B090301 近距离煤层上行综合机械化开采实践.doc

近距离煤层上行综合机械化开采实践

关 群1 李德元2 高维宇2
[1-阜新矿业（集团）公司，辽宁 阜新 123000；阜新矿业（集团）公司清河门煤矿，辽宁 阜新 123006]

摘 要 通过对231采区3-2煤层上部可采煤层受采动影响的探、掘、采实践，积累了掘进、回采期间煤层顶底板的管理经验，通过实施了钻孔探查和巷道探查，检查煤层底板下覆采空区的充实程度、采动影响、下沉变形量及采动裂隙情况、顶板离层状态等，形成巷道支护及回采顶板管理、通风管理等成型经验，修改了以往柱厚采厚比大于7.5方可上行开采的经验数值，安全、顺利地完成了231采区3-3煤层N 3路的近距离累煤层上行综合机械化开采。
关键词 近距离 煤层 上行 开采
-----------------------------------------------------------------------

1 概 况

阜新矿业（集团）公司清河门煤矿位于辽宁省阜新市清河门区境内，是开采40多年的一个老矿井，矿井有两支综采队分别在231采区和343采区采用走向长臂后退式开采，有七支掘进队伍为开采准备，采掘生产全部实现了机械化作业。
231采区是现在的主采区之一，主要开采沙海含煤地层中的三煤组煤层，三煤组有3-2、3-3、3-4、3-5煤层四个近距离煤层组成。早年地质勘探资料显示三煤组煤层均不可采。经过后期的掘进探查，发现三煤组3-2煤层具有可采价值，即开始了探查和回采，形成一个开拓采区，2001年～2005年间，先后圈定3-2煤层回采工作面10个，合计回采煤量263.3万t。由于3-2煤层的开采实际情况与原有地质资料相比出入较大，因此，根据地质资料显示推断3-2煤层上覆还有可采煤层，经过钻探和巷探两种方式探明，与3-2煤层上覆层间距30～36m的3-5煤层具有可采价值，2005年11月～2007年9月，先后回采了3-5煤层5个工作面，合计回采煤量118.2万t。经过前期工作，坚定了3-2煤层与3-5煤层中间层3-3煤层的可采价值。3-3煤层距上覆的3-5煤层15.6～27.6m，3-3煤层距下覆的3-2煤层8～16.7m，地质状况如图1所示。由于历史的原因，造成3-3煤层排在上行开采顺序，并且3-2煤层开采时对上层没有采取任何保护性技术措施，给生产带来一定困难。为了充分回收煤炭资源，尝试在231采区3-3煤层N3路的上行采取综合机械化开采。

图1 3-3煤层地质结构柱状图

2 综合机械化开采尝试

地质资料中，煤层至上而下逐层分布，根据煤层的厚度、间距、煤种以及巷道维护等条件，将煤层群合理分组，同时开发一组或二组煤来满足矿井年产量的要求。组内一般也都是先采上层后采下层，即正常的“下行”开采顺序。当煤层相距较近时，先采下层，采空区岩层垮落，造成上部煤层的破坏，上部煤层的开采就很困难，甚至无法开采；如果煤层间距较远，先采下层，对上部煤层影响较小，下部煤层采完后，只要适当处理采空区，并使上部煤层均匀下沉，也可以采用“上行”开采顺序。
2.1 上行开采条件论证
2.1.1 从矿井开采实际和研究论证
根据上行开采可行性公式（柱厚采厚比公式），H/M＞7.5时，则可视为基本具备反程序开采的必要条件，即下分层开采后，上分层整体基本上不会遭到开采破坏，煤层的整体性比较完整。
清河门煤矿231采区上行开采的实践情况为：
H/M=12.35/3=4.12＜7.5
式中：H—为上、下煤层的平均间距，3-2煤层与3-3煤层间距为8～16.7m，所以平均间距取12.35m；
M—为下部煤层的平均开采高度， 3-2煤层平均采高3.0m。
根据柱厚采厚比公式计算，基本不具备上行开采的条件。
2.1.2 利用三带高度判别法论证
根据《煤矿安全规程讲义》井工开采部分的说明：
（1）冒落带高度的确定

