馬進功，江小軍

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

光明礦提高稀缺煤種資源采出率開采技術(shù)研究

馬進功，江小軍

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

為了提高光明礦稀缺煤種資源的采出率，使其采區(qū)采出率達標，提出采用沿空掘巷留窄煤柱技術(shù)、加長綜采工作面長度、連續(xù)采煤機短壁開采技術(shù)綜合提高5號煤層的采區(qū)資源采出率。研究結(jié)果表明，此3種技術(shù)在5號煤層的應用，將實現(xiàn)綜采工作面參數(shù)的合理調(diào)整和采區(qū)邊角煤的回采，并使2個采區(qū)資源采出率分別由原來的82.1%和80.3%提升至85.4%和86.9%，均可達到最新國家規(guī)范對稀缺煤采區(qū)資源采出率的要求，可為后期開采實踐提供堅實的理論基礎。

稀缺煤種；沿空掘巷；加長工作面；連續(xù)采煤機

多年來，國內(nèi)許多國有大型及地方中小煤炭企業(yè)，盲目追求產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，對煤炭資源(包括稀缺優(yōu)質(zhì)煤種)進行非法的、粗放型開采。據(jù)有關調(diào)查顯示，我國煤炭企業(yè)資源采出率平均只有約40%，小煤礦僅有15%，資源浪費十分嚴重[1]。在我國的煤炭資源中，焦煤僅占煤炭總量的5.8%，肥煤與氣肥煤僅占3.33%，是我國難得寶貴的煉焦煤資源。光明煤礦5號煤層為中厚煤層，屬肥煤、焦煤，屬典型的稀缺煤[2]。原有的初步設計中5號煤層共劃分2個采區(qū)，由于巷道布置方式、工作面及區(qū)段煤柱、煤層賦存條件、不規(guī)則邊角煤資源等因素的影響，導致采區(qū)資源采出率較低，尤其是國家《特殊和稀缺煤類開發(fā)利用管理暫行規(guī)定》出臺以后，明確規(guī)定了稀缺煤種采區(qū)資源采出率指標，5號煤層2個采區(qū)的資源采出率達不到要求，因此引進先進工藝、技術(shù)提高采區(qū)資源采出率，勢在必行。

目前，針對此類問題，國內(nèi)有很多提高資源采出率的技術(shù)途徑[3-5]，應用較為成熟，如減小采區(qū)綜采面區(qū)段煤柱尺寸及數(shù)量(沿空掘巷或沿空留巷技術(shù))、優(yōu)化放頂煤工藝、合理加大工作面幾何尺寸、引進新工藝開采邊角煤及殘留煤柱、綜采充填開采“三下”壓煤等技術(shù)途徑?；诠饷鞯V5號煤層地質(zhì)賦存和開采技術(shù)條件，研究采用沿空掘巷留窄煤柱技術(shù)、加長工作面長度和連續(xù)采煤機短壁開采技術(shù)綜合提高采區(qū)采出率，確定合理的開采尺寸和開采工藝，從而優(yōu)化綜采工作面參數(shù)，確定短壁開采工藝及設備，最終實現(xiàn)采區(qū)資源采出率的達標，并為工程實踐提供科學的理論依據(jù)。

1 工程地質(zhì)條件

光明礦井位于山西省臨縣三交鎮(zhèn)附近，行政區(qū)劃屬林家坪、劉家會鎮(zhèn)管轄，設計生產(chǎn)能力為2.4Mt/a，主采5號煤層。井田地勢西北高，東南低，埋深在350～500m，煤層平均厚2.64m，為低瓦斯煤層；煤層傾角為2～10°，大部分區(qū)域為近水平煤層；直接頂為較軟-中等堅硬砂質(zhì)泥巖，抗壓強度29.20～75.50MPa，厚度2.50～5.60m，平均4.15m，屬中等穩(wěn)定頂板；直接底為中等堅硬砂質(zhì)泥巖，自然抗壓強度39.20～40.40MPa,厚度3.50～6.80m，平均4.79m，屬中硬底板。

