彬長礦區多重災害條件下工作面采煤方法及工藝參數研究

孫東飛

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

彬長礦區是國家規劃建設的14個大型煤炭基地之一——黃隴基地的核心區域，是我國實施西部大開發戰略的重要地區，是陜西省能源戰略轉移接續區的主要礦區，肩負著陜西關中地區主要能源供應的任務。煤層賦存條件好，一般為厚到特厚的近水平煤層，煤質優良；外部建設條件便利。規劃建設的多為大型、特大型礦井。但礦區大部分礦井存在瓦斯大、動壓現象強、煤層易自燃、煤塵易爆炸、水文條件復雜、熱害嚴重等問題[1-5]，井下災害種類多，多種災害的耦合使得災害防治變的更為復雜，如何合理確定采煤方法及工藝參數成為影響煤礦“安全、高效”生產的主要因素。本文在深入調研礦區內大佛寺煤礦、亭南煤礦、下溝煤礦、胡家河煤礦、高家堡煤礦、小莊煤礦、文家坡煤礦的工作面實際生產情況的基礎上，分析了彬長礦區典型災害種類及特征，以及各災害耦合作用關系，提出了采煤方法及工藝參數確定的原則和經驗結論，對同類礦井的設計、建設及生產組織有一定借鑒意義。

1 采煤方法研究

彬長礦區煤層厚度大，最厚達26m。目前，對于特厚煤層開采的常規辦法主要是分層開采。由于彬長礦區主采煤層頂板洛河組砂巖富水性強，煤層易自然發火，煤層具有沖擊傾向性的原因，下分層開采需要考慮眾多復雜的因素，因此盡可能的少分層或者不分層是采煤方法選擇的一個重要思路，也就是上分層盡可能的增加采高。但是，增加采高會提高導水裂隙帶的發育高度，引發劇烈的礦壓顯現甚至是沖擊地壓現象，給水文和沖擊地壓防治工作帶來巨大的困難；另一方面，目前國內綜采工作面成套設備的最大采高為8.6m左右，進一步提高采高上限需要在裝備制造領域取得更多突破。考慮到以上因素，大采高一次采全高采煤方法并非在所有情況下都是最優方式。通過生產實踐，綜放開采在開采本區主采煤層或者第一分層時具有明顯優勢。首先是可以增大采放總高，使第一分層盡可能的多采；其次是綜采放頂煤采煤法相對于綜采一次采全高支承壓力分布范圍增大，且應力明顯降低；在釋放彈性能量方面，放頂煤開采煤層中的彈性能超前釋放，并連續釋放，減緩頂板來壓的彈性動能，降低沖擊地壓發生的幾率，有利于沖擊地壓防治[6]；再者，放頂煤采煤方法與一次采全高相比，相同總采高的前提下割煤高度越小，導水裂隙帶波及高度越低，越有利于礦井的防治水或保水采煤。

彬長礦區煤層強度雖然略高，但煤層埋藏較深，煤層的裂隙較為發育，在上覆巖層壓覆作用下具有較好的冒放性。因此，根據本礦區的煤層賦存特征及開采技術條件，放頂煤是較為理想的一種采煤方法，放頂煤目前已在彬長礦區大部分礦井得到應用和推廣。

2 采高研究

2.1 割煤高度

割煤高度越高，越有利于提高工作面單產，有利于提高煤炭回收率。但是隨著割煤高度的增大，礦山壓力影響范圍也隨之增大[7]，易造成應力集中區域，增大誘發沖擊地壓災害的可能性。另外，割煤高度的增加還會帶來煤壁片幫的問題。彬長礦區主采煤層屬侏羅系延安組含煤地層，煤層f系數一般為1.2～1.8，煤層結構簡單，裂隙發育，在強礦壓的作用下易形成片幫。追求高產、高效、高回收率應建立在安全的前提下，割煤高度應盡可能避免誘發沖擊地壓及煤壁片幫。實踐證明，彬長礦區煤層回采高度當達到3.8m時，會經常性出現礦山壓力異常現象，小范圍煤壁片幫現象，所以，彬長礦區一般將煤層割煤高度控制在3.5m左右。

