1、关于不稳定多夹矸煤层放顶煤开采的探讨摘 要：在山西煤炭进出口集团公司铺龙湾煤矿改扩建设计中，通过对矿井各可采煤层赋存条件的分析论证，找到了不稳定多夹矸煤层较为适宜的采煤方法，拓宽了放顶煤开采的适应范围。其设计思路对类似地质条件的矿井具有一定的定借鉴和参考作用。关键词：改扩建；放顶煤；夹矸；高岭岩1 矿井概况铺龙湾煤矿位于国家规划的十三个大型煤炭基地之一的晋北基地大同矿区的中南部，地处山西省左云县境内，西北距左云县城 25km,行政区划属于左云县马道头乡管辖。井田东西长 3.062km，南北宽 1.905km，面积4.8665km2，主要可采煤层 3 层，保有地质储量 1.17 亿 t。铺龙湾煤
2、矿原为县办煤矿，始建于 1990 年，设计生产能力为 0.15Mt/a，矿井采用斜井开拓，共布置二个井筒，主斜井和副斜井，1998 年建成投产。2003 年 12 月该矿由山西煤炭进出口集团公司并购， 2004 年生产原煤 0.15Mt，达到设计生产能力。2 矿井改扩建工程铺龙湾煤矿煤层赋存稳定，煤炭资源丰富，煤质优良，开采技术条件及外部建设条件优越，具备建设大型矿井的条件。而目前井下布置一炮采工作面和四个普掘工作面，原煤生产能力 0.15Mt/a，现有矿井的生产能力以及相对落后的采煤方法与矿井的资源条件、开采技术条件极不匹配，生产效率很低，资源浪费比较严重，且受现有客观条件的限制，矿井各主要
3、生产环节能力均趋于饱和，甚至超负荷运转，存在一定安全隐患。为加大煤炭资源的回收率，提高采煤工作面的装备水平，实现集约化生产，改善安全生产条件，山西煤炭进出口集团公司委托北京华宇工程公司对铺龙湾煤矿现有的采煤工艺进行改革，进行矿井改扩建，扩建设计生产能力0.15/1.20Mt/a，净增 1.05Mt/a。3 采煤方法的选择31 地质构造及开采技术条件铺龙湾井田位于大同盆地向斜的东南边缘，井田基本呈一轴向北西的短轴背斜构造。背斜两翼地层平缓，倾角较小，一般在 25之间。根据生产地质报告及井下生产巷道揭露，井田内共有小型断层 8 条，落差均在 5m 以内，对煤层开采影响不大。井田内未发现陷落柱和火成
4、岩入体，井田构造属简单类型。铺龙湾煤矿属于低瓦斯矿井，各煤层属于较易自燃类煤，煤尘均有爆炸危险性。32 煤层赋存条件铺龙湾煤矿井田主要含煤地层为太原组和山西组，含煤地层总厚 147193m，一般厚 171m，煤层总厚12.7231.72m，平均 21.98m，含煤系数为 12.8%。其中主要可采煤层有 3 层，分别为太原组的 4 号煤、5 号煤和 8 号煤层。太原组 4 号煤层厚度 2.06.85m，平均 4.99m，是本矿井的主要可采煤层。4 号煤全区可采，但厚度变化较大，结构中等，含泥岩夹石 13 层。其顶板为 3.0m 厚的泥岩，底板为 2.0m 厚的泥岩。5 号煤上距 4 号煤层平均
