复杂地质条件下极近距离煤层一次采全高可行性研究

倪 超

(淮北矿业有限责任公司袁店一井煤矿，安徽 淮北 235000)

合理应用放顶煤开采技术对于提高煤炭开采产量，保证煤炭企业经济效益最大化至关重要[1-3]。针对极近距离煤层，一次采全高相对于分层开采能够降低劳动强度，提高企业经济效益。马刚等[4]通过实验室相似模拟试验对含厚夹矸顶煤的冒放性、放煤工艺及放出规律、夹矸厚度的确定等问题进行了研究；王虎[5]以某难采复杂地质条件煤矿为例研究其工作面布置及综放工艺的应用，通过不同方案的对比证明了复杂地质条件下综放工艺的经济价值；张辉[6]以西铭矿为例优化极近距离煤层的开采方式，最终提出分区域开采，以及各区域的开采方式；郭亚欣等[7]以磁窑沟煤矿某工作面为研究对象，通过数值模拟分析极近距离煤层综放开采的可行性；陈利伟[8]以柳湾煤矿某综放工作面为研究对象，采用加权法综合考察放顶煤开采过程中顶煤的冒放性；徐旖旎等[9]通过建立贝叶斯分类器模型分析开采深度、煤体强度、煤体裂隙分布等因素，对放顶煤工作面的顶煤可放性进行预测；郭忠平等[10]以新疆拜城大宛其煤矿为例，提出一种适合极倾斜近距离煤层联合开采的放顶煤采煤方法；李超等[11]以山西朔州党新煤矿某厚煤层为研究对象，通过模糊综合评价与数值模拟对该煤层顶煤的冒放性进行分析；刘家园[12]通过改进近距离煤层群开采工艺，提出综采放顶煤开采，提高了近距离煤层群回采产量及安全性，解决了制约近距离煤层群采用分层开采或联合开采回采率低下的不足，说明了近距离煤层群联合开次的可行性；张五计[13]针对厚煤层分通过数值模析大采高开采和放顶煤开采在不同阶段工作面煤壁前方煤层、直接顶破坏及煤壁水平位移，分析了大采高及放顶煤开采各自的利弊，对于厚煤层及近距离煤层联合开采具有借鉴意义。

本文针对淮北矿业集团袁店一矿极近距离煤层，提出采用综放开采替代分层开采，通过分析下煤层顶板完整性、岩层力学性质，及顶煤冒放性、有无瓦斯突出危险性等因素，说明采用综放开采的合理性。

1 工程概况

淮北矿业集团袁店一矿82采区主采81煤层、82煤层，厚度为0.75～4.30 m，平均为2.57 m；82煤层厚度为0.76～5.71 m，平均厚度为2.66 m，煤层平均埋深为610 m。 81煤层与82煤层间距在0.5～4.0 m之间，平均1.98 m，采区内断层构造发育。采区部分煤层、岩层柱状如图1所示。

图1 82采区综合柱状图

82采区首采工作面煤巷掘进过程中，发现煤层赋存不稳定，小型断层、皱曲极其发育，81煤层、82煤层间距大部分仅0.5～2.0 m，且夹矸岩性多为破碎的泥岩、砂岩。若继续沿用原设计的综合机械化分层开采的方法，不仅81煤层工作面灰分高、单产低，且破碎的泥岩、砂岩经81煤层采动破坏后，82煤层工作面开采时顶板将极难管理，甚至无法开采。为此，有必要优化82采区81煤层、82煤层近距离中厚煤层的开采工艺，故提出针对81煤层、82煤层的综放开采，沿82煤层回采，对81煤层进行放顶煤开采。

2 极近距离煤层放顶煤开采可行性分析

顶煤的冒放性对于放顶煤开采至关重要，是影响煤炭回采率的重要因素[2]。针对袁店一矿82采区放顶煤开采，82煤层顶板及81煤层的可放性是影响该采区是否采用放顶煤开采的重要因素。现通过理论计算、钻孔勘探、岩石力学实验及数值计算分析82煤层顶板及81煤层的可放性。

