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塔山矿超厚煤层综采放顶煤技术探讨 田卉宇 同煤大唐塔山煤矿公司 生产技术部, 山西 大同 037003 摘 要 根据矿井地质资料和现场地质调查, 在实验室对煤岩力学参数测试的基础上, 分析了首采面的煤层 赋存情况, 探讨影响特厚煤层放顶煤开采的主要技术问题, 提出了应对措施。 关键词 石炭 二叠纪; 特厚煤层; 放顶煤开采; 火成岩侵入 中图分类号 TD823149 文献标识码 A 文章编号 1672- 7169200602- 0020- 05 大同煤矿集团有限责任公司是全国煤炭行业 的特大型企业, 是我国规划的十三个大型煤炭能 源基地之一。为了实现集团公司可持续发展, 依 据企业/ 做大做强0的发展战略, 同煤集团公司决 定建设以同煤大唐塔山煤矿公司为主体的塔山矿 井工业园区。 塔山井田位于大同市西南, 距大同市约 30 公 里, 距同煤集团公司 17 公里。塔山井田走向长 2413 公 里, 倾 斜 宽 1117 公 里, 井 田 面 积 170191 km2, 可采储量为 3116 亿吨, 设计年产量 1500 万吨, 矿井服务年限 140 年。矿井采用立井 平峒多井筒联合开拓, 前进式开采, 首采面布置在 一盘区 C8102 工作面。 1 塔山矿首采一盘区及首采工作面概况 111 首采盘区地质情况 11111 煤层赋存 石炭系太原组 3- 5煤层, 埋深 300 500 m。 厚度大, 层理、 节理发育。煤层沉积环境不稳定, 结 构复杂, 分岔合并现象频繁, 一般由 10 15 个分层 组成, 含矸率平均 16 。单层夹矸最厚为 016 m, 夹矸累厚 0115 114 m。夹矸为高岭岩、 高岭质泥 岩、 砂质泥岩、 炭质泥岩等。3- 5煤层顶底板为 高岭岩、 高岭质泥岩、 砂质泥岩和炭质泥岩, 局部为 粉砂岩或细砂岩。 11112 煤层结构 依据首采区地质资料和现场揭露的煤层情 况, 煤层由下向上依次为 4 m 厚垂直节理发育煤 层、 6 m 厚倾斜节理发育煤层、 5 m 厚层理发育煤 层、 2 m 厚破裂煤层和不到 1 m 的破碎煤 如图 1 。根据对煤的物理力学性质实验, 抗压强度达 27 37 MPa, 平均 32 MPa。各种层理、 节理发 育, 而上部煤层一旦失稳, 冒落性较好, 预计整个 煤层冒放性较好。从结构复杂程度和煤厚变化特 点看, 定为较稳定煤层。 图 1 煤层结构分布 11113 顶底板岩性 首采区 3 5煤层顶板为不同岩性的薄层 岩石互层的复合结构, 层位结构变化大。顶底板 岩性及力学参数见表 1。 直接顶厚度分布较均匀, 一般为 2 8 m, 老 顶 岩性均为厚层状中硬以上粗粒石英砂岩、 砂砾 岩, 厚度 20 m 左右。 底板 多为砂质、 高岭质、 炭质泥岩、 泥岩及高 20 第 3 卷 第 2 期 华北科技学院学报 2006 年 6 月 作者简介 田卉宇 1968- , 男, 山西河曲人, 同煤大唐塔山煤矿有限公司生产技术部助理工程师。 收稿日期 2006 -03 - 24 岭岩, 少量粉砂岩、 细砂岩。底板岩层的单向抗压强度为 1013 MPa 3415 MPa, 平均 2110 MPa。 表 1 顶底板岩性及力学参数一览表 位 置主 要 岩 性 岩层厚度 m 单轴抗压强度 MPa 抗拉强度 MPa 弹性模量 Gpa 容重 g/ cm3 老顶 含砾中砂岩331673183191632152 含砾粗砂岩1115 311531133 591503163 513714193 151212149 2158 粗砂岩019 21140167 481333160 418014112 141372143 2153 粉砂岩013 112549167 671003190 611021131 231622162 2173 中砂岩019 415631007137181152167 直接顶 砂质泥岩011 3115451335187221432163 火成岩0115 015861676177431932166 硅化煤012 01652137 煤层 3 5煤 1519527 371136 1156 11114 瓦斯、 煤尘 根据地质资料确定矿井为低瓦斯矿井, 但在 施工过程中, 掘进工作面多次出现瓦斯超限, 最大 达到 7 , 其中一条巷道在封闭 3 个月后, 瓦斯浓 度达到 80 以上。