另外，煤層割煤高度加大會使工作面支架、采煤機等設備的最大不可拆重量增加。彬長礦區煤層埋深一般在400～800m，大部分采用立井提升，割煤高度加大同時會帶來提升系統的整體提級，造成礦井輔助提升系統的投資及運營成本加大，經濟效益下降。

2.2 放煤高度

放頂煤采煤方法除了割煤工藝還有放煤工藝。割煤高度確定后，放煤高度一般不大于割煤高度的3倍，放煤高度與割煤高度之和便是工作面的總采高。放煤高度一般從煤層的冒放性、煤層總厚或分層厚度等方面確定，但該礦區還需重點考慮采放總高及采放比例對上覆洛河組砂巖承壓含水層的影響，即放頂煤工藝參數對導水裂隙帶發育高度的影響。目前國內外的導水裂隙帶計算公式只使用于單層采厚1～3m、累計采厚不超過15m的分層一次采全高采煤方法，對于厚、特厚煤層采用放頂煤或分層放頂煤還沒有計算公式。放頂煤開采導水裂隙帶受上覆巖層結構、埋深、采放比、總采高、放煤工藝等諸多因素影響，彬長礦區內各礦井的導水裂隙帶發育高度也大不相同，具不完全統計裂采比從12.71到22.32，發育高度從125.8m到225.4m，差異較大，沒有明顯規律。彬長礦區部分煤礦放頂煤開采導水裂隙帶發育情況見表1。

表1 彬長礦區部分煤礦放頂煤開采導水裂隙帶發育情況

綜上，確定首采工作面的采高及采放比例時，可以參考臨近礦井的實際測定值，有條件礦井可專門開展本礦井導水裂隙發育研究，通過打鉆取樣分析，結合臨近礦井進行綜合分析得出最終發育高度理論值，以此確定采放總高。在礦井投產后，隨著觀測數據的豐富，逐漸地掌握本礦井的導水裂隙發育情況和規律，進一步修正本礦井的最佳采放高度和采放比。目前，彬長礦區采放高度一般在5～12m，一般不超過12m，采放比一般在1∶1～1∶3。

3 工作面長度研究

工作面長度越大工作面循環產量越高，越容易高產、高效。但工作面長度受諸多因素的制約，其主要因素一般為：地質因素、技術裝備因素、效益因素，其中地質因素是最主要的影響因素。地質因素包括瓦斯等級、自然發火傾向、沖擊地壓傾向等，而彬長礦區受上述幾種因素影響較大，以下分析瓦斯、自然發火和沖擊地壓對工作面長度的影響。

3.1 瓦斯的約束

低瓦斯礦井在其他條件滿足需要的前提下，工作面長度可大幅度提高，工作面長度可達300m以上。但對高瓦斯礦井，工作面長度的確定要受到瓦斯涌出量的限制，工作面長度越長，瓦斯涌出量越大，工作面斷面和過風能力是有一定限度的。在瓦斯預先抽采、邊采邊抽、抽空區抽采等綜合防治措施下，工作面過長將會導致瓦斯涌出量不能及時通過通風稀釋，易發生工作面瓦斯濃度超限，導致設備保護性停機，影響生產；嚴重時會造成瓦斯集聚帶來安全隱患，《煤礦礦井采礦設計手冊》中規定：以礦井通風能力校核工作面長度的公式如下[8]：

式中，L為根據工作面通風能力確定的工作面最大長度，m；v為工作面內允許的最大風速，取4m/s；m為工作面采高，m；lx為工作面最小控頂距，m；Cf為風流收縮系數，取0.9～0.95；q為晝夜產煤1t所需風量，m3/min；Sn為循環進度，m；p為煤層生產率，即單位面積上出煤量，p=mρc，t/m2；ρ為煤的體積質量，kg/m3；c為工作面回采率；φ為晝夜循環數，個。

