厚夹矸煤层分采分运矸石充填采空区技术研究

2014-03-15宋桂军

中国煤炭 2014年1期

宋桂军

（神东煤炭集团有限责任公司，陕西省神木县，719300）

1 引言

煤矸分采分运是指在采煤工作面遇到如煤层厚夹矸、薄煤带、断层等严重影响原煤质量的地质构造时，采取的一种保证煤炭质量的技术措施。对于长壁后退式全部垮落法采煤工作面，当出现较大的地质构造而工作面又难以停产改造时，为保证煤质，一般可采取的措施有老塘翻矸、刮板输送机拣矸等，这些措施存在劳动强度高、技术难度大、分矸效果差、煤质管理困难、效率低、成本高等问题。对于神东矿区厚夹矸加长工作面而言，要保证煤矸分采分运、高效回填采空区的效果，同时不影响高产高效工作面的生产效率。为了解决以上问题，特开展厚夹矸煤层分采分运矸石充填采空区开采技术研究工作，实现在一个工作面同时使用3种开采方式，为煤矸分采分运开创一条新的技术途径，这不但对神东公司一些矿井解决即将面临的开采难题具有重要的现实意义，而且对神东矿区乃至全国类似条件的矿井都具有很好的指导意义。

2 试验区地质条件

2.1 煤层顶底板及夹矸情况

布尔台煤矿厚夹矸分采分运回填采空区试验区域为二盘区22203～22215工作面，主采2-2煤层，中间有一层夹矸。夹矸最小厚度为0.2m，最大厚度为7.2m，绝大部分夹矸厚度在2 m 以内。2-2上煤层平均厚度为2.2 m，夹矸平均厚度为1.1 m；2-2下煤层平均厚度为1.2m。现选取22203综采工作面开展研究工作，其煤层顶底板特征见表1。

表1 布尔台煤矿22203综采工作面煤层顶、底板特征

2.2 其他地质因素

（1）瓦斯

2-2煤层绝对瓦斯涌出量为2.52 m3／min，相对瓦斯涌出量为0.27m3／t。瓦斯分带为二氧化碳～氮气带及氮气～沼气带，属瓦斯风化带。

（2）煤尘

煤尘爆炸性指数为30%～35%，具有爆炸危险性。

（3）煤的自燃

2-2煤层为易自燃煤层，自燃发火期为30～90d。

（4）地温

区域地温梯度一般小于3℃／100m，无地温异常，属地温正常区，对矿井无地热危害。

2.3 试验区域夹矸物理力学特性

由夹矸抗拉试验可知，夹矸的抗拉强度为1.70 MPa，属于抗拉强度较低的岩石，即夹矸受拉状态下非常容易发生破坏。

由夹矸单轴抗压试验可知，夹矸的抗压强度为24.58 MPa。夹矸的坚固性系数（普氏系数）f=2.458，根据岩石坚固性系数分级表可知，夹矸属于Va～VI级，属于软弱～半坚硬岩石。22203综采工作面配备的采煤机型号为JOY SL900A，可切割坚固性系数f 在4以下的煤层，试验区域夹矸物理力学特征完全可以满足煤矸分采分运的要求。

3 煤矸分采分运工作面充填开采方案设计及设备布置

3.1 工作面充填开采方案设计

煤矸分采分运工作面充填开采方案分为局部充填和全部充填。根据布尔台煤矿的地质条件，同时结合设备选型、矿压显现、投入成本等多方面因素综合考虑，最终确定采用局部充填开采方案。

3.2 工作面充填段与非充填段长度确定

因22203综采工作面布置两种液压支架，所以需要确定不同架型在同一工作面的数量，并进行科学合理的工作面三机配套。基于煤层夹矸厚度变化情况及采煤工艺的特点，确定工作面不同架型的数量。

矸石破碎后会出现膨胀，较硬的岩石破碎后碎胀系数较大。研究区域夹矸属于软弱～半坚硬岩石，碎胀系数选择较大值，即Kρ=1.5。岩石的碎胀系数对矿压控制，尤其对采煤工作面的顶板管理有非常重要的意义。为此，需要将夹矸破碎后的体积与充填空间做一个测算。

煤矸分采分运回填工作面示意如图1所示。已知22203综采工作面长度为240m，上、下分层煤层总平均厚度为3.4m，充填刮板输送机下平面距离支架后顶梁的高度为800mm。设夹矸的厚度为X，满足充填要求空间的设备长度为C，矸石破碎后的碎胀系数为1.5。

当工作面采用分采分运开采时，煤层及夹矸的总厚度为（3.4+X）m，后部可充填的高度为（3.4+X）-0.8= （2.6+X）m。由以上设定可知，充填工作面长度C 为

夹矸与充填长度的关系曲线如图2所示。

图1 煤矸分采分运回填工作面示意图

图2 夹矸-充填长度关系曲线

表2 工作面主要三机设备

根据上述分析可知，当夹矸厚度为1.1m 时，充填工作面长度为95m。考虑到经济效益的最大化及对该模型分析的保守性，确定充填刮板输送机的长度为110m。另外，矸石充填刮板输送机驱动电机需布置在煤层底板上，因刮板输送机需要一定的爬坡段且无法进行矸石回填，该长度约为5～10 m。最终确定充填段长度为115 m，非充填段为125m。