5、55m，煤层厚度在 7.279.14m 之间，一般厚 8.19m，也是本矿井的一个主要可采煤层，占整个矿井工业储量的 50%。该煤层比较稳定，全区可采。顶板为砂岩、泥岩或砂质泥岩，底板为泥岩、砂岩，有时有炭质泥岩伪底。8 号煤层位于太原组下部，上距 5 号煤层平均 26m，煤层厚度在 1.668.08m 之间，一般厚4.32m，为本矿的第三个主要可采煤层。该煤层厚度变化比较大，结构复杂，全区可采，含夹石 15 层。其顶板为泥岩、砂质泥岩，底板为灰黑色泥岩，局部有炭质泥岩伪底。33 采煤方法分析比较适宜的采煤方法是建设高产高效矿井的关键。采煤方法的选择，应根据煤层赋存状况、开采技术条件、设备发展
6、水平以及安全、产量、效率、成本和煤的回收率等因素综合比较后确定。根据本井田地质构造、煤层开采技术条件及赋存条件，本矿井开采条件比较优越，具备建设高产高效矿井的条件，应首推高产高效的建设模式，努力提高矿井的经济效益和社会效益。根据矿井设计生产能力，为实现集中生产、一矿一面的高产高效要求，本矿可选用的采煤方法有大采高综采、放顶煤综采和分层综采。纵观近几年国内主要高产高效矿井产量和采煤工艺，由于分层开采需要大量的人力、物力和财力，同时开采过程及工序复杂，单产很难突破百万吨，难以适应本矿井一井一面高产高效的要求，再者本矿井各可采煤层不稳定，煤厚变化较大，使得分层开采具有较大的局限性。故根据本矿井可采煤
7、层厚度，设计只对放顶煤综采和大采高综采进行综合分析、比较。1放顶煤综采放顶煤综采法自 1982 年沈阳蒲河矿采用中位放顶煤支架试验综采放顶煤成功以来，开采技术已趋成熟，在我国条件合适的矿井中基本得到了广泛采用，并已开始向三软、夹矸、硬煤等条件下的矿井进行应用研究。实践证明，在厚及特厚煤层中，综采放顶煤较分层开采，简化了巷道布置和回采工序，节省了人力、财力、物力、时间消耗，降低了成本；提高了工作面单产和工效；生产高度集中，有利于矿井的管理与控制，实现安全文明生产；对于地质条件比较复杂、断层多、煤层厚度变化大的煤层适应性强。正是由于放顶煤综采具有上述适应性强、掘进率低、材料消耗量少、生产集中、产量
8、大、效率高、成本低等明显优点，原煤炭部以煤基字（1996）第 214 号文颁布的煤炭工程设计暂行规定第十五条：“缓倾斜厚及特厚煤层或急倾斜特厚煤层，条件适宜并安全有保障时，可采用综合机械化放顶煤采煤法” 。在政府推行减人提效的政策引导及企业追求利润最大化的目标下，放顶煤开采获得了突飞猛进的发展。目前，综采放顶煤已经达到了工作面年产超5.00Mt、效率近 400t/工的生产水平，我国已经成为世界上综采放顶煤开采技术发展最快、拥有放顶煤液压支架数量最多的国家。由于放顶煤主要是利用顶板压力破煤，因此对煤层的冒放性及赋存条件有一定的要求，根据我国多年生产实践，影响顶煤冒放性的自然因素主要有开采深度、煤
9、层厚度、煤层结构、夹矸层数多少及其硬度和厚度、煤层顶底板岩性及其厚度、老顶岩性及其厚度和岩、煤体裂隙发育程度，还有煤岩交界面地质结构整合程度等。下面对本矿井主要可采煤层的冒放性进行综合分析。 （1）开采深度生产实践和理论计算都表明，顶煤冒放性随着开采深度的增加而提高。本井田埋藏最浅的 4 号煤层埋深近 300m，最下面的 8 号煤层埋深达 400m，因此从开采深度来看，整个矿井各可采煤层都处于顶煤冒放效果较佳的埋深。（2）煤层厚度及煤的硬度一般来讲，过厚的顶煤其上部难以达到充分松动，国内外综放工作面的实测和科研院所试验结果证明，顶煤冒放性随煤层厚度的增大而减弱，其最大临界厚度为 12.515m