2.1 顶煤冒放性理论分析

对于极近距离煤层放顶煤开采，煤层厚度及煤层夹矸性质会对冒放性产生较大影响，在此依据靳钟铭[14]提出的放顶煤开采煤层厚度及夹矸临界厚度公式，分析82采区极近距离煤层放顶煤开采的可行性。

2.1.1 煤层厚度对冒放性影响

依据靳钟铭提出的公式，对于放顶煤开采，煤层最小临界厚度计算公式为式(1)。

(1)

式中：S为煤冒落宽度，可取S=1.5 m、2.4 m、3.4 m，取S=1.5 m；f为煤块内摩擦因数，f=0.5；a为放煤口高度，a=1.97 m。

依据靳钟铭提出的公式计算得出煤层最小临界厚度Mmin=5.66 m，而82采区煤层及夹矸总厚度M=7.21 m>Mmin，故煤层厚度满足放顶煤开采条件。

2.1.2 煤层夹矸对冒放性影响

综放工作面夹矸厚度一般控制在1.0 m左右，依据靳钟铭提出的公式，夹矸临界厚度计算公式见式(2)。

(2)

式中：γg为夹矸容重，γg=28 kN/m3；γm为煤容重，γm=16 kN/m3；hd为夹矸层上顶煤厚度，取hd=2.57 m；Rt为夹矸层抗拉强度，取Rt=0.62 MPa。

夹矸临界厚度hgl=0.52 m，82采区81煤层、82煤层夹矸厚度在0.5～4.0 m，故夹矸厚度满足放顶煤开采要求。

通过对82采区81煤层、82煤层夹矸及煤层厚度的分析，该采区极近距离煤层满足放顶煤开采条件。

2.2 82煤层上覆岩层力学性质及完整性分析

82煤层上距81煤层0.5～4.0 m，平均1.98 m；82煤层顶板以泥岩为主，少量为粉砂岩或细砂岩，通过取样试验分析82煤层顶板岩石力学性质，如图2所示，得出82煤层顶板岩石力学性质(表1)，结果表明，82煤层顶板为软弱破碎地层。

此外通过勘探钻孔RQD统计表明岩体为中等完整，岩体质量等级为差。据此可初步判断若采用综放开采，82煤层顶板具有可放性。

2.3 顶煤冒放性数值模拟分析

2.3.1 离散元数值模型建立

采用离散元数值模拟软件3DEC对工作面回采过程中82煤层顶板及81煤层可放性进行分析。 根据采区综合柱状图，模型长度取500 m，高度取40 m，自82煤层底板粉砂岩至72煤层上覆泥岩，煤层为近水平煤层，故不考虑岩层倾角。模型按岩层进行划分并进行离散元处理，由于部分岩层取样测试岩石力学参数较为困难，在模拟过程中，参照常见岩石力学参数对岩层进行赋参，模型具体参数见表2，最终确定的计算模型如图3所示。

2.3.2 顶煤冒放性分析

考虑到边界效应，将采空区置于模型中部，在距离右边界200 m处开切眼，从右至左开挖，开挖厚度为2.4 m，采放比为1∶3。工作面开5 m切眼时，82煤层上覆泥岩及81煤层随即垮落，如图4所示，证明冒放性良好。

图2 82煤层上覆岩层力学性质试验

表1 82煤层顶板岩石力学性质试验结果

表2 数值模型参数

图3 数值计算模型

图4 工作面开5 m切眼顶煤垮落情况

图5 工作面推进10 m顶煤及岩层垮落情况

当工作面推进10 m时，82煤层上覆泥岩及81煤层跨落情况如图5所示。通过记录82煤层上覆夹矸、81煤层及81煤层上覆岩层在垂直方向的位移量，如图6所示，结果表明夹矸冒放性良好，81煤层位移量达到0.5 m，此时监测的是81煤层下部位移，故位移量偏大，但结果能够表明夹矸及顶煤均表现出良好的冒放性，此时81煤层与上覆岩层出现离层。