3.2 自然發火的約束

采煤工作面采空區內存在著自然發火三帶[9]，從外向里分別是：冷卻帶、氧化升溫帶、窒息帶。冷卻帶的氧氣充分，但由于受工作面通風影響，空氣流動速度快，熱量會源源不斷被風流帶走，不宜造成熱量集聚，不易發生自燃；窒息帶距離工作面最遠，里面蓄熱條件好，溫度高，但在窒息帶內屬于缺氧區，氧氣濃度低于氧化下限值，不具備自燃條件；最容易發生自燃的是位于中間的氧化升溫帶，當氧化升溫帶持續蓄積熱量升高溫度同時有足夠的氧氣供應時，很容易發生采空區遺煤自燃。所以，影響工作面安全生產的重點區域是位于三帶中間的氧化升溫帶。氧化升溫帶如圖1所示[10]。

圖1 氧化升溫帶示意圖

通過大量的回歸分析，得到采空區漏風流場自燃條件下的工作面長度l與自燃氧化帶寬度Lm近似服從二次曲線關系式[10]：

式中，a，b為回歸系數(a單位為m0.5，b單位為m)。

利用數值模擬的手段，計算不同工作面長度所對應的自燃氧化帶寬度，然后確定a和b值。從上式可以看出，工作面越長自燃氧化區的寬度越大，對于煤層自然發火的防治越不利[10]。有關研究證明，工作面長度安全臨界值(最大值)與煤的最短自然發火期成正比關系。

綜上，除上述兩項主要地質影響因素外，還有礦壓、水文地質條件、地熱條件等因素。總之，在彬長礦區工作面長度的確定存在影響因素多而復雜，確定難度大，目前尚未有全因素影響分析模型來準確提供理論指導。通過彬長礦區近十幾年的煤礦開采經驗總結，綜放工作面長度安全臨界值一般在180m，個別礦井可達到200m；一次采全高臨界值為260m。彬長礦區部分煤礦工作面長度統計見表2。

表2 彬長礦區部分煤礦工作面長度統計表

4 工作面推進速度研究

工作面推進速度是生產管理時的重要指標，直接影響著礦井的產量。陜北一些高產高效礦井之所以可以達到工作面單產超千萬噸甚至達兩千萬噸級的水平，其中最主要的一個因素就是推進速度快。目前許多礦井日進度突破24m，但這些礦井的開采技術條件都比較簡單，而彬長礦區在多重災害尤其是沖擊地壓的影響下，難以實現類似陜北地區的推進速度。與此同時，由于采空區防滅火的需求，彬長礦區礦井工作面回采速度也不能過慢，這就需要找出各矛盾影響因素的平衡點，使回采工作兼顧安全與效率。

快速推進工作面被公認為煤層自然發火防治的最佳措施。其原理是快速推進過程中使采空區中的三帶快速的完成角色轉換，使窒息帶快速消失、氧化升溫帶快速轉換為窒息帶、冷卻帶快速轉換成氧化升溫帶及新的冷卻帶的變換過程，在整個變換過程中采空區中同一區域位于氧化升溫帶的時間大幅減少，縮短了氧化升溫帶蓄積熱量升高溫度的過程，使其未達到氧化自燃所需熱量的條件時就轉換成窒息帶，如此連續快速推進便是有效防治煤層自然發火的絕佳措施。反之，工作面推采速度過慢，使采空區內同一區域位于氧化升溫帶的時間增加，氧化升溫帶持續蓄積熱量升高溫度，工作面的通風風流可導致氧化升溫帶氧氣濃度達到滿足氧化自燃的條件，極易發生采空區遺煤自燃災害。

