复合煤层区工作面分层回采技术研究

张华星 张东旭 肖见兵

（1.山东浩珂科技有限公司，山东 济宁 272000；2.徐矿能源股份有限公司张双楼矿，江苏 徐州 221000；3.临矿集团王楼煤矿，山东 济宁 272000）

1 引言

受地质年代中成煤时期及地质构造等因素的影响，一定区域内煤层赋存厚度及相邻煤层间距有时存在较大差异，并且会对后期煤炭资源回采方法的选择有很大影响。对于稳定性的厚煤层，常采用大采高综采技术、分层回采技术及综采放顶煤技术进行资源回收。然而对于厚度不稳定煤层，选择何种回采方式保证较高的煤炭资源采出率，成为摆在煤矿工作者面前的难题。

本文以张双楼矿74102工作面作为工程实例，旨在分析不同开采技术在复合煤层区的应用特点。由于大采高综采技术不仅对设备有较高要求，更关键是要求煤层赋存较为稳定，本工作面不具备大采高综采技术实施条件，鉴于此，本文仅分析分层开采技术与综放技术在复合煤层区的回采特点，为后续工作面布置提供参考指导。

2 概况

张双楼煤矿地处徐州西北部，隶属江苏徐矿能源股份有限公司，设计产能2.25Mt/a。井田水平标高为-200m～ -1200m，东西走向长13.5km，南北倾斜宽2.9km，面积约37.9km2。井田内可采煤层为7#、9#、17#、21#煤，平均总厚度8.21m。目前主采7#煤层的74采区74102工作面位于-1000m水平延伸采区，东起工广保安煤柱，西距井田内10号勘探线约200m，南部为7425、7426工作面采空区，北部尚未开采。

74102工作面设计回采东西走向长1108m，南北向斜长153.6～200.4m，平均约175.3m。根据顺槽探明情况，回采区域内7#煤与9#煤煤层间距呈由西向东逐渐减小的趋势，并在工作面东北部合成，使工作面回采厚度在1～11m变化，煤层可采指数为1，变异系数41.6%，属极不稳定煤层区。工作面总体为倾向NNE单斜构造，地层倾角为10～35°，平均22°。74102工作面位置如图1所示，顶底板煤岩性特征及力学参数如表1所示。

图1 74102工作面位置

表1 74102工作面顶底板煤岩性及力学参数

3 回采方案对比

3.1 分层开采技术特点

分层开采技术通过设置层间人工假顶将整体厚煤层划分成若干中厚煤层，以适应常规工作面回采要求。随着分层开采技术的广泛应用发展，其已经具备技术成熟、资源采出率高等特点。

针对74102工作面煤层赋存特征，其西区煤层主要为较稳定的7#煤，而东区受9#煤合成影响，造成区域煤厚变化较大。若采用分层开采技术，可在74102工作面布置适宜7#煤层采厚的综采设备，进入复合煤层区后，工作面沿7#煤层顶煤布置巷道进行回采，并随铺人工假顶。而下分层工作面主要回采9#煤，并在复合煤层区沿9#煤底煤布置巷道进行回采，以此保证复合煤层区资源得到最大程度采出。分层开采巷道布置示意图如图2所示。

3.2 综放开采技术特点

综采放顶煤开采技术通常是沿煤层底板布置回采巷道，巷道高度与常规工作面巷道一致，然后采用综合机械化设备进行回采推进。在工作面超前支承压力作用下，顶煤破碎成散体，并从专有放顶煤液压支架后方的“放煤窗口”冒落至后端刮板输送机上，从而实现顶煤的回采。综采放顶煤技术如图3所示。

图2 复合区煤层分层开采示意图

图3 综放开采示意图

一般而言，煤层综放开采技术可行性主要依赖于顶煤的冒放性，即顶煤在超前支承压力作用下的冒落程度。顶煤冒放性与煤层强度直接相关，并常用普氏系数表示。普氏系数越小的软煤，其冒放性最佳，而随着煤层普氏系数的增大，其顶煤冒放性逐渐变差，也越不适宜用综放开采技术。表2所示为基于普氏系数的煤层分类。

表2 基于普氏系数的煤层分类

如表1所示，7#煤层单轴抗压强度为12.63MPa，其普氏硬度为1.26，故属于软煤。单从7#煤层强度而言，其符合综放开采要求，但由于复合煤层区范围有限，不能仅在复合煤层区布置回采巷道，为满足工作面长度要求，需外延复合煤层区一定距离布置回采巷道，即如图4所示。

图4 综放开采工作面巷道布置示意图

3.3 对比分析

分层开采和综放开采都能保证复合煤层区资源的较高回采率。综放开采的7#顶煤虽满足冒放性要求，但在工作面布置时，7#煤与9#煤层间存在厚度不一的细砂岩及泥岩夹层，且细砂岩为9#煤的基本顶岩层，强度很高，在支承压力作用下，难以发生冒落，这会对上覆7#煤层回采率产生较大影响。即使综放工作面顶板能顺利冒落，也会增加选煤成本。而分层开采虽然存在巷道布置复杂，掘进量大等缺点，但能有效满足复合区回采及工作面长度要求。

基于以上原因，74102工作面不宜采用综采放顶煤技术，选择分层回采作为复合煤层不稳定煤厚区资源开采方法。

4 巷道及人工假顶布置

根据上述分析，分层开采巷道布置可采用如下方式：

（1）在上分层回采时为保证7#煤采出率，根据煤层平均厚度设计巷道宽高比。首先沿7#煤底板完成掘进巷道2，从而可探明7#与9#煤间距变化情况，实现一巷双用。然后根据工作面综采设备型号进行巷道1的掘进，此时完成7#煤上分层工作面布置，即74102工作面。

（2）74102工作面回采过程中，在临近复合煤层区后，开始施作人工假顶，拟使用重量轻、强度高、耐腐蚀性好、低蠕变的聚合长丝纤维沿经纬纵横方向整体编制而成的聚酯纤维柔性网作为人工假顶材料，其敷设流程为：液压支架安装绞盘及定滑轮→工作面调直→运网→柔性网搭接→挑至顶板挂网→割煤、移架，完成柔性网铺设。根据74102工作面顶板岩性、冒落特征、周期来压步距及复合煤层回采规模，柔性网规格尺寸选择如表3所示。

表3 柔性网规格尺寸

（3）待74102工作面回采完成并形成采空区一段时间后，此时根据9#煤层采区布置情况，布置下分层工作面回采巷道3和4。为避免受上分层煤柱留设形成的高应力区影响，下分层工作面巷道3、4布置应以内错式为宜，使其处于采空区下低应力区。

5 结 论

（1）复合煤层不稳定煤厚区在采用分层回采时，为保证资源回采率，上分层巷道沿7#煤层顶煤布置，而下分层回采时沿9#煤层底煤布置。同时，上下分层巷道需采用内错式布置方式避开高应力区。

（2）在分析综放开采技术回采复合煤层时，顶煤冒放性不仅与煤层强度有关，更需要考虑复合煤层层间距变化情况。

（3）复合煤层分层开采采用聚酯纤维柔性网人工假顶布置，不仅可以提高工作效率，也能保证9#煤层回采时柔性网的整体护顶效果。图5所示为柔性网假顶现场应用效果图。

图5 柔性网人工假顶工作面应用效果图