六龙煤矿7#煤层放顶煤开采工艺探讨

陈助良

【摘 要】煤炭工业是国民经济的基础产业，煤炭在中国一次能源中一直占据主导地位。吉利百矿集团依托资源优势，延伸产业链，产业结构从单一煤炭开采向煤电铝一体化产业链发展，而煤炭作为终端能源，是火电厂得以运行的基础保障。为实现企业可持续发展，必须突破煤炭供应紧缺的瓶颈。文章结合吉利百矿集团六龙煤矿的实际条件，探究应用放顶煤开采工艺，从技术上、经济上进行了合理性分析，并通过分析计算得出开采高度、采放比及效益性等相关参数。该工艺与传统分层开采相比，取得良好收益，是突出矿井消突后实现降本增效、高产高效的有力途径，具有重要的借鉴意义。

【关键词】极软倾斜厚煤层;放顶煤;安全高效;分层开采

【中图分类号】TD823.49 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）09-0074-03

0 引言

近年来，为破解单一煤炭产业结构的发展瓶颈，解决企业持续发展问题，吉利百矿集团积极贯彻落实自治区、百色市党委、政府全面推进铝产业“二次创业”的决定，大胆探索资源型经济特征的供给侧结构性改革之路，立足煤炭、铝土矿等资源优势，推动煤电铝一体化循环经济产业发展，不断破解制约产业发展的结构性矛盾，企业规模快速扩张，企业发展质量和效益明显提升。广西、贵州、云南等我国西南地区，煤矿规模小，地质条件复杂，产能低，加上目前煤炭行业整体去产能的背景下，为切实保障煤电铝一体化项目的煤源供应，吉利百矿集团正在实施一批煤矿技改扩建项目。六龙煤矿作为吉利百矿集团90万t技改扩建矿井，探讨改进现有的开采工艺技术，实现安全高效开采，为集团发展提供能源保障，成为集团煤炭工程技术人员和科研人员值得思考、解决的难题。

1 六龙煤矿概况

六龙煤矿位于贵州省六盘水市六枝特区平寨镇杨丰村，属六枝特区平寨镇管辖，矿区面积为1.579 9 km2，其中矿区东西长1.414 km，南北长1.635 km。地表标高为+1 767～+1 500 m，相对高差为267 m，开采深度标高为+1 600 m～+1 000 m，工业场地标高为+1 495 m～+1 505 m。矿井设计可采储量为492.19万t，设计生产能力为30万t/a，矿井服务年限为12.6 a。开拓方式为平硐+斜井联合开拓，通风方式为中央并列式。

六龙煤矿属煤与瓦斯突出矿井，3#、7#煤层煤尘均有爆炸性，自燃性倾向分类为二级（自燃）。矿区含煤地层为龙潭组，组内含煤层5层，其中可采煤层为7#煤层，局部可采煤层为3#和18#煤层，8#和9#煤层均为不可采煤层。矿区内煤属高变质煤，3#、7#煤层为瘦煤，18#煤层为贫煤，挥发分一般为11.1%～18.2%，胶质层厚度为0～12 mm，灰分在25%左右，全硫为2.3%～6.5%，属低～中灰、中～高硫煤。其中，7#煤层为矿井主采煤层，平均厚度为6.4 m，倾角为26°，煤的硬度系数为0.18左右，为极软倾斜厚煤层。煤层直接顶为生物灰岩，平均厚度为3 m;基本顶为粉砂岩，平均厚度为8 m;直接底板为泥岩，平均厚度为3 m;基本底为粉砂岩，平均厚度为7 m。3#煤层平均厚度为1.05 m，该煤层顶板以粉砂岩为主，少数为泥岩，底板为黏土岩及泥岩。

现开采一采区，主要开采F20断层以南+1 350 m标高以上的3#、7#煤层，采用综合机械化开采工艺，预计划2020年一采区开采完毕。为了保证矿井正常采区接替，现准备二采区的接替系统。