（2）裂隙带高度的确定

（3）上行开采条件所需要的煤层间距离

式中：H—平衡岩层厚度，一般取3.0m；
M—为下部煤层的平均开采高度， 3-2煤层平均采高3.0m。
K—岩石自由碎胀系数，坚硬岩层一般取1.1～1.15m，中硬岩层一般取1.15～1.2m，软岩层一般取1.2～1.4m。
经以上计算，该区上、下层间距仅有8～16.7m，平均12.35m，小于上行开采条件的柱厚采厚比系数，且该区3-3层正处于3-2煤层开采后冒落带的上限和裂隙带的下限，因此，为了缓解采区接续紧张局面，对231区3-3煤层N3路实行探查，以论证上行综合机械化开采的可能性和可行性。
2.2 巷道探查施工
3-2煤层N3路综采工作面于2002年2月采毕，预计3-3煤层岩层完整性已遭到破坏，顶板出现裂隙、离层，但经6年时间的充实应该形成再生底板。
231采区3-3煤层巷道探查于2007年10月15日开始施工，施工中特别加强顶、底板管理。采用炮掘，全断面一次成巷，巷道断面设计成拱形，高2.8m、宽4.2m。
探查巷道采用锚、网、带+锚索及辅助金属棚联合支护，顶板采用直径20mm、长2000mm螺纹钢锚杆，间排距为900×800（mm）；锚索长8000m，间排距1600×2400（mm），五花布置，即2.4m一对，中间加打一根锚索；两帮采用直径20mm、长1600mm的螺纹钢锚杆，间排距为900×800（mm）。顶板压力显现明显地段或顶板破碎段及时采取架设金属棚的联合支护方式。支护形式如图2所示。

