特厚煤層大采高綜放開采提高工作面回采率技術(shù)探討

紀(jì)潤清

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特厚煤層大采高綜放開采提高工作面回采率技術(shù)探討

紀(jì)潤清

摘要放頂煤開采因其高產(chǎn)高效而被廣泛應(yīng)用，然而由于綜采放頂煤開采技術(shù)的特點(diǎn)，決定了煤炭資源損失量較大。本文以大同礦區(qū)同忻煤礦特厚煤層大采高綜放開采為工程背景，研究提高特厚煤層大采高綜放工作面的回采率的技術(shù)措施。通過分析同忻煤礦綜放工作面的煤炭損失構(gòu)成，得出該礦綜放工作面的煤炭損失主要集中在初采損失、末采損失、端頭損失以及頂煤破碎度差丟煤損失。并從工作面參數(shù)選擇、放煤工藝參數(shù)的確定、加大頂煤破碎程度、健全計(jì)量管理等方面對綜放開采工作面回采率提高技術(shù)進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞特厚煤層；大采高；綜放開采

0　引言

中國厚煤層儲量十分豐富，約占全部生產(chǎn)礦井儲量的45%［1］。綜放開采技術(shù)具有巷道掘進(jìn)率低、工作面單產(chǎn)高、噸煤生產(chǎn)成本低、對煤層厚度變化適應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外厚煤層開采優(yōu)先考慮的工藝［2］。隨著綜放開采技術(shù)與裝備的進(jìn)步，目前，綜放工作面回采率可達(dá)80%以上［3］。通過對大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司下屬的同忻煤礦綜放開采工作面的實(shí)際觀測和分析，確定綜放工作面煤炭損失主要有初采損失、末采損失、端頭損失以及頂煤破碎度差丟煤損失等。回采率低不僅增加了煤炭資源的損失和浪費(fèi)，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且隱患極大，威脅整個(gè)礦井的安全，特別是易自燃的煤層［4］。

同煤集團(tuán)同忻煤礦井田位于大同煤田東北部，石炭系煤層埋藏深度約400 m、礦井主采石炭系3-5#煤層，3-5#煤層平均為13.67 m，煤層傾角0°～5°，煤層層位穩(wěn)定，全區(qū)可采，井田綜合柱狀如圖1所示。同忻井田緊靠口泉斷裂，井田內(nèi)以構(gòu)造應(yīng)力場為主，石炭系煤層埋藏深度較深，原巖應(yīng)力較大、有利于頂煤的冒放，所以3-5#特厚煤層采用綜放開采可行。井田內(nèi)主采煤層的頂?shù)装逍再|(zhì)復(fù)雜，各煤層均有煤塵爆炸危險(xiǎn)性，存在煤自燃的因素，對綜放開采不利，為工作面安全生產(chǎn)帶來了重要隱患。

圖1　同忻井田石炭系煤層柱狀

1　特厚煤層綜放開采技術(shù)

1.1工作面布置參數(shù)

工作面布置參數(shù)對回采率的影響較大，因增加了推進(jìn)長度相應(yīng)的減少了初采、末采的比例，增加了回采率；工作面長度的增加也相應(yīng)減少了兩個(gè)端頭所占的比例，也同樣增加了回采率。工作面長度是放頂煤工作面重要參數(shù)之一，工作面長度的合理性對工作面設(shè)備開機(jī)率、工作面產(chǎn)量、開采效率等均有較大影響。工作面長度的增加，不僅能提高工作面單產(chǎn)、降低巷道掘進(jìn)率，有利于礦井實(shí)現(xiàn)集中化生產(chǎn)，而且可以提高礦井資源回收率。綜合分析地質(zhì)、產(chǎn)量、端頭頂煤損失率、風(fēng)速、設(shè)備、經(jīng)濟(jì)、管理水平、礦壓及工作面的自燃發(fā)火期等因素，同忻煤礦工作面長度約200 m。

以8100工作面為例，8100工作面位于3-5#煤層北一盤區(qū)，西以北一盤區(qū)三條盤區(qū)大巷保護(hù)煤柱為界，北以8101工作面順槽煤柱為界。8100工作面平均埋深447.5 m，傾斜長度193 m，可采走向長度為1406 m。工作面開切眼位于工作面南東部，由南東向北西方向推進(jìn)。工作面巷道布置見圖2。

圖2　8100工作面巷道布置

1.2回采工藝參數(shù)

工作面煤厚平均為15.3 m，傾角2°～3°。為了提高礦井開采效率，實(shí)現(xiàn)礦井的安全開采，同忻煤礦采用特厚煤層大采高綜放開采技術(shù)，采高為3.9 m，放煤厚度11.4 m，采放比約為1：2.9，日推進(jìn)度6.4 m。

為了減少工作面采煤損失和工藝損失，同忻煤礦特厚大采高綜放工作面作業(yè)工序選擇為，割煤移架→推前運(yùn)輸機(jī)→放頂煤→拉后運(yùn)輸機(jī)。采煤機(jī)截割及放頂煤采出的煤經(jīng)工作面前、后刮板運(yùn)輸機(jī)，順槽轉(zhuǎn)載機(jī)，順槽皮帶運(yùn)輸機(jī)，北一盤區(qū)皮帶運(yùn)輸大巷皮帶運(yùn)輸機(jī)，由主井皮帶運(yùn)至地面洗煤廠進(jìn)行加工。