2 7#煤层采煤方法的确定

开采厚煤层常用的方法有放顶煤、大采高、分层开采3种方法，这3种方法有着不同的使用条件、技术特点及优缺点（见表1）。

根据六龙煤矿地质资料，7#煤层厚度为6～8 m，煤层倾角在26°左右，煤的硬度系数为0.18左右，为极软倾斜煤层，煤层节理裂隙发育，地质构造复杂，不属于大采高采煤法的适用范围，除此之外，大采高采煤法所采用的设备体积比较大，而六龙煤矿现有生产系统的主要巷道、硐室尺寸不能满足大采高设备的运输，若采用大采高采煤法，需要对现有的生产系统进行改造，其改造成本较高，同时会影响矿井的正常生产，因此六龙煤矿无论是从技术还是经济的角度都不适宜采用大采高采煤法。

虽然分层开采的适用范围较广，但是开采过程中采空区自燃、瓦斯及下分层开采过程顶板漏顶和冒顶的问题较为突出，同时分层开采巷道掘进工作量大，准备时间长，设备搬家次数多，容易造成接续紧张，不利于实现矿井高产高效，因此从经济和技术的角度都不适宜采用分层开采。

综合3种采煤方法的适用条件、技术特点和优缺点，选取放顶煤开采一次采全厚，与其他回采工艺相比，在工作面回采的过程中，对煤层的破坏扰动范围较其他回采工艺要大，破坏程度会加剧，使煤岩体中的裂隙发育效果更好，更有利于瓦斯均匀释放，煤层高支承压力区向前推移，距回采工作面更远，高瓦斯区集中到回采工作面后面采空区上部，工作面的危险性降低。

但是，对于六龙煤矿而言，优先选择综采放顶煤工艺，首先必须采取顺层钻孔或穿层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯、水力冲孔等有效的综合性防突措施，通过突出危险鉴定，达到《防突规定》和《煤矿安全规程》规定的要求，基本上解除了煤层的突出危险性，然后才能实现安全高效回采。

3 二采区7#煤层开采高度确定

放顶煤开采是一个顶煤松动、破坏、垮落过程，在采煤机割煤后形成采空区后，顶煤在矿山压力和自重作用下破坏、垮落形成松散无规则的块体下落。因此，选取合理的采放比有利于顶煤的充分破碎。但是，由于六龙煤矿煤质极软，因此存在煤壁片帮危险。在选取合理采放比时一定要考虑采高对煤壁片帮的影响，煤壁滑動体力学模型如图1所示。

根据巴顿提出边坡岩体平面破坏极限平衡法，当达到c点煤体的极限强度时，通过该点滑动面上正应力与剪应力满足：

τ=σntanφ+C

此时，煤壁滑动面c点将破坏，形成裂缝如图1中cd所示，经过采动影响后，裂缝之上abcd区域为不稳定区，以下的cde区域为稳定区，其高度为煤壁稳定临界高度，故煤壁临界高度Hde：

式中：γ为煤体的比重;C为煤体的黏聚力;φ为煤体内部摩擦角;K为煤壁稳定性系数

分析可以得出，提高支架工作阻力P值，煤壁承受力P0减小，K值增大，临界高度Hde增大;反之减小，故煤壁最小临界高度

根据六龙煤矿软煤物理力学性质参数可知，C=0.9 MPa，φ=22°，γ=13 kN/m3（实际生产过程煤岩的物理力学参数需要进一步精确测试）代入上式得出煤壁最小临界稳定高度Hde约2.05 m，由于煤层是一个非均匀的介质，不同位置处的煤层物理力学性质存在一定的差异，对应的煤层临界高度也存在着一定的差异，为了安全起见，采高应小于2.05 m，因此放顶煤开采高度初步定为2 m。由于7#煤层平均厚度为6.4 m，开采高度为2 m，放煤高度为4.4 m，因此7#煤层采放比为1∶2.2。

4 效益分析

4.1 采掘工程费用

工作面机巷和回风巷均为450 m，切眼为120 m，共计1 020 m。

分层开采：①巷道工程费：按5 000元/m计，巷道工程费用为1 020×5 000=510万元。②人工费用：按4.5个月采完，加上工作面安装撤退需2个月，共计6.5个月计算，综采队按56人计算，人均月工资按5 000元/人·月，人工成本共计182万元。③零星材料按15万元/月计，6.5个月共计97.5万元。则上下分层开采的总费用为（510+182+97.5）×2=1 579万元。放顶煤开采费用：只需开掘和回采下分层的工程量，故费用为510+182+97.5=789.5万元。

