准东煤田巨厚煤层开采技术研究

孙晓冬，黄志增，马兆瑞

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013 ；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013)

准东煤田巨厚煤层开采技术研究

孙晓冬1,2，黄志增1,2，马兆瑞1,2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013 ；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013)

针对准东煤田巨厚煤层开采面临的技术问题，研究认为B1煤层适宜采用分层综放开采，具有分层数目少、掘进率低的优点； B1煤层顶煤垮落角约为80°，最大可放煤高度17.01m；考虑顶煤可充分垮落条件，计算不同割煤高度条件下的容许采放比均超过了1∶3，可按1∶3的采放比进行放煤设计；为避免下分层工作面处于上分层工作面的开采扰动区，分层厚度应大于13.84m；应适当加大首分层的厚度，分层数目不宜大于3层。

准东煤田；巨厚煤层；开采方法；分层开采

新疆准东煤田是目前中国乃至世界上最大的整装煤田，单层煤层厚度最大达80m，可采煤层平均厚度43m，已探明煤炭储量213.6Gt，预测资源量390Gt，占全国煤炭总储量的7.92%，准东地区已被确定为煤电煤化工产业带，是国家重要资源战略接替区。准东二号矿是准东煤田首个大型现代化建设矿井，一期产能15Mt/a，二期产能30Mt/a，矿井服务年限124a，是目前新疆规划的生产能力最大的井工矿井。研究准东煤田巨厚煤层井工开采关键技术，建设千万吨级安全高产高效工作面，对地区跨越式发展具有重要历史意义，对国家全局性能源战略落实起到重要推动作用。

1 地质概况

二号矿井位于准东煤田的中南部，东西长12km，南北宽12.3～13km，面积152.42km2。井田内主要含煤地层为下侏罗统八道湾组(J1b)、中侏罗统西山窑组(J2x)和中上侏罗统石树沟组(J2-3sh)，中侏罗统西山窑组为井田内主要含煤岩组，含煤1层，编号为B1煤层。控煤点数50个，见煤点数50个，可采点数50个，点可采性指数100%，煤层厚30.55～70.57m，平均53.59m，可采厚30.30～70.57m，平均53.16m，变异系数0.14，面积可采性指数100%，含0～5层夹矸，夹矸岩性为炭质泥岩、高炭泥岩，结构较简单、局部复杂，属全区可采、稳定的巨厚煤层。煤层倾角较缓，仅1～3°，局部较陡，最大约6°，图1为准东二矿B1煤层等厚线图，图中数值单位为m。

图1 B1煤层等厚线示意

2 采煤方法确定

根据现有采煤技术及装备水平， B1煤需分层开采，但B1煤不适宜采用分层大采高综采，首先是煤层厚度大，分层数目多，按采高6.5～7.0m计，需分层7～11层，生产系统复杂，巷道掘进率高，下分层巷道维护困难，煤层裂隙发育，煤壁管理困难，受重复揭露影响，采空区自然发火现象很难杜绝。国内外井工开采巨厚煤层的矿井采法以分层综放为主，分层综放具有分层数目少、掘进率低，巷道维护相对容易，产量高的优点。B1煤层采用分层综放开采主要受顶煤冒放性影响。

2.1 煤层强度对冒放性的影响

煤层强度即单向抗压强度是影响顶煤冒放性的关键因素，已有的研究表明，煤层单向抗压强度与顶煤垮落角线性相关，顶煤越硬，单向抗压强度越大，顶煤垮落角越小，顶煤不垮落或滞后垮落，顶煤更易垮落至后部采空区。反之，顶煤越软，单向抗压强度越小，顶煤垮落角越小，顶煤可顺利垮落至后部输送机，顶煤采出率高。

实验室测试B1煤层单向抗压强度为17MPa，根据现场测试，顶煤垮落角约为80°。则顶部煤层垮落后可进入后部刮板输送机的高度满足关系式：

h=tan80°·l=5.67l

根据支架尺寸，取l=3.0m，可顺利回收的顶煤高度为17.01m，即B1煤层顶煤垮落角适宜的最大放煤高度为17.01m。示意图见图2。

h—顶煤厚度；l—顶煤破断点与后部运输机水平距离图2 顶煤垮落可回收高度示意

2.2 采放高度比对冒放性的影响

采放高度比即综放工作面采煤机割煤高度与放煤高度的比值，《煤矿安全规程》对放顶煤采放比要求不得超过1∶3。采放比对顶煤冒放性的影响主要体现在两方面：一是采放比越小，顶煤厚度越小时，可通过支架的反复支撑对上部顶煤起到破碎作用，改善顶煤的冒放性。现场观测结果表明， 支架的破碎作用可波及1～2m范围内的顶煤；二是采放比越小，割煤高度越大时，可增大顶煤和顶板的活动空间，加大覆岩活动强度，促进矿压落煤效果。在一定意义上讲，对于同一煤层，当割煤高度一定时，存在一个影响顶煤是否充分垮落的容许采放比，超过容许采放比时，顶煤不能充分垮落。

