厚煤層煤礦開采技術與安全高效采煤工藝配合研究

劉 濤

（晉能控股煤業集團挖金灣虎龍溝煤業公司，山西 朔州 038300）

1 礦井概況

挖金灣虎龍溝煤礦地處于大同與朔州兩市交界處，交通便利。煤礦礦井西南方向為大同煤田，正南是柴溝煤礦，東邊毗鄰塔山井田，可開采井田面積有12.23 km2，煤炭保有儲量16 600 萬t，可開采儲量9 289 萬t，年設計開采產能為170 萬t/a，總服務年限為55 年，其主要可開采煤層集中在5#和8#煤層，其中5#煤層為厚煤層，煤層地質情況如圖1 所示。現在礦井的采煤工藝與開采技術之間的匹配選用方案不明晰，導致開采效率較低[1-2]。因此從不同維度對比分析一次性采高綜采工藝與放頂煤綜采工藝的技術特征和開采效率，為后續研究提供依據[3-4]。

圖1 5#煤層地質巖層

2 厚煤層煤礦開采技術及實施方案

2.1 放頂煤綜采技術

在開采時，首先將長臂工作面（采高：2～3 m）放置在煤層的底部位置，然后配合使用綜采技術開展回采工作，使用人工松動的方法或者利用礦山的自身壓力使支架上方的頂煤出現破碎，變成散體，再從支架的后方位置處放出，進而整理回收[5-6]。此外，該開采技術需配套聯合物料搬運設備進行工作，包括帶式輸送機、刮板輸送機、轉載機（大功率版）以及液壓支架，此技術的優勢在于合理有效利用支撐壓力進行調控頂煤的移動、變形以及破壞狀態，這使得采煤效率得到增強。厚煤層放頂煤開采技術示意圖，如圖2 所示。

圖2 厚煤層放頂煤開采技術示意圖

2.2 一次采全高綜采技術

一次采全高也是厚煤層的主流開采技術，它是使用大采高采煤機一次性把煤開采出來，然后經刮板輸送機將煤提出工作面，該技術單次開采量較大，采煤效率高效且可預防煤壁出現片幫[7-8]，由于一次性開采可不用頻繁移動綜采設備，但是因其裝備較重，難以安裝和移動，導致維修成本和設備成本增加，這也阻礙該采煤技術的推廣范圍和適用性。

2.3 開采方案

為了對比不同綜采工藝和開采技術的適應性和效率問題，選定1505 工作面（煤層平均厚度為6.1 m，走向長度1 850 m，傾向長度190 m，可采儲量203 萬t）開展一次采全高綜采工藝技術，1504 工作面（煤層平均厚度為6.7 m，走向長度1 738 m，傾向長度187 m，可采儲量223.8 萬t）實施綜采放頂煤開采，結合兩種開采工藝的產生經濟效益、投入成本以及安全高效管理方法判斷哪種綜采技術更適合厚煤層煤礦安全高效的生產。

3 對比分析兩種綜采技術方法

放頂煤綜采技術與一次采全高綜采技術的工藝流程基本一致：采煤機割煤（包括裝煤和破煤）→運煤（采用輸送機）→支護（頂板和邊幫）→收護→移架→推溜→清浮煤。有區別的是兩種工藝的綜采設備型號與功率不同，如1505 一次采全高綜采工作面的輸送機型號為SGZ1000/800，采煤機型號為MG500/920，而放頂煤綜采工藝的輸送機型號為SGZ700/350，采煤機型號為MG300/630。可明顯看出，一次采全高綜采工藝的設備功率大于后者，這表示著一次采全高的回采率和煤炭產量要大于放頂煤綜采技術。

3.1 單產與推進度

根據采煤量實時統計，2019 年初到2020 年初整一年期間，1505 一次采全高綜采工作面總采煤推進距離740 m，采煤量123 萬t。第一季度由于工作面剎底，使得產量較低，采煤18.7 萬t；在第二季度和第三季度隨著采高量的提升（5.3 m），頂板趨向于穩定，推進速度更快；第四季度時，工作面穩定回采，采高固定在5.5 m 附近，后三季度總采煤量為104.3 萬t，平均單產11.59 萬t/月，推進距離為68 m/月，12 月開采產量最大，為18.4 萬t，工作面推薦距離79 m。