4.2 工期计算

分层开采：巷道掘进按月进尺110 m计，两个队施工，要4.5个月掘进，回采月进尺按照100 m计，需4.5个月，加上工作面安装、撤退各1个月，共计11个月。此外，上分层回采完毕还要至少约3个月形成人工假顶，之后才能进行下分层的采掘工作，因此上下分层开采共需要约25个月。

放顶煤开采：巷道掘进按月进尺110 m计，两个队施工，要4.5个月掘进，回采月进尺按照60 m计，需7.5个月，加上工作面安装、撤退各1个月，共计14个月。

4.3 设备对比

放顶煤开采比分层开采需要多购买一套综采放顶煤支架及刮板机，共约2 000万元的费用。

4.4 效益对比

开采同一工作面实现产值收入：

120×6.4×450×1.45×0.8×320=12 829万元

分层开采月平均收入（不计入人工假顶形成时间）：

12 829÷22=583万元

放顶煤开采月平均收入：

12 829÷14=916万元

故在开采同一工作面，不考虑人工假顶形成时间，连续进行采掘工作的情况下，放顶煤开采比分层开采少用8个月，在这8个月当中，若放顶煤开采转入下一个接替工作面，则多产生的效益为（916-583）×8=2 664万元。

综上所述，在开采同一工作面中，放顶煤开采工艺与分层开采工艺相比：总工期减少11个月，除掉2 000万元的设备费后，多收入664万元，且每个月平均比分层开采多产生333万元收入。

5 风险分析与对策

（1）煤壁片帮是极软厚煤层开采的主要技术难题，有效防治此问题是保证工作面正常生产的前提，提出以下几点建议：①合理的煤层注水可以提高煤体的黏聚力和抗剪强度、降低抗压强度，有利于减缓煤壁压力和提高煤壁稳定性。②加快工作面推进度有利于煤壁稳定。③通过采用对煤壁打木锚杆的手段能够较有效地控制煤壁片帮，从而控制端面顶煤的冒漏。

（2）液压支架的防倒防滑是倾斜煤层综放开采的关键技术，生产过程中液压支架防倒防滑可采取如下措施：①有效利用支架与设备配套设计中的支架与输送机的相互锚固装置，下端头的组架、防倒斜拉千斤顶。②严格执行自下向上顺序带压擦顶移架，支架前移时，依靠下架支架的侧护板作为导向。移下端第一架时，有效利用单位支柱作为戗柱，并尽量提高戗柱的支撑力，工作面需备用数根单体液压支架，作为移架的戗柱和调整使用。③严格保证工作面各支架在高的初撑力下工作，移架过程中，先打开拉架千斤顶阀门后打开降柱阀门，一旦拉架力足够，支架将迅速“带压”或“加压”擦顶移架，一次到位，尤其是移设下端头10架时，一定要“带压”移架，当立柱阻力较小时，要尽量“加压”移架;不得已必须降架时，降架不得超过邻架侧护板高度，避免咬架。④保证各支架均在高阻力下工作，一次移架到位，尽量保证顶煤的完整，要尽量避免每次移架引起的采空区煤岩大运动。

6 结语

煤与瓦斯突出矿井安全高效开采一直是煤炭行业的技术难点，也是煤矿安全防控的重点。一直以来，六龙煤矿采用传统的厚煤层分层开采方法，存在产量低、效率低、成本高、漏顶多及工作面搬家次数频繁等问题，煤层消突后采用放顶煤开采代替传统的分层开采将是很好的解决办法，若能够结合厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法，巷道布置与回采工艺都具有创新而切实可行的特点，既保留了放顶煤开采的高产高效优势，又实现了无煤柱开采，必将进一步提高资源采出率。同时，六龙煤矿实现高产高效将有效缓解吉利百矿集团煤电铝一体化产业链供煤量紧缺的需求，并为地方经济发展做出贡献。

参 考 文 献

[1]赵景礼.厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法[J].煤炭学报，2004，29（2）：142-145.

[2]趙景礼.厚煤层全高开采新论[M].北京：煤炭工业出版社，2004.

[3]孟建杰.厚煤层综采放顶煤开采工艺参数分析[J].能源与节能，2019（5）：14-15.