2 開采設計中存在的問題

根據(jù)開采初步設計，5號煤層布置2個采區(qū)：一采區(qū)和二采區(qū)，采煤方法為綜合機械化一次采全高，工作面采用雙巷道布置，巷道間護巷煤柱留設寬度為15m，工作面長度為200m，巷道寬度為5m，工作面沿煤層走向方向推進，首采面推進長度約1300m。一采區(qū)布置了16個綜采工作面，遺留了約1.75Mt護巷煤柱和0.75Mt邊角塊段資源，采區(qū)采出率約為82.1%；二采區(qū)可布置出27個綜采工作面，遺留了約有3.21Mt護巷煤柱和1.83Mt邊角煤資源，采區(qū)采出率為80.3%。而按照《特殊和稀缺煤類開發(fā)利用管理暫行規(guī)定》，要求稀缺煤中厚煤層采區(qū)采出率應達到83%以上，而上述分析中該礦兩采區(qū)均達不到資源采出率要求。

3 解決方案

針對上述問題，提出3種技術(shù)方案：沿空掘巷留設窄煤柱技術(shù)、加長工作面技術(shù)和連續(xù)采煤機短壁機械化技術(shù)。

3.1 沿空掘巷留窄煤柱技術(shù)

沿空掘巷技術(shù)是目前應用較為廣泛的通過留設窄煤柱或不留煤柱提高采出率的有效途徑，技術(shù)較為成熟。針對該礦綜采工作面留設15m寬煤柱問題，結(jié)合5號煤層的地質(zhì)賦存和巖石力學特征，通過理論計算和數(shù)值模擬分析確定合理煤柱寬度。

3.1.1 理論計算

根據(jù)沿空掘巷弧形三角塊理論[6-8]，并根據(jù)該礦條件建立沿空掘巷模型，如圖1所示。

圖1 沿空掘巷模型

本礦沿空掘巷技術(shù)成功應用的關鍵主要是基本頂破斷后的巖塊A和B，通過水平力和摩擦力作用咬合在一起，形成 “砌體梁”平衡[2]結(jié)構(gòu)，合理的窄煤柱寬度使沿空巷道處于弧形三角塊的保護下(圍巖應力相對較低)。煤柱合理寬度計算公式為：

B=x1+x2+x3

(1)

(2)

式中，B為煤柱寬度，m；x1為采空區(qū)影響的塑性區(qū)寬度，m；x2為煤柱幫采用的錨桿有效長度L′，取2.0m；x3=0.2～0.4(x1+x2)；m為工作面采高，取2.64m；A為側(cè)壓系數(shù)，A=u/(1-u)=0.23；φ0為煤體內(nèi)摩擦角，26°；C0為煤體黏聚力，2.4MPa；K為應力集中系數(shù)，取2；γ為上覆巖層平均容重，25kN/m3；H為巷道埋深，445m；PZ為巷道煤幫的支護阻力，取0.9MPa。

經(jīng)計算，5號煤層x1為2.03m，B=4.84～5.64m，即煤柱寬度在4.84～5.64m為宜。

3.1.2 數(shù)值模擬優(yōu)化煤柱寬度

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立了沿空掘巷[3]三維數(shù)值模型，進一步對煤柱合理尺寸進行優(yōu)化，分別建立了煤柱寬度為3m，4m，5m，6m，7m，8m，9m，10m的8種模型。通過分析煤柱水平位移和垂直應力云圖繪制水平位移峰值及垂直應力曲線如圖2所示。