10、。本矿井 4 号煤层厚在 2.006.85m 之间，平均 4.99m；5 号煤层厚在 7.279.14m 之间，平均 8.19m；8 号煤层厚在 1.668.08m 之间，平均4.32m。4、8 号煤层厚度变化比较大，放顶煤以外的采煤工艺难以适应厚度变化太大的煤层，而放顶煤对厚度变化大的煤层适应性强，可边采边放，也可只采不放。目前国内放顶煤达到较高产量的煤层厚度在 6m 左右，采放比最大 1：2，而本矿井首采 4 号煤层采放比为 1：1.32，属理论上放顶煤开采较佳的采放比。即使本矿最厚的 5 号煤层采用放顶煤开采，采放比也在合理的范围之内。国内对放顶煤综采工作面的实测统计结果表明，煤层强度是
11、影响顶煤冒放性的关键因素。试验结果证明：中硬煤层为半圆拱式冒落，椭柱体放出，顶煤跨落角 67，放出率 73.1%；硬煤为拱桥式冒落，抛物体放出，垮落角 55，顶煤放出率仅为 13.4%。按照顶煤的强度与破坏关系理论计算，一般情况下，当煤的强度值Rc20Mpa 时，顶煤的破坏程度降低，其冒落性较差。本矿井虽然地处大同矿区，但各煤层均属于中硬煤层，是完全可以冒落下来的而且能保证较好的顶煤放出率。（3）节理裂隙发育程度顶煤裂隙发育程度直接影响到顶煤的冒放性，节理裂隙发育的煤层，顶煤在支承压力的作用下易于破碎，节理裂隙越发育，顶煤的冒放性就越好，就越易于放出。通过钻孔综合柱状图看出，本井田 4 号煤层
12、为黑色、半暗淡型，贝壳参差状断口，有明显的层状构造，内生裂隙发育；5 号煤层为黑色，沥青光泽，平坦状，参差状断口，内生裂隙发育，属半暗-半亮型煤；8 号煤层为黑色、沥青、似玻璃光泽，结构较复杂，内生裂隙发育。综上述，各煤层的裂隙发育对顶煤冒放都比较有利。（4）煤层夹矸若顶煤中存在厚而坚硬的夹矸，将会严重影响顶煤的冒放性。一方面，夹矸在顶煤中形成“骨架”，使顶煤不易跨落；另一方面，即使顶煤跨落，夹矸易形成大块，影响顶煤冒放过程中的流动性，容易堵塞放煤口。而顶煤中夹矸单层厚度一般不大于300mm，其强度对顶煤的冒落没有任何影响。从图 1各煤层钻孔柱状图分析，4号煤夹矸基本都位于煤层的中下部，而煤层
13、上部不含夹矸或局部含一层较薄的夹矸，所以对支架放煤的影响比较小，在采煤机切割含矸部分的煤层后，容易使上部不含矸的煤层在顶板压力作用下冒落下来。根据建设单位提供的资料，4号煤层的夹矸中普遍含有有益矿产高岭岩，且品位较高，可作为副产品分选销售。其高岭岩有两层，位于煤层中下部，基本处于放顶煤采煤机的截割范围之内。因此放顶煤工艺开采4号煤也不会影响高岭岩的回收。5号煤厚度比较大，结构复杂，煤层赋存稳定，夹矸层数多且层位不稳定，会对放煤有一定的影响。从图 1中可以看出，在煤层的中下部有一层厚度相对较大，赋 存不太稳定的夹石层，将煤层分为上下两部分，夹矸厚度0.200.83m，夹矸上部煤层厚度2.252.