煤层 受煌斑岩影响者除外 挥发份大于 37 , 灰分 10 30 , 有煤尘爆炸 的危险性。自燃发火期 6 12 个月。 11115 水文地质 含水类型为砂岩裂隙承压水, 含水性弱。地 层单位涌水量 010008 01001 L/ s1m, 渗透系数 01006 01008 m/ d。矿井水 PH 值 7109 715, 最高为 9101, 属中性或弱碱性水。 11116 地质构造 井田内断裂构造发育, 有两组断层群。共有 断层 60 多条, 绝大多数为正断层, 但在首采工作 面范围内无大的地质构造。 112 首采面 C8102 基本情况 11211 C8102工作面基本参数 见表 2 表 2 工作面参数一览表 工作面参数参 数 值工作面参数参 数 值 煤层厚度 1 163 29121 m, 平 均 厚 度 1817 m 年生产日 300 d 采 高 315 m 巷道布置方式 单巷布置 续表 工作面参数参 数 值工作面参数参 数 值 设备生产 能力 550 万t/ a 开采方法 一次综采放顶 煤开采 日生产能力 2 万t/ d 工作面设计长 度 231 m 走向长度 1560 m 11212 C8102工作面设备参数 采煤机为 Eickhoff SL500 AC, 2x850kW 的 PF6/ 1142 型前刮板输送机和 PF6/ 1342 型后刮 板输送机, 顺槽胶带输送机驱动装置采用头部三 台电机驱动方式, 采用 CST 软启动 420KS , CST 与高低速联轴器之间采用蛇形联接。放顶煤液压 支架为 ZF10000/ 25/ 38 型, 支架结构高度 2500 3800 mm, 支架宽度 1660 1860 mm, 初撑力 7730 kN P 3114 MPa , 支架工作阻力 10000 kN P 40162 MPa , 支护强度 1104 MPa, 移架步 距 800 mm, 泵站压力 3114 MPa, 本架操纵。 2 塔山石炭系 3 5煤层综放开采适应 性分析 综放开采顶煤冒放性是顶煤本身可冒落并可 放出的特性, 是顶煤在支撑压力作用下的冒落和 放出难易程度的特征度量参数, 顶煤具有良好的 冒放性是进行综放开采的必要条件, 根据顶煤冒 21 第 2 期 田卉宇 塔山矿超厚煤层综采放顶煤技术探讨 放性的不同采取相应的技术措施与工艺参数是发 挥综放开采优势的基础, 根据对综放开采顶煤冒 落运动的规律、 支架上方顶煤破碎程度的现场观 察和有限元素值计算研究可知, 顶煤从原生裂隙 的扩展以至出现强度破坏到最后从放煤口中放出 受许多因素的影响, 其中既有顶煤内部因素, 也有 外部因素。概括起来最主要的影响因素有以下几 种 2. 1 煤层强度 煤层强度是煤体本身抗破坏能力的主要指 标, 包括煤层的单向抗压强度, 粘结系数和内磨擦 角。由下式 1 -1 可知煤层单向抗压强度 Rc 与 粘结系数 C和内磨擦角 R 的关系为 sin Rc 2 Rc 2 Cctg Rc Rc 2Ccctg Rc Rcsin 2Ccos 故Rc 2Csin 1- sin 1 -1 由上式可以看出, 当 一定时, Rc 随着 C 的 增大而增大是显而易见的, 而当 C 一定时, 对 1 - 1 式求导得 dRc d - 2Csin1- sin- 2Ccos2 1- sin 2 2Csin2 cos2- sin 1- sin 2 2C 1- sin 1 -2 显然 2c 1- sin 0 根据函数性质, –在 0- 90 b 内, 1 -1 式是单 调增长的, 即单向抗压强度 Rc 在 C 一定时, 随 着内磨擦角 –的增加而增加, 反之, 则意味着煤 层单向抗压强度的增大, 煤层的粘结系数 C 和 内磨擦角 –也增大。 