煤層賦存特性及其對回采工藝的影響研究

裴 斌

（山西省晉神能源生產服務中心，山西 忻州 034000）

晉神能源沙坪煤礦13#煤層平均厚度為16.84m，煤層結構復雜，一般含夾矸3～6層，夾矸厚度0.05～1.93m，巖性為泥巖或炭質泥巖。經地質鉆孔揭露，13#煤層存在分叉，分叉區域上下煤層的層間距為1.16～9.35m，分層夾矸巖性一般為粉砂巖至中粗巖。目前，針對10m以上特厚煤層國內采用的回采方法有分層綜采和綜放開采兩種，沙坪煤礦現有采煤方法為大采高綜采一次采全高，適合開采厚度5m以下煤層，而13#煤層工作面為一次性復合特厚煤層綜放開采，開采條件復雜。因此，根據國內外特厚煤層開采技術發展現狀，結合沙坪煤礦13#煤層厚度及煤層賦存特點，選擇合理的綜放工藝是實現13#煤層安全高效高回采亟需解決的問題。

1 13#上、13#煤層賦存特征

利用井田范圍內的25個鉆孔地質勘探與測井成果，分別對煤矸合厚、純煤厚度、夾矸厚度等進行統計，同時運用Surfer軟件繪制13#上、13#煤層特征分布云圖，綜合分析研究沙坪煤礦13#上、13#煤層結構與賦存特征，對采煤方法選擇分區域評價具有極為重要的意義。

1.1 煤層鉆孔概況

經鉆孔探測得出的井田范圍內石炭系厚煤層分布為：（1）13#上煤層厚度4.57～9.39m，平均5.92m；（2）13#上煤層與13號煤層間距1.16～9.35m，平均5.61m，主要分布一盤區；（3）13#煤層厚度6.1～22.22m，平均16.84m；13#煤層夾矸層數1～18層，夾矸累計厚度0.43～9.47m。沙坪礦二盤區13#上煤層與13#煤層合并，合并煤層統稱為13#煤層。一盤區13#煤層分叉為13#煤層與13#上煤層，分叉區域煤層埋深、夾層厚度及鉆孔編號和坐標如表1所示。

表1 13#煤層與13#上煤分叉鉆孔信息統計

1.2 13#上煤層賦存特征及夾層厚度變化

13#上煤層及夾層厚度等值線和三維線框如圖1、圖2所示，在一盤區劃分的工作面內，靠近井田邊界處的13#上煤厚度較大，基本在4.5m以上；越靠近井田內部，13#上煤層厚度越小，經5～7個工作面揭露，煤層厚度從9.5m變薄至0.5m。13#上煤層與13#煤層夾層厚度在一盤區北面呈中間厚四周薄的分布特征，最厚處達9m以上，最薄處1m；一盤區南面，夾層厚度呈單斜構造，從西南邊界處至井田內部，厚度從8m減小至1m。

圖1 13#上煤層厚度等值線

圖2 13#上煤層厚度三維線框圖

1.3 13#煤層賦存特征分析

13#煤層厚度分布特征如圖3和圖4所示。從圖中可以看出，13#煤層厚度分布在12～15m的范圍為分叉區域，屬一盤區；二盤區13#煤層厚度未出現分叉現象，大部分區域煤層厚度在15m以上。

圖3 13#煤層厚度等值線

圖4 13#煤層厚度分布三維線框

2 工作面回采工藝分析

2.1 分層開采與整層開采優缺點

采用分層開采時，由于上下分層距離較近，上煤層回采留設煤柱引起應力集中，造成下部煤層工作面頂板管理困難，增加了煤柱煤炭損失，影響了煤層開采的經濟性。相對于煤層整層綜放開采，分層開采時每層煤每個工作面均需要多掘進兩條巷道，一條切眼，造成巷道掘進、支護及維護費用增加。工作面設備的投資費用高于綜采放頂煤一次采全高回采。

分層開采安全上面對的問題有火災和頂板方面。考慮到13#煤層屬自燃煤層，分層開采自然發火的幾率將大幅度增加。受上部煤層采動影響，開采下部煤層工作面時頂板和巷道管理困難，開采效率低，13#煤層厚度大所具有的單位面積儲量上的優勢反而變成了開采經濟效益上的劣勢。但上部煤層預先開采形成解放層，有利于下部煤層瓦斯釋放。

采用一次采全厚綜放開采避免了煤柱的損失，降低巷道掘進率，降低噸煤生產成本，提高工作面生產效率。這種采法的設備與相同產量的分層開采相比，使用時間短，過煤量少，設備使用壽命延長。由于割煤高度降低，放煤高度增大，回收率降低，但幅度較小。整層開采會將13#煤層間頂板放出，混矸率增加。

13#煤層整層開采面臨的安全問題主要有頂板管理和通風等問題。整層開采有效地降低了煤層自然發火的可能性，改善了自燃煤層的管理。從頂板管理角度分析，13#煤層開采一次采出煤厚較大，回采強度增大，工作面壓力顯現劇烈，同時造成了更大范圍的頂板運動，煤體在基本頂回轉壓力下發生破壞而冒落，從而保證了頂煤能夠充分破碎。另一方面，一次采出煤厚增大使工作面瓦斯涌出量較綜采工作面要大，要求有足夠大的通風斷面來滿足工作面配風量要求。

2.2 根據分層厚度分析布置方式

沙坪煤礦整個井田區域內工作面劃分如圖5所示，一盤區內有13個工作面范圍內的煤層出現了分叉，分叉為13#上煤層和13#煤層，如圖5中虛線圈出部分。通過對分層綜放和整層綜放的優缺點分析及沙坪煤礦13#煤層厚度及煤層特點，13#煤層厚度較大，適宜采用綜放開采方法，其中北翼陰影區域13#上煤層為厚煤層，共6個工作面，可采用大采高綜采開采方法先回采。

在一盤區南翼與二盤區共有20個工作面范圍內的13#上煤層與13#煤層合并（亦可稱13#煤層未出現分叉），此區域煤層厚度較大，賦存條件優越，可采用整層綜放開采方法。

13#上、13#煤層層間巖層是影響采法選擇的主要因素，層間巖層的厚度決定了頂煤的冒放性和原煤含矸率，因此，在選擇整層綜放開采時，要求13#上、13#煤層層間距應該盡可能小，通過對一盤區、二盤區各煤層以及層間巖層厚度進行的統計分析，最終確定了各區域采用的采煤方法，即一盤區北翼工作面采用上分層綜采、下分層綜放開采，一盤區南翼、二盤區工作面采用整層綜放開采。

圖5 沙坪煤礦工作面劃分示意圖

3 結論

（1）13#上煤厚度從井田邊界到井田內部變化較大，從9.5m變薄至0.5m。13#上煤與13#煤層夾層厚度呈中間厚四周薄的分布特征，最厚處達9m以上，最薄處1m， 13#煤層厚度分布在12～15m的范圍為分叉區域，未出現分叉現象區域的煤層厚度在15m以上。

（2）13#煤一盤區內有13個工作面范圍內的煤層出現了分層，一盤區北翼13#上煤層采用綜采開采方法，13#煤層厚度較大，采用綜放開采方法，其他區域采用整層綜放開采方法。