古城礦井首采盤區采煤工藝變更論證

劉 濤，許孟和 ，王中奎 ，趙正軍

(1.山西煤礦安全培訓中心，山西 太原 030012；2.潞安集團 古城煤礦，山西 長治 046100； 3.煤炭工業太原設計研究院，山西 太原 030000)

潞安集團古城礦井是國家發展和改革委員會批準新建的特大型礦井，井田面積157.299 3 km2，批準開采3號煤層，生產能力800萬t/a。礦井采用斜、立井混合分區開拓方式。工業場地分開布置，分別為主井場地、副井場地、桃園風井場地。首采盤區為北一盤區和南一盤區，原批復的初步設計采用大采高一次采全厚綜合機械化采煤法。

自2013年起，山西省實行產業轉型，煤炭行業疲軟，經濟形勢下滑嚴重。為節約投資，決定采用現已非常成熟的技術—綜采放頂煤開采。為此，本文針對古城礦井3號煤層采煤工藝由大采高一次采全厚綜合機械化開采變更為大采高一次采全厚綜合機械化放頂煤開采進行了分析論證。

1 首采盤區3號煤層概況

古城礦井屬高瓦斯礦井, 各煤層煤塵均有爆炸危險性，且不易自燃。地質構造總體簡單，但波狀起伏普遍發育，并伴有寬緩褶曲，致使局部地層傾角較大，其中影響北一盤區的褶曲有官莊背斜；影響南一盤區的褶曲有呈寺背斜、西史向斜。3號煤層傾角2～16°，其中南一盤區局部煤層傾角達16°。地溫、地壓未見異常。水文地質類型中等。煤層直接頂板為砂質泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，穩定性差，結構松軟，吸水軟化，強度較低；老頂為中～細粒砂巖，為半堅硬～堅硬的巖石。

古城礦井煤層埋深498～688 m，煤層厚度5.89～6.70 m(含夾矸)，平均6.34 m，含泥巖、炭質泥巖夾矸0～2層，一般1層，其中距底板約0.80 m左右一層夾矸發育較為穩定(平均厚度0.22 m)。煤層變異系數Cr=0.14，屬穩定性煤層。其中北一盤區3號煤層平均埋深535 m，厚度5.98～6.67 m(含夾矸)，平均6.38 m；南一盤區3號煤層平均埋深613 m，厚度5.89～6.70 m(含夾矸)，平均6.30 m。

2 采煤工藝影響因數分析

2.1 頂煤冒放性方面

1) 煤層埋深的影響。煤層開采深度對頂煤冒放性的影響實質上是支承壓力對頂煤的壓裂影響，一般來講，埋深大于400 m的煤層，其冒放性好。古城礦井首采盤區煤層埋深498～688 m，冒放性較好，適用放頂煤開采工藝。

2) 煤層強度的影響。根據國內對綜采放頂煤工作面和大采高綜采工作面的實測統計研究結果表明，煤層強度是影響采用放頂煤或大采高的關鍵因素。一般來說，軟煤(f≤1)和中硬煤(f=1～2)可放性較好，硬煤(f≥2)的垮落性最差，冒塊常見大于1.0 m的塊度，最大特點是支架后方常有懸空頂煤，放出率低。根據煤炭科學技術研究院有限公司2018年8月編制的《古城煤礦3號煤層瓦斯基礎參數測試及瓦斯抽采半徑考察研究報告》，首采盤區3號煤層普氏系數f實測結果為0.37～0.62，即f≤1，屬于軟煤，頂煤冒放性好，適合采用放頂煤開采。

3) 煤層厚度的影響。煤層厚度對頂煤冒放性的影響，實質上是綜放工作面采放比的影響。直觀來看，過薄的頂煤相當于偽頂，隨采隨冒，很難控制其在支架尾部垮落，可能超前漏頂，導致直接頂超前破碎到放煤口時，與頂煤混矸一起放出，影響煤質，會在控制一定灰分時易丟失大量頂煤；另一方面，過厚的頂煤不易垮落。在放煤過程中，上部頂煤松動緩慢而滯后垮落，這種冒落會與直接頂一起冒落，而使放煤含矸率增大。因此過薄或過厚的頂煤，亦或是綜放工作面采放比不合理時，頂煤都是難以冒放的。