煤层的单向抗压强度 Rc 影响着顶煤在压 力作用下破坏破碎过程和程度, 因此与顶煤的垮 落角有着密切的关系。根据对综放工作面的现场 观察, 单向抗压强度 Rc 越大, 即顶煤越硬, 顶煤 的垮落角越小。根据顶煤的冒落运动规律, 当顶 煤的垮落角较小, 对顶煤的放出不利。式 1 -2 反 映了煤层的单向抗压强度 Rc f Rc/ 10 和顶煤 垮落角的关系, 由式可知对于塔山矿井 3- 5 煤 层, 顶煤垮落角为 70b- 90 b, 顶煤能够及时垮落, 不影响顶煤的回收, 有利于放顶煤开采的应用。 2. 2 煤体的完整性 即顶煤的节理裂隙发育程度 一般岩体都程度不同地含有地质弱面和构 造, 煤层更是如此, 节理裂隙对岩体强度的影响与 节理裂隙的走向、 倾角、 密度、 裂隙充填程度和充 填材料有关, 就单个裂隙对单轴压缩的影响来讲, 当裂纹面与载荷方向之间的角度为 B时, 在不考 虑倾向力的情况下, 展开库仑方程式, 可以得到如 下关系式 Rcy Rc Vcy C 1- tg2 1/ 2- tg sin2B- tg r 1- cos2B 式中 Rcy 因裂纹使岩石变弱不禁风的岩石 抗拉强度; Cy 沿裂纹面的抗压强度; C 整体岩石的粘结力; tg 5y 沿裂纹方向的摩擦系数; tg 5 整体岩石的摩擦系数; B 载荷方向与裂纹面之间的夹角。 可见, 当 Cy、 C、 tg 5、 tg 5y 一定时, Rcy / Rc 将视角 B的不同而各异, 而当 B一定时, 则 Rcy/ Rc 将随 Cy、 tg 5y 的变化而变化, 因此对于某一 裂隙, 其对岩石强度的影响将因断裂面的形态、 裂 缝充填情况的不同而不同。 根据井下实际观察及煤样实验结果, 3- 5 煤层节理、 裂隙较发育, 表现为煤体单轴抗拉强度 与单轴抗压强度之比较小 0. 05 0. 1 , 一般情况 下煤岩体的单轴抗拉强度与单轴抗压强度之比为 0. 125。塔山矿井 3- 5 煤层节理、 裂隙较发育, 有利于顶煤在支撑压力及弯曲旋转作用下产生破 坏。 2. 3 顶板 包括直接顶和老顶岩性与厚度 煤层顶板包括两部分, 即直接顶和老顶。直 接顶影响着顶煤的冒落运动过程。根据现场观察 和相似的模拟试验, 综放开采要求能随采随冒直 接顶的最低厚度为 2hmin M/ Kp 式中 2hmin 要求能随采随冒直接顶的最小 厚度, m; M 采放高度, m; 22 第 3 卷 第 2 期 华北科技学院学报 2006 年 6 月 Kp 岩石碎胀系数, 一般取 1. 3。 依据前述可知, 一盘区 3- 5 煤层直接顶厚 度一般为 2 8 m, 按一盘区 3- 5 煤层厚度 12 14 m 计算, 要求直接顶的最小厚度为 912 m, 因此煤层顶板冒落条件下能完全满足放顶煤 开采的要求, 需要人工强制放顶加以配合。 3 塔山综放顶煤的独有优势 侏罗系煤层和塔山的石炭系煤层有着很大的 差异, 就塔山综放工作面如何实现高产高效的问 题, 集体公司组织有关人员对国内具有代表性的 高产高效综放工作面进行了考察、 调研, 其中包 括 兖州煤矿集团东滩矿、 兴隆庄矿, 具有厚煤、 硬 煤代表性的铜川矿务局陈家山矿、 平朔煤业集团 公司安家岭井工矿, 具有破碎顶板特性的淄博矿 务局许昌矿, 具有粘结性煤质、 难冒落代表性的宁 煤集团瓷窑堡二矿、 白芨沟矿, 具有硬煤代表性的 晋城矿务局成庄矿。 根据实地考察, 结合塔山矿的实际情况和组 织有关专家的论证, 综放顶煤在塔山石炭系特厚 煤层开采中可以显示出以下独有的优势 1 高产高效, 由于放顶煤实现了采放平行作 业, 一个工作面可相当于多个工作面, 可以提高工 作面单产和效率。 2 巷道掘进量低。 3 工作面搬家次数少, 一般百万吨搬家次数 较分层开采减少一半以上。 4 对地质条件、 煤层赋存条件有较大的适应 性。 5 由于对顶煤的破碎主要依靠矿山压力实 现, 可以节省电力和材料消耗。 4 综采放顶煤面临问题分析 针对塔山的地质特点, 对放顶煤开采中可能 面临的问题和对策分析如下 411 综放工作面 / 放0的问题 放顶煤的放顶必须建立在有控制的基础上, 既能放的下来, 又要控制得住。 