圖2 不同寬度煤柱水平位移峰值曲線

分析圖2可知，煤柱寬度為3～5m時，煤柱應力峰值區(qū)(以應力峰值的0.8倍計算)相對煤柱寬度較大，但是應力峰值比較小，煤柱內(nèi)垂直應力峰值急劇增大，增幅較大，呈線性增大趨勢，斜率較大；煤柱寬度為5～7m，在煤柱中部存在彈性區(qū)，煤柱應力峰值區(qū)相對煤柱寬度較小，塑性破壞區(qū)域較小，但是峰值應力相對較大，且大于原巖應力值，該階段應力峰值增幅較3～5m階段明顯?。幻褐鶎挾葹?～10m，垂直應力分布近似呈梯形狀，煤柱應力峰值區(qū)較大，應力峰值也較大，應力峰值區(qū)距離巷道距離較遠，因而巷道側(cè)煤柱內(nèi)發(fā)生塑性破壞區(qū)域也較大；采空區(qū)側(cè)水平位移，當煤柱寬度在3～5m范圍時急劇增長，煤柱寬度5～7m范圍時又急劇下降，大于7m后下降趨勢和幅度均放緩；而巷道方向水平位移3～4m范圍，煤柱向巷道內(nèi)水平位移急劇增加，增長幅度大；4～7m范圍，呈線性增長，增長幅度明顯放緩；7～10m范圍，增長幅度又變大。綜合上述分析，煤柱寬度應取5～7m為宜。

綜合分析理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果，將護巷煤柱尺寸寬度的合理值取5m，進行提高資源采出率的研究。

3.2 加長工作面長度

工作面長度加長，將使采區(qū)內(nèi)布置工作面數(shù)量減少，煤柱數(shù)量相應降低，也將直接影響采區(qū)的資源采出率。工作面長度確定應充分考慮地質(zhì)條件、工作面設備能力以及回采工藝系統(tǒng)的可靠性程度等綜合因素[9]。目前，國內(nèi)綜采工作面的一般長度為150～240m，我國高產(chǎn)高效綜采工作面長度已達到了250m，300m和320m，神東礦區(qū)榆家梁煤礦已經(jīng)布置出了360m甚至400m的超長綜采工作面，是目前全國最大的綜采工作面。該礦初步設計時將工作面長度設計為200m，擬將工作面長度加長至240m，根據(jù)其條件并結(jié)合目前國內(nèi)外采場礦壓顯現(xiàn)控制技術(shù)和綜采面裝備技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，綜合分析工作面加長的可能性。

3.2.1 工作面加長對采場礦壓顯現(xiàn)的影響與控制

工作面長度的增加對采場礦壓顯現(xiàn)強度有直接的影響，工作面加長影響頂板的垮落拱高度，則要求支架的工作阻力增加，因此，必須選擇合理工作阻力的液壓支架，有效控制頂板。根據(jù)5號煤層條件經(jīng)分析計算，200m工作面需要的支架工作阻力約3500～4000kN，如將工作面長度確定為240m，則支架的工作阻力應調(diào)整為4500～5000kN，就能夠控制該煤層的工作面頂板。

3.2.2 綜采工作面主要配套設備技術(shù)

根據(jù)目前我國綜采工作面主要配套設備的發(fā)展技術(shù)，適合2.64m厚煤層，240m工作面的綜采裝備非常成熟，其中，采煤機總裝機功率已達2000kW以上，已成功投入使用的液壓支架最大采高也已超過7m，支架中心距已從最初的1.50m發(fā)展到了2.0m，刮板輸送機的最大輔設長度已達400m，制造技術(shù)非常成熟。

3.2.3 鄰近礦區(qū)技術(shù)改造情況

本礦鄰近礦區(qū)某礦5203綜采面通過技術(shù)改造和設備升級，已將5號煤層240m長工作面投入使用，效果良好，為光明礦加長工作面長度技術(shù)提供了成功應用案例。

根據(jù)上述綜合分析，將綜采工作面長度調(diào)整為240m，現(xiàn)有的采場礦壓控制技術(shù)和裝備制造技術(shù)完全可以滿足此要求，因此本方案是可行的。

3.3 采用連采短壁技術(shù)回收邊角煤

5號煤層一采區(qū)和二采區(qū)均有較多的不規(guī)則塊段，綜采工藝技術(shù)回采難度較大，投資收益率小，設備搬家頻繁、工作面長度變化大。因此，提出采用具有采掘合一、機動靈活、適應范圍較廣等優(yōu)勢的連續(xù)采煤機短壁開采技術(shù)[10-11]解決上述難題，該技術(shù)自上世紀90年代從美國引進，發(fā)展至今具有成熟的開采工藝和完整的配套設備，并通過20多年的國內(nèi)現(xiàn)場實踐，初步總結(jié)出此技術(shù)的基礎應用條件，現(xiàn)將5號煤層邊角塊段地質(zhì)條件與其對比分析，從而分析其可行性，如表1所示。