古城礦井首采盤區平均煤厚6.34 m，若采用放頂煤開采，采煤工作面割煤高度3.8 m，放煤高度2.54 m，采放比為1∶0.67，頂煤適中，采用放頂煤液壓支架支護，支架的反復移架支架過程，對頂煤有一定的壓裂作用，冒放性好。

4) 煤體節理裂隙發育的影響。對于放頂煤，煤層的節理裂隙發育程度影響頂煤的冒放性，節理越發育，對放頂煤越有利；但對大采高綜采工藝來說，煤層的節理裂隙是不利因素，節理裂隙越發育，工作面發生片幫事故的概率隨之增加。據井下現場實地觀測，古城礦井首采盤區巷道及工作面片幫較多，3號煤層節理裂隙相對較發育，說明頂煤冒放性較好，有利于放頂煤綜采工藝，而不利于大采高綜采工藝。

2.2 生產能力方面

從潞安礦區鄰近礦井的生產實踐來看，300～350 m超長綜采放頂煤工作面在余吾、高河等礦井得到成功應用，采用放頂煤采煤工藝，單個工作面生產能力能夠達到400萬t/a。本礦井開采技術條件與余吾煤業、高河能源類似。因此，采用放頂煤開采能夠達產。

2.3 生產安全方面

北一盤區和南一盤區煤層局部最大傾角16°，初步設計中絕大部分工作面沿走向推進，無論何種采煤工藝，均需采取支架防倒措施，但由于大采高液壓支架重量大，高度高，比放頂煤支架更易傾倒，生產安全管理難度更大。

3號煤層屬于較軟煤層，頂底板強度也比較低，對于放頂煤采煤工藝來說，煤層冒放性比較好，是有利的；但采用大采高一次采全厚采煤工藝，采高越高，煤層越軟，易發生煤壁片幫，安全隱患較大。

放頂煤回采工藝在潞安集團已成功應用30多年，生產管理技術熟練，積累了非常豐富的實踐經驗，在我國放頂煤開采工藝應用及生產組織管理方面處于領先水平，生產安全有保障；大采高一次全厚采煤法雖然回采工藝簡單，但在潞安集團應用較少，工程技術人員和工人缺乏經驗，不利于安全高效生產。

綜上所述，古城礦井更適合采用綜采放頂煤采煤工藝。

2.4 設備投資方面

大采高一次采全厚工作面由于采高大，要求的支架支撐高度高，工作阻力大，支架重量大，設備功率高，造成工作面設備投資明顯高于綜采放頂煤工作面。根據市場調研，單個放頂煤綜采工作面設備投資為22 615.87萬元，較單個大采高綜采工作面設備投資40 553.51萬元，可節省44%的資金。因此，從投資角度考慮，宜采用綜采放頂煤開采工藝。

3 結 語

1) 古城井田3號煤層埋藏較深、厚度變化較大，煤層較松軟，頂底板均較軟，頂煤冒放性較好，為保證安全生產，節約初期投資，實現高產高效，首采盤區更適應采用綜采放頂煤采煤工藝。

2) 開采前，應制定防瓦斯、防塵、防水、采放煤工藝、頂板支護、初采和工作面收尾等安全技術措施。

3) 開采時，應充分考慮支架的側向抗壓能力，配置運輸能力大的后部刮板輸送機。

4) 開采過程中，應加強對主控巖層運動的研究與觀測，加強上部采空區探測與防漏風的管理。

5) 古城礦井2018年11月21日進入聯合試運轉階段，首采面采用放頂煤采煤法已安裝完成并進行了試采，能夠滿足800萬t/a的生產能力。