塔山矿受火成岩侵入的特殊煤层构造, 决定 了它不同于正常煤层赋存状况下的综采放顶煤工 作面。在这种情况下, 受上部顶煤疏松的影响, 在 煤层上部布置工艺巷相当困难, 采用爆破顶煤的 方法受瓦斯管理、 以及高产高效等因素影响实际 操作也存在一定难度。根据 3- 5层煤层赋存的 特点, 放顶煤主要依靠支架对煤顶的反复支撑破 坏顶煤完整性以及采放工艺的配合来实现。鉴于 受火成岩侵入的上部煤层一旦松动就很难控制的 特点, 放煤容易造成机道上方顶煤失稳、 漏顶, 给 开采和顶板控制造成极大困难。因此, 从顶煤应 力松动圈分析, 确定合理采放步距, 达到既有效地 将顶煤放下, 又保证机道完整。 412 综放工作面/ 支0的问题 特厚煤层一次放顶煤能否安全采出关键是端 头能否支得住。由于巷道掘进中锚杆锚索基本都 锚固在煤层中, 即没有坚硬的老顶又没有明显的 层理, 锚杆支护基本应用的是/ 加固拱理论0, 这样 巷道冒落拱范围内的煤顶的稳定性就相当重要, 一旦顶煤采放产生的应力反应造成端头上部顶煤 失稳, 锚杆锚索将全部失效, 端头支架将很难满足 端头支护要求, 端头超前支护将异常困难, 仅仅依 靠锚杆锚索将很难维护住, 安全生产将得不到保 障, 高产高效就无从谈起。因此, 在放顶煤初期应 用矿压监测监控手段, 监控顶板的变化, 在两端头 留出足够的安全距离, 通过准确监测顶煤受放顶 影响的范围, 为端头维护提供科学依据。 413 老顶管理 3 5煤层老顶比较坚硬, 一旦老顶大面积 悬吊难以垮落, 采用传统的爆破强制放顶困难较 大, 所以, 加大矿压观测, 采取必要措施防止老顶 大面积垮落时冲击地压的发生, 是放顶煤开采过 程中技术难题。 414 瓦斯管理 虽然煤层瓦斯含量较低, 但综放工作面产量 大, 采放时瓦斯绝对涌出量较大, 本煤层瓦斯涌出 的同时, 邻近煤层受采动影响可能发生瓦斯越流, 很容易造成采空区、 工作面上隅角等瓦斯聚集, 此 外, 采空区内由于浮煤较多, 瓦斯浓度较大, 在直 接顶和老顶来压及垮落时, 会扇出采空区内的瓦 斯。所以, 要预防老顶垮落时工作面瓦斯浓度的 突然升高。 415 防灭火管理 3 5层虽然属于不自燃煤层, 但由于工作 面煤量较大, 预计可采出煤量 480 万吨, 开采期在 23 第 2 期 田卉宇 塔山矿超厚煤层综采放顶煤技术探讨 10 个月以上。而煤在堆积 6 12 个月后即发热 自燃, 如开采速度不快的话, 有可能在开采期内采 空区自燃。采取灌浆、 注氮、 阻化剂等手段防灭 火, 开采后及时封闭, 有效地防止采空区着火。 416 煤尘管理 综放工作面的防灭尘是一项重要的工作, 它 既是保证工作人员工作环境的重要内容, 更是安 全生产不可缺少的环节, 防止与煤尘爆炸相关的 各种安全隐患的产生是煤尘管理的重点。合理布 置工作面各种灭尘捕尘设施, 科学选择煤层注水 参数是防灭尘的重要内容。 417 优化巷道布置 首采面采用单巷布置, 虽然具有工程量小, 管 理简单的优点, 但在通风管理、 瓦斯治理, 便于机 械化施工等方面存在缺陷。但双巷掘进受塔山的 煤层地质结构制约, 过多的交叉点会给顶板控制 带来困难。随着首采面开采经验的积累, 在后续 工作面的巷道布置中, 在保证顶板安全的前提下, 优化巷道布置, 给工作面生产和通风、 瓦斯管理创 造条件。 5 结语 石炭二叠系煤层的工业化开采和超厚煤层的 一次综采放顶煤开采在同煤集团是第一次。本文 通过对塔山首采工作面地质条件分析入手, 在借 鉴兖矿集团, 晋煤集团, 宁煤集团, 铜川矿务局等 兄弟单位放顶煤开采经验基础上, 分析了塔山 3 5煤层地质特点和影响放顶煤开采的几个技 术难题, 提出了开采时应采取的措施, 为首采面安 全高效生产进行了探讨。 参考文献 [1] 山西煤田地质勘探 115 队. 山西大同煤田塔山 井田石炭二叠系 精查 地质报告[ R]. 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