图2 3-3煤层巷道支护断面示意图
在日常支护管理中，严格按标准施工，加强施工质量。巷道中间每隔10m用直径200mm的园木打一信号顶子，以便随时观察顶板变化情况，及时采取补强措施。底板每隔10～15m向下覆3-2煤层采空区打探眼，确定3-3煤层与3-2煤层采空区之间厚度、底板是否压实及瓦斯赋存情况，利用探眼及时向下覆采空区采取注砂、注浆、注氮等措施，保证底板充实，防止瓦斯渗出。
运输巷探查至440m，巷道进入3-5煤层N3路采空区煤柱时，顶板破碎严重，及时采取了补充措施：锚索排距改为1.6m，中间加设一根呈五花布置的锚索，双排滞后工作面不超过10m，单排跟至工作面，并加设点锚杆，帮网跟至工作面不超过1m，并及时架设工字钢制作的金属棚，间隔1m安设一架金属棚，架棚距工作面20m以内，棚腿处各铺一根3m长大拌子，平面向上，棚腿立在大拌子上，以增加棚腿与底板接触面积。为防止棚腿倾倒，上梁前要将棚腿绑在帮网上，并扶正把稳，上好帮、顶拉筋，帮、顶要用木板刹齐。
通过采取多种支护形式， 231采区3-3煤层N3路综采工作面于2008年3月16日贯通。通过观测，顶板离层值最大没超过20mm，两帮表面位移量不超过40mm，保持了围岩的稳定性，具备上行综合机械化采煤的条件。
2.3 采煤生产
2.3.1 综采配套设备及管理
根据现有设备使用情况，确定使用如下设备：
① 采用ZY3600-1.2/2.75L型掩护式液压支架。这种支架支护强度较大且均匀，重量轻，价格低，有掩护梁，架间封闭，防护性能好，立柱斜立，调高范围大，抗水平推力能力强，稳定性好，允许带压移架，正适合上行开采工作面老顶来压不太强烈的不稳定和中等稳定的顶板条件。
② 采用MG-150/375W型双滚筒式采煤机。该采煤机采高范围在1.4～2.9m之间，符合本煤层厚度的要求。滚筒采煤机采用骑溜方式工作，能够同时实现落煤和装煤，调高性能好，可适应不同采高，能自开缺口，对地质条件适应性好，机械效率高。
③ 采用SGZ-630/630型双中心链刮板运输机。该机具有受力均匀，弯曲性能好，链子强度高等特点。
④ 配能够满足液压支架要求压力和流量的MRB-200/31.5型乳化泵来保证正常生产。
在生产中对机电设备坚持科学管理，坚持强制检修制，保证设备良好的运行性能，对各台设备都进行包机制，制定包机人，对每天的检修内容及检修情况都进行记录，重点加强液压支架及乳化泵站的检修，在机械设备运行方面为采煤做到前期保障。
2.3.2 回采工艺
采用复合煤层一次采全高走向长壁后退式全部跨落法综合机械化采煤。采用采煤机双向割煤，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤，滚筒自旋使截齿将煤破碎。采煤机端头斜切进刀割三角煤。割煤与移架、推刮板输送机顺序进行。工作面采用及时移架支护，即采煤机割煤过后及时移架，移架在采煤机后3－5台支架进行，采煤与移刮板输送机的间隔为15～20m。利用机组滚筒叶片和输送机铲煤板将煤自行装入运输机，采用刮板输送机运输工作面煤炭。作业方式为双十一四作业方式，劳动组织采用正规循环作业，生产小班5～6个循环。
2.3.3 工作面及两顺的顶板管理
采煤时要严格按照质量标准作业，随时观察顶板状态及支护状态。为有效防止片帮冒顶的发生，必须及时拉靠支架，使支架达到最小控顶距。顶板破碎时，必须立即支护，即采煤机前滚筒割过后，及时带压擦顶移架（可同时操纵降柱和移架手柄，待支架前移时，将降柱手柄打为零位，从而实现擦顶带压移架）。如果工作面片帮达0.6m时，必须及时拉超前架，拉完超前架后继续片帮时，用矿车的两花链取代联接头，再拉超前架，严重时采取人工铺设假顶等维护方法，实践证明此种方法非常有效地控制住了顶板冒顶。采用人工铺设假顶的方法维护将要冒顶空间时，将冒顶处两侧支架升实，不得随意动冒顶处及冒顶处附近支架。在冒顶处，三台支架为一组，沿走向方向在每隔一台支架下用SGW-150C溜子链拴3m方钢梁，每根梁拴两处，固定牢固。方钢梁探至煤帮，沿倾斜方向在方钢梁上铺4m直径180mm、长4000mm的木料），以铺至煤帮为止，然后在三台支架中间的支架上挑两棵3m料（直径200mm、长3000mm的木料）以托住上方4m料，以此类推。依次拉中间架，托住上面的4m料。如果煤帮侧4m料不能被托起，则在该支架前梁上沿走向铺设3m木料，用以托住煤帮侧木料，如图3所示。根据顶板情况，拆卸支架下方的方钢梁，每次只能拆卸一组支架下的方钢梁，然后前移该支架。在处理冒顶时，采煤机走到冒顶处，沿3－3煤层底板割底通过，每次拉架保证一次拉够一个截深。泵站压力不得低于30MPa，随时保证支架具有良好的初撑力，以此来避免和处理冒顶事故。