图6 工作面推进10 m上覆岩层下沉量

当工作面推进30 m时，夹矸、顶煤及81煤层上覆泥沙岩互层跨落情况如图7所示。通过记录夹矸、81煤层、81煤层上覆泥沙岩互层、泥沙岩互层上覆泥岩垂直方向位移量，如图8所示。结果显示夹矸及顶煤81煤层完全跨落，81煤层上覆泥沙岩互层也出现跨落，泥沙岩互层与上覆泥岩出现离层。

通过离散元数值模拟软件对82采区极近距离煤层夹矸及冒放性进行分析，结果表明从工作面开切眼开始，夹矸及顶煤均表现出良好的冒放性；工作面推进10 m，81煤层与上覆泥沙岩互层出现离层；工作面推进30 m，81煤层上覆泥沙岩互层开始垮落。从工作面开切眼至推进30 m，夹矸及顶煤均表现出良好的冒放性，表明82采区极近距离煤层可以采用放顶煤开采。

图7 工作面推进30 m顶煤及岩层垮落情况

图8 工作面推进30 m上覆岩层下沉量

2.4 其他因素

82采区为近水平煤层，无煤与瓦斯突出危险，煤层自然危险性为Ⅱ类，为81煤层、82煤层联合综放开采提供了基本保障。且邻近矿井相似条件均有近距离煤层综放开采先例。淮北矿区与袁店一矿82采区相似开采条件的有芦岭煤矿8煤层、9煤层和涡北煤矿71煤层、72煤层，均采用综放工艺联合开采近距离煤层。芦岭煤矿8煤层厚8～12 m，9煤层厚2.8 m左右；8煤层、9煤层层间距2～4 m，岩性为块状泥岩，采用综合机械化放顶煤开采工艺，采9煤层放8煤层。涡北煤矿71煤层厚2.8 m，72煤层厚3.1 m；71煤层、72煤层层间距0.5～7.0 m，岩性为泥岩、砂岩，采用综合机械化放顶煤开采工艺，采72煤层放71煤层。

3 现场试验

通过分析82煤层上覆岩层岩石力学性质及完整性，顶煤可放性，以及邻近矿区经验，82采区开采工艺可以从原设计的81煤层、82煤层分别采用综合机械化开采，优化为综合机械化放顶煤开采。沿82煤层开采，同时对81煤层进行放顶煤开采，在82采区822工作面展开现场试验。

822工作面走向长965 m，倾斜宽155 m，工作面煤层平均埋深610 m。工作面选用MG500/1180-AWD采煤机，ZFG9600-20/28放顶煤液压支架，工作面前部采煤刮板运输机选用SGZ764/630型，后部放顶煤刮板运输机选用SGZ-800/800型。

822首采工作面自2018年4月开始回采，已累计采出原煤123.23万t，平均单产15.40万t/月，原煤灰分52%。工程实践表明，82采区将原设计的81煤层、82煤层采用综合机械化分层开采，优化为81煤层、82煤层联合综放开采后劳动强度降低，产量得到提高，表明此次优化开采工艺是合理的。

4 结 论

1) 针对淮北矿业集团袁店一矿82采区极近距离煤层开采，提出综放开采替代分层开采，优化了开采工艺，降低了劳动强度，使得企业经济效益最大化。

2) 通过理论计算分析该采区极近距离煤层及夹矸临界厚度，煤层临界厚度5.66 m，夹矸临界厚度0.52 m，均满足放顶煤开采条件。

3) 通过岩石力学试验及钻孔勘探确定煤层上覆岩层力学性质及完整性，结果表明顶板完整性较差为软弱破碎岩层，为采取综放开采提供依据。

4) 通过离散元数值模拟软件3DEC分析采用综放开采时顶煤的冒放性，结果表明从开切眼至工作面推进30 m，夹矸及顶煤冒放性均良好，可以采用综放开采。