厚煤层煤矿开采技术与安全高效采煤工艺配合研究

刘 涛

（晋能控股煤业集团挖金湾虎龙沟煤业公司，山西 朔州 038300）

1 矿井概况

挖金湾虎龙沟煤矿地处于大同与朔州两市交界处，交通便利。煤矿矿井西南方向为大同煤田，正南是柴沟煤矿，东边毗邻塔山井田，可开采井田面积有12.23 km2，煤炭保有储量16 600 万t，可开采储量9 289 万t，年设计开采产能为170 万t/a，总服务年限为55 年，其主要可开采煤层集中在5#和8#煤层，其中5#煤层为厚煤层，煤层地质情况如图1 所示。现在矿井的采煤工艺与开采技术之间的匹配选用方案不明晰，导致开采效率较低[1-2]。因此从不同维度对比分析一次性采高综采工艺与放顶煤综采工艺的技术特征和开采效率，为后续研究提供依据[3-4]。

图1 5#煤层地质岩层

2 厚煤层煤矿开采技术及实施方案

2.1 放顶煤综采技术

在开采时，首先将长臂工作面（采高：2～3 m）放置在煤层的底部位置，然后配合使用综采技术开展回采工作，使用人工松动的方法或者利用矿山的自身压力使支架上方的顶煤出现破碎，变成散体，再从支架的后方位置处放出，进而整理回收[5-6]。此外，该开采技术需配套联合物料搬运设备进行工作，包括带式输送机、刮板输送机、转载机（大功率版）以及液压支架，此技术的优势在于合理有效利用支撑压力进行调控顶煤的移动、变形以及破坏状态，这使得采煤效率得到增强。厚煤层放顶煤开采技术示意图，如图2 所示。

图2 厚煤层放顶煤开采技术示意图

2.2 一次采全高综采技术

一次采全高也是厚煤层的主流开采技术，它是使用大采高采煤机一次性把煤开采出来，然后经刮板输送机将煤提出工作面，该技术单次开采量较大，采煤效率高效且可预防煤壁出现片帮[7-8]，由于一次性开采可不用频繁移动综采设备，但是因其装备较重，难以安装和移动，导致维修成本和设备成本增加，这也阻碍该采煤技术的推广范围和适用性。

2.3 开采方案

为了对比不同综采工艺和开采技术的适应性和效率问题，选定1505 工作面（煤层平均厚度为6.1 m，走向长度1 850 m，倾向长度190 m，可采储量203 万t）开展一次采全高综采工艺技术，1504 工作面（煤层平均厚度为6.7 m，走向长度1 738 m，倾向长度187 m，可采储量223.8 万t）实施综采放顶煤开采，结合两种开采工艺的产生经济效益、投入成本以及安全高效管理方法判断哪种综采技术更适合厚煤层煤矿安全高效的生产。

3 对比分析两种综采技术方法

放顶煤综采技术与一次采全高综采技术的工艺流程基本一致：采煤机割煤（包括装煤和破煤）→运煤（采用输送机）→支护（顶板和边帮）→收护→移架→推溜→清浮煤。有区别的是两种工艺的综采设备型号与功率不同，如1505 一次采全高综采工作面的输送机型号为SGZ1000/800，采煤机型号为MG500/920，而放顶煤综采工艺的输送机型号为SGZ700/350，采煤机型号为MG300/630。可明显看出，一次采全高综采工艺的设备功率大于后者，这表示着一次采全高的回采率和煤炭产量要大于放顶煤综采技术。

3.1 单产与推进度

根据采煤量实时统计，2019 年初到2020 年初整一年期间，1505 一次采全高综采工作面总采煤推进距离740 m，采煤量123 万t。第一季度由于工作面刹底，使得产量较低，采煤18.7 万t；在第二季度和第三季度随着采高量的提升（5.3 m），顶板趋向于稳定，推进速度更快；第四季度时，工作面稳定回采，采高固定在5.5 m 附近，后三季度总采煤量为104.3 万t，平均单产11.59 万t/月，推进距离为68 m/月，12 月开采产量最大，为18.4 万t，工作面推荐距离79 m。