平面图 剖面图
图3 处理冒顶支护方式图
按标准进行运输巷和回风巷的超前支护，并且设专人进行维护。发生断梁、单体支柱损坏失效必须及时更换，必须设好防倒绳，以防伤人。如底板较软，对相应单体支柱“穿鞋”。巷道发生底臌、两帮移近不能满足安全生产要求时，必须对巷道进行拉底、开帮、挑顶作业，保证巷道有足够的断面。对工作面及运输巷和回风巷的帮、顶进行动态监测。工作面每15台支架安设压力表一块，每次移架后要搞好矿压观测，定期观测工作面顶板下沉量。工作面上、下两巷每50m设置观测站，观测围岩表面收敛量及围岩变化状况，所有观测结果均没有超过界限值，保证了正常开采。
2.4 “一通三防”管理
上行开采主要优点就是可以有效地释放上部煤层的瓦斯和泄出上层煤体内的水。采面掘进、开采期间按《煤矿安全规程》要求核定好风量，加强瓦斯管理。对下覆3-2煤层进行打钻的作用，一是探明下层的充实情况，如果钻孔没有返水现象，说明下层已充实，而下层充实时瓦斯赋存也较少；二是对下层的瓦斯进行抽放，有效减少下覆采空区瓦斯向上层涌出。同时对上覆3-5煤层和本层3-3煤层也进行瓦斯抽放，控制工作面瓦斯浓度，保证没有瓦斯超限现象发生，避免“一通三防”事故的发生。
2.5 生产实践
鉴于该区域位置及地质条件，通过对231采区3-3煤层N3路综采工作面进行了探查掘进施工及上行综合机械化开采，在此期间对掘进、生产全面跟踪观测，分析现有的地质资料，对其煤层原始的赋存状态进行推断、预测，并与实测标高加以比较，确定下覆采空区通过6年时间的充实已达到基本稳定，并形成再生顶、底板，虽存在断裂、离层、裂隙，对其加以重视，采取措施后没有对3-3煤层的上行开采起到影响。
（1）下覆3-2煤层采空区充实程度的确定
① 根据3-2煤层开采实践，该煤层顶板均以粉砂岩、细砂岩及煤页岩煤层组成，开采期间易冒落，便于开采后一定时间内充实。
② 根据煤层赋存状态及煤层底板等高线的数值比较。
表1 回风巷预测煤层底板标高与施工实测煤层底板标高对比
点 号
A
B
C
D
E
F
G
平均
预测标高/m
-414.99
-413.5
-413.49
-413.49
-412.23
-410.25
-408.45

实测标高/m
-418.12
-417.15
-416.84
-418.13
-415.27
-413.67
-411.30

相对下沉量/m
3.13
3.65
3.78
4.69
3.80
3.16
2.85
3.58
表2 运输巷预测煤层底板标高与施工实测煤层底板标高对比
点 号
1
2
3
4
5
6
7
平 均
预测标高/m
-433.30
-432.25
-431.50
-429.30
-425.50
-423.35
-418.80