3.3 工作面设备布置

根据目前的设备条件及工作面的矿压情况及空间特点等，对回填工作面主要三机设备进行布置，布置方案见表2。

4 煤矸分采分运采煤方法及工作面生产能力的确定

4.1 煤矸分采分运采煤方法

4.1.1 不同夹矸厚度条件下的开采方式

为适应不同夹矸厚度条件下的开采方式，确定采用3种开采方式，即一次性采全高、分采分运回填矸石、降低采高开采。具体开采方式示意如图3所示。

（1）当夹矸厚度小于0.5 m 时，采用一次采全高的开采方式。

（2）当夹矸厚度在0.5～2.0m 之间时，采用分采分运的开采方式。

（3）当夹矸厚度大于2.0 m 时，采用降低采高，只采较厚的2-2煤层的开采方式。

图3 不同夹矸厚度条件下回采方式示意图

4.1.2 采煤机进刀方式

夹矸工作面采煤机进刀采用对上煤层端部斜切进刀割三角煤的方式，对工作面进行分三层切割开采，开采的顺序为自上向下依次开采。当一个步距采完，下一个步距从上分层端头斜切进刀，如图4所示。

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4.1.3 液压支架的移架方式

工作面采用回填式液压支架进行支护，采煤机截割2-2煤层时，液压支架滞后采煤机前滚筒3～5架的距离，依次跟机拉架。当2-2煤层完全截割后，采煤机截割夹矸和2-2下煤层时，采煤机位于支架顶梁下方截割。采煤机截割2-2下煤层时，滞后采煤机一定距离及时推溜。

4.2 工作面生产能力的确定

工作面分采分运时由于煤层较薄，采煤机截割速度比一次采全高有一定提高。采煤机割2-2上煤层速度为12m／min，截割2-2下煤层为15m／min，截割矸石的速度为4 m／min。采煤机开机率为70%，一天工作时间为14h。分采分运工作面推进一个步距需要的时间为：（180+2×30）／12+（180+2×30）／4+ （180+2×30）／15=96 min。考虑一定的富余系数，推进一个步距的时间约为2 h，一天可推进7刀，则日产量为7×0.865×3.4×240×1.4=6917t，最高年产量为6917×330=2.28×106t。

图4 夹矸工作面采煤机进刀方式示意图

5 煤矸分采分运工作面岩层移动特征及矿压显现规律

5.1 数值模拟模型的建立

为了研究神东布尔台煤矿煤矸分采分运工作面岩层移动及矿压显现特征，利用UDEC二维数值模拟软件，根据开采区域的钻孔资料，建立3种数值模拟模型，即垂直工作面方向建立充填区域的数值模型，垂直工作面方向建立未充填区域的数值模型，平行工作面方向建立数值模型。

5.2 煤矸分采分运充填工作面矿压强度分析

利用UDEC对工作面推进方向充填与非充填区域推进至30、80 （60）、150、300 m 时，以及工作面倾向方向推进150 m 时的岩层移动，进行数值模拟。布尔台煤矿各岩层力学参数见表3。

（1）工作面向充填与非充填区域推进至30、80 （60）、150m 时，沿工作面垂直方向岩层移动数值模拟结果如图5所示。

由图5a～图5c可以得出，充填区域随着工作面的推进，基本顶主要以弯曲下沉为主，局部产生裂隙，工作面所需支护强度为1.22 MPa。工作面支承压力峰值超前13m，影响范围35m，最大20 MPa，应力集中系数达1.6。覆岩移动的水平位移较小，最大112mm。相对传统采煤方法而言，充填采煤岩层移动缓慢，没有出现初次来压与周期来压显现，有效控制了上覆岩层的移动破坏与工作面矿压显现。

表3 布尔台煤矿力学参数

由图5d～图5f可以得出，非充填区域随着工作面的推进，直接顶首先出现垮落，推进到60m，基本顶垮落。工作面前方的支承压力超前13 m，峰值14 MPa，应力集中系数为2.0，分布范围为30m。覆岩移动的水平位移较大，最大1710mm，工作面支护强度为1.4MPa。与充填采煤相比，矿压显现较剧烈。

（2）工作面推进至150 m 时，由沿工作面方向岩层移动数值模拟结果可知，上覆岩层沿工作面移动剧烈，并且不均衡，充填区域位移较小，未充填区域垮落下沉较大。在充填区域和未充填区域之间，有岩块形成的铰接结构。

在煤层顶板设置测线，得到工作面支护强度曲线，如图6所示。

由图6可以看出，充填段所需支护强度峰值为1.2MPa，过渡段支护强度最大为1.5 MPa，非充填段支护强度为1.4 MPa。

5.3 煤矸分采分运工作面岩层移动特征及矿压显现结果分析

从以上模拟分析可知，随着工作面的推进，煤矸分采分运工作面矿压显现强度不均衡，充填段矿压显现强度较小，其超前支承压力影响区域平均为20m，应力集中系数为1.6，充填液压支架平均支护强度为1.2MPa，顶板以弯曲下沉为主，基本未出现明显的初次来压与周期来压显现现象；非充填段矿压显现较大，其超前支承压力影响区域平均为35m，应力集中系数为2.0，非充填段液压支架平均支护强度为1.4 MPa，初次来压步距为60 m，平均周期来压步距为12m。