表1 連采適用指標評價

由表1可知，無論是煤層埋深、厚度、煤層傾角、頂?shù)装鍡l件和煤層賦存都較為適合采用連采。采用間斷式運輸工藝，主要配套設備為連續(xù)采煤機、梭車、錨桿鉆車、行走支架、給料破碎機和鏟運車。開采工藝及方法為：連采短壁工作面采用3巷布置，并結(jié)合旺格維利式開采布置，分別布置主運巷、輔運巷和專用回風巷，主運巷與輔運巷在工作面一側(cè)邊界并列布置，護巷煤柱留設20m，另一側(cè)布置回風巷，3條巷道通過支巷貫通，形成完整的循環(huán)風路系統(tǒng)，實現(xiàn)工作面的全風壓通風。掘進時，回風巷采用單巷掘進方式，主運巷和輔運巷采用雙巷掘進工藝(連采機掘進與錨桿機支護進行平行作業(yè))；回采時，連續(xù)采煤機以采硐的方式完成回采工序，梭車進行轉(zhuǎn)載運煤，給料破碎機進行破碎、裝載，將煤運至工作面膠帶輸送機，履帶式行走支架跟隨連采機的后退式回采進行邁步式移動，臨時支護支巷與采硐形成的三角區(qū)域頂板，開采過程中連采機和行走支架均可實現(xiàn)遙控器操作。經(jīng)初步計算，此工藝條件下邊角煤塊段資源采出率約可達53%，生產(chǎn)能力可達0.4Mt/a。連采工藝如圖4所示。

圖4 連采開采工藝及通風方式

4 結(jié)論

(1)根據(jù)光明礦5號煤層的條件，采用理論計算和數(shù)值模擬得出沿空掘巷窄煤柱寬度應為5m；將綜采工作面由原來的200m加長至240m，目前的開采工藝、采場礦壓控制和裝備制造水平均可滿足；連續(xù)采煤機短壁開采工藝可解決采區(qū)邊角煤的開采，資源采出率可達53%，生產(chǎn)能力可達0.4Mt/a。

(2)5號煤層在采用沿空掘巷留窄煤柱技術(shù)和加長工作面技術(shù)后，可多回收綜采面遺留煤柱資源約3.36Mt；采用連續(xù)采煤機短壁機械化開采技術(shù)，可多回收開采邊角煤資源約1.43Mt。3種技術(shù)手段綜合，將使一采區(qū)和二采區(qū)資源采出率分別達到85.4%和86.9%，均達到了新規(guī)范要求。

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[責任編輯：周景林]

MiningTechnologyofImprovingMiningRatioofScarceCoalinGuangmingColliery

MA Jin-gong,JIANG Xiao-jun

(Taiyuan Research Institute Co.,Ltd.,China Coal Technology Engineering Group,Taiyuan 030006,China)

In order to improve mining ratio of scarce coal in Guangming Colliery,it was put forward that applying driving roadway along shallow coal-pillar,prolonging mining face and short-wall mining with continuous coal miner.Results showed that application of the 3 technologies in 5th coal-seam would rationally optimize full-mechanized mining face,make boundary coal mined and improve resource mining ratio of 2 mining zones from 82.1% and 80.3% to 85.4% and 86.9%,which would reach the requirement of state regulation for scarce coal resource and provide theoretical basis for later mining practice.

scarce coal; driving roadway along gob; prolong mining face; continuous coal miner

2013-12-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.009

山西省青年科技研究基金項目(2012021022-2)

馬進功(1986-)，男，山西汾陽人，碩士，助理工程師，從事短壁礦山壓力、邊角煤短壁開采方法及設計、短壁充填技術(shù)等方面的研究工作。

馬進功，江小軍.光明礦提高稀缺煤種資源采出率開采技術(shù)研究[J].煤礦開采，2014，19(5)：29-32.

TD821

A

1006-6225(2014)05-0029-04