实测标高/m
-436.23
-435.24
-434.40
-433.70
-431.38
-427.08
-422.20

相对下沉量/m
3.40
2.99
2.90
4.67
5.78
3.13
3.38
3.68
从理论上讲，下沉的高度应小于或等于下覆煤层的开采高度，通过两巷煤层底板等高线之比，回风巷平均相对下沉量3.58m，运输巷平均相对下沉量3.68m，根据下覆3-2煤层开采的厚度（3.2～3.0m）及岩层的自由碎胀系数分析，通过预想等高线推断下沉的高度应为2.8～3.15m之间，下沉量所大于的高度应是由于煤层局部坡度变化及煤层间距造成的。
③ 对底板进行钻探施工，根据钻探工程，钻孔返水正常，说明下覆采空区经过6年的沉降过程均达到充实的状态。
④ 根椐阜新矿区不同开采煤层深度地表移动延续时间观测，有如下规律：
表3 不同开采深度地表移动延续时间
采 深（m）
＜500
500～800
800～1100
初始期（月）
1.5
2.0
2.5
活跃期（月）
7
8
9
衰退稳沉期（月）
8
9
10
通过以上几点说明，下覆3-2煤层采空区已经充实，所以，对3-3煤层N3路进行了上行综合机械化开采。
（2）煤层顶、底板完整程度及连续性判定
① 通过3-3煤层N3路工作面运输巷和回风巷的掘进施工实践可以看出，3-3煤层的煤层层理、煤岩层结构均没有发生大的错动现象，3-3煤层处于稳定的下沉状态，而与下覆煤柱区过渡的相交点也只是煤层起伏发生变化，而煤层的连续性基本上没有遭到破坏。从施工探查实际证明，3-3煤层处于下覆采空区冒落带与裂隙带之间，煤层的完整程度和连续性基本上没有遭到破坏。
② 鉴于3-3煤层顶底板处于下覆采空区裂隙带的下限和冒落带的上限之间，使上覆岩层出现岩层间的离层状态。通过施工30余个探孔，对其顶板进行探测，测其3-3煤层顶板离层现象，表现为岩相变化的交界面之间，离层间距0.01～0.02m，并沿其下覆工作面回采前进方向产生沿其煤层倾向方向的断裂现象，使其在掘进过程中顶板出现断裂，显现为每隔1.5～2.5m之间出现沿其顶板倾向的断裂，而就其巷道两帮煤岩层看没有明显的断裂。因此，为确保其顶板的稳固，对其顶板加强了支护，加密了锚索的密度，使之顶板状态与原生顶板没有多大的差距，仍能体现其完整性。
③ 通过231采区3-3煤层N3路工作面上行综合机械化开采实践，证明该面煤层的顶底板基本上保持完整，因底部3-2煤层的开采高度不同，而出现局部煤层起伏现象，对工作面的开采影响不大。
探查掘进施工观察和施工探查钻孔观察的结果表明，煤层完整性没有遭到破坏，具有开采的可能性。随后，对231采区3-3煤层N3路进行了上行综合机械化开采，经过五个月的开采，安全完成该面的开采任务，并顺利通过了3-2煤层与3-3煤层层间距最小阶段（最小层间距8m。在工作面开采后的50～150m之间，根据柱厚采厚比公式计算H/M=2.7地段，也已经安全采出，开采期间没有发生冒顶事故，虽然在开采后期出现过一次由于压力大而引起的片帮事故，也通过采取上网、挑料等措施顺利解决。

3 结 论

231采区3-3煤层N3路工作面的探查掘进施工及采面回采实践证明，该煤层虽然处于底层开采冒落带和裂隙带之间，只要所采煤层整体性和连续性不被破坏，下部煤层开采后顶板活跃期已经结束，达到稳沉条件，就具备上行开采的条件。由此可知，上行式开采顺序是在某些特殊条件下，为满足某种特殊要求采用的，从技术上看是可行的。
① 经实际探查掘进施工巷道验证， 3-3煤层虽受下层开采影响，但煤层基本上是连续的。虽然，在施工中煤层和顶底板岩层由于下部煤层的开采影响出现大范围的开裂和层间小错动，但对整体巷道施工顶板管理没有较大的影响，由此也证明，煤层层间距在8～16.7m左右、层间岩层为中硬岩层或软岩层、上行开采煤层处于底层开采冒落带和裂隙带之间，经过多年的采后充实，实行近距离累煤层上行综合机械化开采是可行的。
② 上行综合机械化开采的成功，对于资源枯竭的矿井挖掘矿井煤炭资源，延长矿井服务年限是有益的。尤其对老矿井大部分主采煤层已开采，而对有些煤层较薄、范围较小的煤层进行上行开采，只要下层开采后已充实，并且煤层的连续性没有遭到破坏，根据煤层分布岩性的不同具有一定的柱厚采厚比，就基本具备上行开采条件，可以对其进行上行开采。
③ 该工作面的掘进施工和开采，因下层开采后岩层压力得到充分释放，因此在掘进施工和回采时，均在免压区内，因此工作面的掘进施工和开采的巷道支护和巷道维修成本都有所降低，对开采时的顶板管理也是有益的，开采时采面的超前支护压力也会因其底部煤层的开采解放而大大降低。上行开采可以在下解放层开采的条件下使上覆工作面的瓦斯、水等得到充分释放，使工作面开采不再受瓦斯、水等威胁，解决了开采过程中的许多难题。

第一作者简介 关 群 男，1951年出生，1985年毕业于辽宁工程技术大学。现任阜新矿业（集团）有限责任公司副总工程师，高级工程师。

（收稿日期：2009-06-30；责任编辑：陈桂娥）