相比之下，1504 放顶煤综采工作面在2016 年3月投产，第三年同月回采结束，总采煤量204 万t，月平均单产8.5 万t，月推进距离59 m。

3.2 煤炭资源回收率

通过对1504 和1505 工作面一年开采数据的统计，如表1 所示，为两工作面资源回收采出率各项数据对比结果。

表1 两工作面资源回收数据

3.3 材料耗能

据统计1505 一次采全高综采工作面在一年内总耗费材料共计225.3 万元，月平均消耗18.775 万元，转换后可知每1 t 煤耗费1.63 元。

1504 放顶煤综采工作面一年共耗材料费229.75万元，月平均消耗19.14 万元，每1 t 煤消耗材料费用1.84 元。

3.4 煤质

1505 一次采全高综采工作面原煤灰分质量分数为18.97%，含矸质量分数为4%，普通混煤低位发热量为18.52 MJ/kg，煤质为低挥发分煤。

1504 放顶煤综采工作面原煤灰分质量分数为24.55%，含矸质量分数为24%，普通混煤低位发热量为15.72 MJ/kg。

3.5 回采工效

根据工作面每天的开采量，1505 一次采全高综采工作面每人的工效为41.816 t。而1504 放顶煤综采工作面每人的工效为30.25 t，主要原因在于需要定时清理输送机后部以及架间的浮煤，同时还得注意两巷间超前管理，工序耗时较长，1504 工作面循环作业工序，如图3 所示。

图3 1504 放顶煤综采工作面作业工序

3.6 安全管理

1）工作面的两巷管理。对于1505 一次采全高综采工作面的两条巷道使用跟顶留底工序，其方便对两巷实行超前控制。而放顶煤综采工作面的两条巷道需要使用锚网进行支护，这样使压力较为集中，不容易控制顶煤，给安全生产带来很大的隐患，安全管理难度相比一次性采高上升。

2）顶板和矿压控制。1505 一次采全高综采工作面使用高阻力液压支架，该支架的支护强度等级较高，可以降低回采期间围岩被破坏次数，同时支架承受力较为平稳，当超前控制长度设定为32 m 时，周期来压步距的值为22 m，相比1504 放顶煤综采工作面其压力较小。1504 放顶煤综采工作面的支架受力不均匀，容易出现压力集中，导致支撑顶板面上存在压力峰值前移，时常出啊先支架被压住不动的情况，这样就得借助人工爆破的方法进行松底，随之引起的安全问题较为严重，此方法周期来压的步距为17 m，经过测试得到前后立柱的支撑力差值高达10 MPa，超前长度为42 m。

4 对比结果分析

综上所述，从采煤工艺流程各阶段对比分析了1505 和1504 两煤层工作面的技术优势，在单产和推进度方向，一次采全高综采工艺相比放顶煤综采工艺其值各自增加了37%和9%；在资源回收方向，前者比后者的煤炭开采率提升了10%左右；在耗材方向，前者比后者的每吨耗材费降低了0.21 元；关于煤质，放顶煤夹矸率高，灰分比一次性采高高5.58%；在回采效率方面，一次性采高比放顶煤高出38.2%；因此，一次性采高综采技术更适合厚煤层的开采，该开采技术和采煤工艺的有效结合可以保证厚煤层煤矿可以安全高效生产。

5 结论

以实例矿井中两种综采工作面，分析总结了厚煤层煤炭开采技术与采煤工艺的安全高效适应性方案，结论如下：

1）一次性采高的开采技术与综采工艺的结合更适合于厚煤层的高效开采，可快速提升煤矿单产和回采率。

2）一次采全高综采工艺可减少吨煤的开采成本，且煤炭质量较好，相对于年设计产量170 万t，年可节省成本6 324 万元。