设一次采出的煤层厚度为M，其中采煤机割煤高度为mg，放煤高度为mf，支架最大放煤口高度为h′，采放高度比为K，煤的破碎松散系数为ks。

顶煤可充分垮落的必要条件：

M-h′=ks·mf

将M=mg+mf，mf=Kmg代入上式，得：

K=mg(ks-1)/(mg-h′)

可见，割煤高度一定时，当工作面的采放高度比超过上式的计算结果，顶煤将不能充分破碎垮落，对顶煤垮落不利。

工作面选用低位大插板放顶煤液压支架，支架放煤口高度按0.3m、煤的破碎松散系数按1.2考虑，计算了不同割煤高度满足顶煤垮落充分的容许采放比，见表1所示。B1煤层割煤高度为2.0～6.0m时，容许采放比均超过了1∶3的限制，说明B1煤层的冒放性好，考虑《煤矿安全规程》对放顶煤采放比1∶3要求的限制，可按最大1∶3的采放比进行放煤设计。

综上所述，B1煤层可采用分层综放开采，最大放煤高度可达17.01m，可按1∶3的采放比进行放煤设计。

3 分层数目确定

首采工作面长度确定为240m，后续工作面根据现场生产情况进行调整，B1煤层为中硬煤层，割煤高度定为4.0m，截深0.8m。

表1 不同割煤高度容许采放比统计

上分层开采后，工作面底煤破坏程度主要取决于工作面的矿压作用，其影响因素有开采深度、煤层倾角、开采厚度、工作面长度、开采方法和顶板管理等，其次是底煤抗破坏能力，包括煤层强度及原始裂隙发育状况等。利用经验公式计算底板的断裂破坏深度：

式中，H为工作面埋深，510m；L为工作面斜长，按240m计算；a为煤层倾角，3°；f为底板岩层坚固系数，1.7。经计算，md=7.86m。

根据工作面底部破坏深度计算结果，下分层厚度应满足：

Mmin≥md+mg+mr

式中，Mmin为最小分层厚度，md为底板破坏深度，7.86m；mg为工作面割煤高度，取4.0m；mr为工作面支架上方依靠支架反复支撑可充分破坏高度，根据现场实测数据，取2.0m。则Mmin≥13.86m。

各下分层的分层厚度应大于13.86m，才能避免下分层工作面处于上分层工作面的开采扰动区域，有利于下分层工作面开采煤壁控制。首分层开采顶板破煤效果较下分层好，且首分层开采条件较下分层优越，煤层自然发火、顶板控制、煤壁片帮问题防治难度相对小，应适当加大首分层分层厚度。分层综放工作面开采经验表明，由于下分层工作面可回收上分层部分遗留浮煤，可增大第1和第2分层的顶煤厚度， B1煤层的分层数目不宜大于3层。

4 结论

(1)B1煤层适宜采用分层综放开采，具有分层数目少、掘进率低，巷道维护相对容易，产量高的优点。

(2)B1煤层顶煤垮落角约为80°，经计算最大可放煤高度17.01m，可按最大1∶3的采放比进行放煤设计。

(3)各分层厚度应大于13.86m，可适当增大第1和第2分层的顶煤厚度， B1煤层的分层数目不宜大于3层。

[1]王晓勇，张 栋，张荣营.准东二号矿井巨厚煤层采煤方法探讨[J].山东煤炭科技，2010(4)：138-139.

[2]张 飞，张 巍，孙建岭，等.超长综放工作面矿压显现规律研究[J].煤炭工程，2009(12)：52-54.

[3]刘全明.大采高综放工作面长度的空间效应初探[J].煤矿开采，2010，15(3)：27-29.

[4]康延雷，胡云飞.巨厚煤层分层综放开采首分层顶煤冒放性分析[J].煤炭与化工，2013，36(5)：49-50.

[责任编辑：于健浩]

Extremely-thickCoal-seamMiningTechnologyinZhundongCoal-field

SUN Xiao-dong1,2, HUANG Zhi-zeng1,2, MA Zhao-rui1,2

(1.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China; 2.Coal Mining & Designing Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

For the technical technology of extremely-thick coalseam mining in Zhundong coal-field, it was believed that slicing full-mechanized caving mining was fit for B1coalseam for less slicing number and low driving ratio.Top-coal caving angle of B1coalseam is about 80°and maximum top-coal caving height was 17.01m.Considering top-coal full caving condition, mining-caving ratio 1∶3 was designed for top-coal caving.For avoiding influence of upper slice mining face on lower slice mining face, slice height should be larger than 13.84m.The height of first slice should be added and slice number should not be larger than 3.

Zhundong coal-field; extremely-thick coalseam; mining method; slicing mining

2014-02-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.010

天地科技股份有限公司开采设计事业部公司研发项目(KJ-2013-TDKC-03、KJ-2014-TDKC-04)

孙晓冬(1984-)，男，河南濮阳人，硕士，助理工程师，主要从事采煤方法及顶板控制技术研究。

孙晓冬，黄志增，马兆瑞.准东煤田巨厚煤层开采技术研究[J].煤矿开采，2014，19(4)：35-37.

TD823.49

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1006-6225(2014)04-0035-03