除此之外，彬長礦區同時還存在沖擊地壓的影響，沖擊地壓誘發機理主要是由于煤層本身具有沖擊傾向性，在采掘活動的影響下形成應力集中和彈性能量的聚集，當彈性變形能瞬間釋放時產生突然而且劇烈的動力破壞現象，破壞性極大。而工作面快速推進會加劇應力集中和彈性能量的聚集，容易誘發沖擊地壓災害的發生。

所以，在同時具備易自然發火和沖擊地壓兩種災害的情況下，出現了防治沖擊地壓要求不能快速推進而防治采空區發火要求工作面快速推進的矛盾。所以，工作面長度必須兼顧兩者的平衡。兩種災害從優先級來考慮，應優先考慮目前最難防治的煤礦災害——沖擊地壓，因為煤層自然發火除快速推進外還有采空區灌漿、注氮等防滅火措施。根據彬長礦區胡家河礦井生產實踐證明，當工作面推采日循環6刀時，即大于4.8m/d，工作面壓力監測數據出現異常，同時會出現煤炮等壓力顯現。目前，彬長礦業集團公司已將日進尺6刀煤作為防治沖擊地壓的推采速度上限，要求胡家河煤礦、小莊煤礦、文家坡煤礦等遵照執行。對于防滅火方面的實踐經驗是當工作面日推采循環小于4刀(即小于3.2m/d)，持續1個月以上時采空區CO會出現超標現象，出現發火征兆。所以，彬長礦區內同時具備沖擊地壓和自然發火兩種災害時的工作面最佳推采速度宜為3.2～4.8m/d，即每天4～6刀。

5 工作面推進長度分析

工作面推進長度直接影響到工作面搬家倒面的頻率，間接影響礦井的生產能力。陜北一些地質條件簡單的礦井，為了保證連續生產，縮短搬家倒面時間，工作面長度一度提升到6km以上。工作面推進長度一般受井田開拓部署、煤層賦存條件、開采技術條件和技術裝備等較多因素影響。井田開拓部署主要指是采區單翼推進長度否具備布置長推進度工作面的條件；煤層賦存條件主要指是否受煤層傾角及斷裂構造等影響；技術裝備因素一般指成套綜采設備的過煤量或大修周期，以及工作面運輸、供電、供液等影響；而開采技術條件影響比較復雜，就本區礦井而言，影響最大的是底板及地壓條件。彬長礦區主采煤層4號煤底板為鋁土質泥巖，遇水膨脹，最大膨脹率20倍；該區域大部分礦井在工作面巷道掘進過程中由于強地壓的影響，掘進困難，底板處理難度大，巷道成形差；另外，該區大部分礦井為高瓦斯礦井，工作面預抽時間均在6個月以上，工作面巷道維護時間較長。因此，若工作面推進長度過大，會造成工作面巷道掘進和維護困難。從彬長礦區的實踐經驗來看，工作面推進長度應控制在2.3km以內。彬長礦區部分煤礦工作面推進長度見表3。

表3 彬長礦區部分煤礦工作面推進長度統計表

6 結 論

1)放頂煤采煤方法有利于減緩頂板來壓的彈性動能，有利于沖擊地壓防治，同時適合特厚煤層開采，是適宜彬長礦區的一種采煤方法。

2)彬長礦區受強礦壓的影響和頂板洛河砂巖承壓含水層的影響，割煤高度一般不超過3.5m；采用放頂煤時采放總高受導水裂隙帶是否波及含水層與煤層間的有效隔水層的制約。

3)彬長礦區工作面長度受煤層自然發火和高瓦斯因素的制約，綜放工作面長度安全臨界值一般在180m，個別礦井可達到200m；一次采全高安全臨界值可達260m。

4)彬長礦區工作面推進速度主要受沖擊地壓和煤層自然發火的影響，根據經驗，同時具這兩種災害時的工作面推采速度宜為3.2～4.8m/d。

5)彬長礦區工作面推進長度受強礦壓的影響較大，根據經驗，工作面推進長度應控制在2.3km以內。