m”进尺或每刀煤提高5%的产量，在规定产量不变的情况下节约“5 m”煤炭资源，实现煤炭的精采细采。

3.2 控制地表下沉

综采放顶煤开采对上覆岩层更为剧烈、范围更广的影响，对地表造成的破坏程度也随之加重。古城煤矿存在村庄下、公路下压煤现象，为了提高煤炭资源的回采量，减小地表建(构)筑物、公路等损毁程度，保护矿区生态环境，必须采用科学方法对采煤塌陷进行控制。目前，我国建(构)筑物、公路下采煤主要以充填开采为主，村庄下压煤开采可以采用搬迁开采和不搬迁充填开采两种，搬迁开采因耗时耗费，逐渐被淘汰。基于综采放顶煤后顶板垮落和上覆岩层活动规律的研究，可以采用覆岩离层注浆技术控制采煤塌陷。但关键在于获取准确的地表移动参数、选取合适的注浆离层、选择适合的注浆材料、把握注浆时机等，根据具体生产环境进行工程设计。

4 结 语

古城煤矿作为潞安集团未来发展的重要矿井，矿井的高产高效生产对古城煤矿的发展具有重要意义。随着现代化煤矿生产技术的不断发展，古城煤矿更应当把握煤矿现代化建设的契机，充分发挥综采放顶煤技术在煤炭资源回采中的优势，提高矿井生产安全和煤炭资源回采率。同时，应当遵循国家对矿区环境治理的政策和法规，选择更为科学绿色的采煤方法，保护矿区生态环境，努力达到生态平衡。