相比之下，1504 放頂煤綜采工作面在2016 年3月投產，第三年同月回采結束，總采煤量204 萬t，月平均單產8.5 萬t，月推進距離59 m。

3.2 煤炭資源回收率

通過對1504 和1505 工作面一年開采數據的統計，如表1 所示，為兩工作面資源回收采出率各項數據對比結果。

表1 兩工作面資源回收數據

3.3 材料耗能

據統計1505 一次采全高綜采工作面在一年內總耗費材料共計225.3 萬元，月平均消耗18.775 萬元，轉換后可知每1 t 煤耗費1.63 元。

1504 放頂煤綜采工作面一年共耗材料費229.75萬元，月平均消耗19.14 萬元，每1 t 煤消耗材料費用1.84 元。

3.4 煤質

1505 一次采全高綜采工作面原煤灰分質量分數為18.97%，含矸質量分數為4%，普通混煤低位發熱量為18.52 MJ/kg，煤質為低揮發分煤。

1504 放頂煤綜采工作面原煤灰分質量分數為24.55%，含矸質量分數為24%，普通混煤低位發熱量為15.72 MJ/kg。

3.5 回采工效

根據工作面每天的開采量，1505 一次采全高綜采工作面每人的工效為41.816 t。而1504 放頂煤綜采工作面每人的工效為30.25 t，主要原因在于需要定時清理輸送機后部以及架間的浮煤，同時還得注意兩巷間超前管理，工序耗時較長，1504 工作面循環作業工序，如圖3 所示。

圖3 1504 放頂煤綜采工作面作業工序

3.6 安全管理

1）工作面的兩巷管理。對于1505 一次采全高綜采工作面的兩條巷道使用跟頂留底工序，其方便對兩巷實行超前控制。而放頂煤綜采工作面的兩條巷道需要使用錨網進行支護，這樣使壓力較為集中，不容易控制頂煤，給安全生產帶來很大的隱患，安全管理難度相比一次性采高上升。

2）頂板和礦壓控制。1505 一次采全高綜采工作面使用高阻力液壓支架，該支架的支護強度等級較高，可以降低回采期間圍巖被破壞次數，同時支架承受力較為平穩，當超前控制長度設定為32 m 時，周期來壓步距的值為22 m，相比1504 放頂煤綜采工作面其壓力較小。1504 放頂煤綜采工作面的支架受力不均勻，容易出現壓力集中，導致支撐頂板面上存在壓力峰值前移，時常出啊先支架被壓住不動的情況，這樣就得借助人工爆破的方法進行松底，隨之引起的安全問題較為嚴重，此方法周期來壓的步距為17 m，經過測試得到前后立柱的支撐力差值高達10 MPa，超前長度為42 m。

4 對比結果分析

綜上所述，從采煤工藝流程各階段對比分析了1505 和1504 兩煤層工作面的技術優勢，在單產和推進度方向，一次采全高綜采工藝相比放頂煤綜采工藝其值各自增加了37%和9%；在資源回收方向，前者比后者的煤炭開采率提升了10%左右；在耗材方向，前者比后者的每噸耗材費降低了0.21 元；關于煤質，放頂煤夾矸率高，灰分比一次性采高高5.58%；在回采效率方面，一次性采高比放頂煤高出38.2%；因此，一次性采高綜采技術更適合厚煤層的開采，該開采技術和采煤工藝的有效結合可以保證厚煤層煤礦可以安全高效生產。

5 結論

以實例礦井中兩種綜采工作面，分析總結了厚煤層煤炭開采技術與采煤工藝的安全高效適應性方案，結論如下：

1）一次性采高的開采技術與綜采工藝的結合更適合于厚煤層的高效開采，可快速提升煤礦單產和回采率。

2）一次采全高綜采工藝可減少噸煤的開采成本，且煤炭質量較好，相對于年設計產量170 萬t，年可節省成本6 324 萬元。