極近距離煤層開采方式的優化研究

張 輝

（山西焦煤西山煤電集團公司安全生產監督管理局，山西 太原 030053）

在我國，近距離煤層占煤炭資源總量的比重較大，據統計，有超過40%的煤炭資源都屬于近距離煤層[1-2]。西山煤電集團西銘礦8#、9#煤層屬于極近距離煤層，目前采用下行開采的方法，即先采8#煤層，然后開采9#煤層。為提高礦井經濟效益，改善工作面的開采環境，本文對現有開采方式進行分析并提出相應優化方案。

1 工程背景

西山煤電集團西銘礦是山西西山煤電股份公司旗下礦井，主采2#、3#、8#和9#煤層，目前，其上組2#、3#煤層資源逐年減少，8#和9#煤層已成為礦井的主采煤層。8#和9#煤層相距0.5～6.9m，平均僅1.8m，層間巖層巖性以砂質頁巖為主，強度較低，完整性較差，屬于極近距離煤層。8#煤層平均厚度為4.2m，9#煤層平均厚度為2.8m。在9#煤層開采過程中，受上煤層開采的影響，層間頂板穩定性差，維護困難，尤其在層間巖層較薄處，極易發生冒頂等安全事故[3]。因此，基于上、下煤層層間距較薄的實際情況，對極近距離煤層合層綜放開采的可行性進行分析研究。

2 頂煤冒放性預測

對于放頂煤開采頂煤冒放性，許多學者進行了大量研究[4-5]，太原理工大學靳鐘銘教授[4]等利用模糊數學和破壞系數兩種方法建立頂煤冒放性計算模型，并在實踐中得到了驗證。由于利用模糊綜合預測的方法對冒放性進行預測時，其計算量大，且夾矸層厚度上限為0.5m，不適合本文地質條件的使用。因此，利用破壞系數法對工作面頂煤冒放性進行預測。

2.1 破壞系數法預測

根據大量的實驗結果，利用多元回歸分析，建立頂煤破壞系數方程，可以對頂煤冒放性進行合理預測，極大地簡化了計算過程，回歸方程為：

式中：

Y—頂煤破壞系數；

H—煤層埋深，m；

Md—頂煤厚度，m；

Rc—煤體單軸抗壓強度，MPa；

Mj—夾矸層厚度，m；

D—煤層裂隙分維值。得出的破壞系數與頂煤冒放性的分類對照表如表1所示。

表1 破壞系數法頂煤冒放性分類

2.2 西銘礦極近距離煤層冒放性預測

根據礦井地質資料，西銘礦下組極近距離煤層埋深H約280m、頂煤厚度Md為6.04m、煤體單軸抗壓強度Rc為16MPa、夾矸層厚度Mj為0.5～6.9m、煤層裂隙分維值D為1.61。將數據代入式（1），對不同夾矸厚度下頂煤冒放性進行合理預測，所得結果如表2。

表2 冒放性預測

如表2所示，對于8#、9#極近距離煤層，層間距最小為0.5m時，頂煤冒放性為Ⅱ級，冒放性好，采用放頂煤開采可以取得良好的經濟技術指標；層間巖層厚度為1.2m時，頂煤冒放性為Ⅲ級，冒放性中等，采用合理的放煤工藝和參數，也可以取得較好的技術經濟指標；當層間巖層厚度為1.8m時，頂煤冒放性為Ⅳ級，冒放性差，采取適當的措施，也可以使用放頂煤開采；當層間巖層厚度為3m和4m時，頂煤冒放性為Ⅴ級，冒放性差，不能使用放頂煤開采。

3 開采方式優化

根據前面的分析，9#煤層部分區域可以采用放頂煤開采的方式。上部已采空部分，仍采用原有下行開采的方法；上部8#煤層未采的部分，根據層間巖層厚度選取合適的開采方式：

（1）層間巖層厚度在1.2m以下時，頂煤冒放性較好，層間巖層可直接冒落，不需采用任何措施，就可以直接使用綜采放頂煤開采；

（2）層間巖層厚度為1.2～1.8m時，頂煤冒放性較差，主要是由于層間巖層較厚，影響頂煤的放出，可對層間巖層采取恰當措施（如水力致裂、挑頂開采等）后，采用綜采放頂煤開采；

（3）層間巖層厚度為1.8m以上時，難以冒落或冒落塊度過大，堵塞放煤口，不適合采用放頂煤開采，因此仍采用下行開采的方法進行回采。

根據西銘礦煤層實際賦存條件，層間巖層厚度平均值為1.8m，小于1.8m的區域比重較為可觀，采用放頂煤開采的方法后，具有以下優勢：

（1）相比于下行開采，放頂煤開采前期只需布置一個工作面就可以將區域內兩層煤全部回采，回采所需時間也極大地縮短，經濟效益明顯提高；

（2）工作面布置更加簡單，頂板管理控制容易。采用下行開采時，受上煤層的開采影響，頂板較為破碎，穩定性差，管理維護十分困難，而采用放頂煤開采后，則可避免這一問題的發生；

（3）放頂煤開采的巷道掘進量降低，巷道搬家次數減少，降低工人的勞動強度，工作面單產更高。

4 結論

（1）利用破壞系數法對其頂煤冒放性進行合理預測，得到不同層間距下頂煤冒放性，認為層間距在1.8m以下時，頂煤冒放性在Ⅳ級及以上，可采用放頂煤開采；層間距在1.8m以上時，頂煤冒放性為Ⅴ級，不能采用放頂煤開采；

（2）根據冒放性預測結果，提出開采方式的優化方案。按照層間巖層厚度的不同，將煤層分為3個區域，認為層間巖層厚度在1.2m以下時，可直接采用綜放開采技術，層間巖層厚度為1.2～1.8m時，可在采取一定措施后采用綜放開采，層間巖層厚度為1.8m以上時，仍采用下行開采的方法。