14、97m，下部煤层厚度2.80左右。通过对综采放顶煤的顶煤破坏机理的研究，支架对顶煤的直接破坏区在2.00m左右，针对本煤层当割煤高度在2.8m左右时，上述夹矸正处在支架上下反复作用的破坏区内。煤层的顶部夹矸距煤层底板6.157.21m，其上覆煤层厚度较小,大部分小于最低可采厚度，对本煤层资源回收影响不大。另外，本煤层所含夹矸均为泥岩或炭质泥岩，硬度都比较小，难以形成台阶型悬煤或大块煤堵塞放煤口。可见只要选择合适的采放比，5号煤层复杂的夹矸对放顶煤开采影响不大。8号煤层结构也较复杂，含夹矸15层，厚度0.320.77m，夹矸层数多且层位不稳定，多为炭质泥岩，煤层顶板为泥岩或砂质泥岩。从图 1中可
15、以看出，该煤层夹矸多处于煤层下部且小于0.50m，考虑到开采煤质的经济价值以及顶煤的冒放性，设计开采范围布置在煤层中上部，针对本煤层的赋存条件，采用放顶煤仍是可行的。（5） 顶板条件影响煤层冒放性的顶板包括煤层直接顶和老顶两部分，直接顶对顶煤压裂无直接影响，但直接顶能够随采随冒，能充满采空区以防老顶冲击来压，并促使顶煤放出。因此，直接顶具有一定的厚度是放顶煤综合开采顶煤破碎冒落后顺利放出的基本条件，否则不利于顶煤冒落。本井田 4 号煤层的顶板岩性以泥岩为主，属于 1类不太稳定顶板，节理发育，比较松软。因此 4 号煤层直接顶容易冒落，这样的顶板条件下顶煤是比较容易放出的。其他两层煤的直接顶也是泥
16、岩，砂质泥岩为主，总体来说对放煤是比较有利的。2大采高综采大采高综采采煤工艺是国外高产工作面采用的主要方法。我国从 1978 年起，开始试验厚煤层大采高一次采全厚开采方法，至今已取得了长足进步。但由于我国的综采设备制造技术尚不完备，使国产设备大采高技术未能在我国广泛推行，而国外高产高效长壁工作面由于采用重型化、强力化、自动化和机电一体化的设备，走生产集中的途径，工作面的单产和工效大幅度得到了提高。与放顶煤综采相比，大采高综采具有工作面过风断面大，便于解决工作面上隅角瓦斯超限问题；回采工艺相对简单，在地质条件简单的前提下，容易保证工作面的达产和稳产。但若采高与煤厚不协调，会因留顶、底煤而带来管理
17、上的困难；在同时满足产量的情况下，一套大采高设备投资约是放顶煤设备投资的 1.5 倍，增加设备投资。综上所述，对于铺龙湾煤矿而言，可采用大采高一次采全厚采煤工艺，但矿井主采煤层 5 号煤，平均厚度为 8.19m，其储量约占全矿井储量的 50%，如采用采高为 4.55.0m 的大采高一次采全厚采煤方法，必然降低工作面回采率，造成煤炭资源浪费，这不符合现有煤炭发展战略，是得不偿失的。再者，4 号煤和 8 号煤层，煤层厚度变化较大，若采用大采高对支架的调高范围要求较大，设备选型难以实现。而放顶煤支架，可采用只采不放或边采边放，具有较强的灵活性和适用性。34 采煤方法确定根据铺龙湾煤矿的地质资料、煤层
18、厚度及赋存情况及类似的生产矿井经验，设计采用综采放顶煤开采是可行的、经济的，因此设计确定采用已相对成熟的综采放顶煤一次采全高全部冒落采煤法。根据矿井 4 号煤投产盘区的赋存条件，确定工作面长度 150m，选用 MG200/475-W 采煤机，SGZ764/400 型刮板输送机，ZFSB4200/17/28 型液压支架，支撑高度为 1.72.8m。采高 2.5m，放煤高度 3.3m，采放比 1:1.32。4 相邻矿井的生产实践位于铺龙湾煤矿东南部一地方煤矿，距本矿约 7km，煤层赋存条件及开采技术条件与本矿极为相近，原采用分层综采，生产率较差，后改为放顶煤开采已取得成功，工作面单产达 1.50Mt/a，经济效益显著。可以相信，铺龙湾煤矿改扩建工程，进行采煤方法改革，布置一个综采放顶煤面，实现设计生产能力 1.2Mt/a，是可行的，也是完全能够实现的。5 结束随着我国煤炭工业持续不断的发展，矿井建设大型化、生产集中化已是大势所趋，煤层厚度变化大、夹矸多、结构复杂的煤层将越来越多，为实现资源节约型，提高资源的回收率，达到提高矿井的经济效益之目的，希望此文能有一定借鉴和参考作用。李芳龙