2　提高綜放開采工作面回采率的措施

2.1優(yōu)化工作面參數(shù)的選擇

為了提出提高綜放工作面頂煤回收率，系統(tǒng)的分析了同忻煤礦特厚煤層大采高綜放工作面煤炭損失的工藝過程、技術(shù)參數(shù)及管理方法，得出工作面煤炭損失主要包括初采損失、末采損失及端頭頂煤損失。同時(shí)，在技術(shù)和裝備允許范圍內(nèi)適當(dāng)增加工作面長度及推進(jìn)長度，可減少這部分煤損所占的比例，從而提高放頂煤開采的頂煤回收率［5］。

2.1.1減少初采損失

采用開切頂巷技術(shù)和深孔爆破技術(shù)減少初采損失。切頂巷技術(shù)是沿著煤層頂板施工一條與開切眼平行的巷，并巷內(nèi)一幫鉆眼爆破，通過減小初采期間頂煤的垮落步距來提高煤炭的回采率［6］。深孔爆破應(yīng)在工作面未采動區(qū)內(nèi)實(shí)施，如在兩巷中。為保證作業(yè)安全，在開切眼或工作面內(nèi)嚴(yán)禁采用炸藥爆破方法處理頂板和頂煤。通過以上措施，一般初采損失可減少約50%，推進(jìn)長度在500 m左右時(shí)，其初采損失在0.5%左右。

2.1.2減少末采損失

末采損失約占綜放開采煤炭損失的1.5%，因此，減少綜放面的末采損失，是提高煤炭回收率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。工作面來壓是綜放收尾重要影響因素，當(dāng)工作面收尾撤架空間處于基本頂來壓期間，基本頂回轉(zhuǎn)下沉量增大，后立柱的活柱縮量遠(yuǎn)大于前立柱，不僅使支架載荷增大，且易造成支架工作狀態(tài)發(fā)生變化，使支架前梁呈抬頭狀，影響支護(hù)效果，此時(shí)撤架無論在技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都不合理。相反，如果收尾后撤架空間處于來壓剛過階段，圍巖相對最穩(wěn)定時(shí)期，此時(shí)撤架是最有利的時(shí)空條件。

2.1.3減少端頭損失

目前，大多數(shù)綜采放頂煤工作面均采用過渡支架或放頂煤支架進(jìn)行端頭支護(hù)。由于機(jī)頭、機(jī)尾過渡槽較高，支架放煤口打開后放煤困難，一般在工作面端頭不放頂煤。為減少端頭損失，應(yīng)在條件允許的情況下，通過加大巷道斷面尺寸，將機(jī)頭機(jī)尾布置在巷道中，取消過渡支架；采用立式（電機(jī)垂直工作面布置）側(cè)卸刮板輸送機(jī)；采用帶有高位放煤口的端頭支架，實(shí)現(xiàn)端頭及兩巷放頂煤等技術(shù)措施，將工作面輸送機(jī)的機(jī)頭機(jī)尾盡量向巷道方向布置，使工作面內(nèi)支架能全部放煤。

2.2優(yōu)化放煤工藝參數(shù)

綜放工藝參數(shù)主要包括放煤步距、放煤方式等。采用合理的放煤工序，可以使頂煤的放出量最多、混矸量最少，脊背煤損失也更少。選擇合理的放煤步距，可以降低煤炭含矸率、提高煤炭回收率［5-6］。

過大的放煤步距，不僅脊背煤損失大，而且使一部分破碎煤體由于頂煤矸石的放出，被甩在采空區(qū)后方，降低了回采率；放煤步距過小，則由于后方采空區(qū)矸石提前竄出，被迫關(guān)閉放煤口，使頂煤部分不能及時(shí)放出而損失，同樣降低了回收率。因而正確選擇放煤步距是綜放開采中的一道重要工序。放煤步距必須與頂煤厚度、架型、頂煤斷裂角及松散煤巖運(yùn)動規(guī)律等相適應(yīng)。最佳放煤步距是使頂部和采空區(qū)側(cè)的矸石同時(shí)達(dá)到放煤口［7］。由于影響因素各不相同，生產(chǎn)中要根據(jù)具體的地質(zhì)及開采條件確定合理的放煤步距。

同忻礦經(jīng)過多個(gè)特厚煤層綜放面的開采實(shí)踐，進(jìn)行了一刀一放、兩刀一放和單輪放煤、雙輪放煤和多輪放煤的試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場頂煤放出量、推進(jìn)速度、安全開采等綜合效果，最終確定采用的一刀一放的放煤工藝，現(xiàn)場效果良好。

2.3加大頂煤破碎程度

同忻礦煤層夾矸多、煤層硬，不易放煤。一般來說，改善煤體原始特性，能提高頂煤的冒放性。如果煤層普氏系數(shù)在2.0以上時(shí)，由于煤層硬度較高，需要采取人工輔助手段來改善頂煤的冒落狀態(tài)和冒落塊度，常采用的辦法是煤層注水弱化頂煤強(qiáng)度+頂板水壓致裂技術(shù)［6］。采用注水軟化頂煤時(shí)，其方法為在順槽中進(jìn)行，改變頂煤的結(jié)構(gòu)、降低煤體硬度，增加頂煤的破碎度；頂板水壓致裂技術(shù)通過采前對基本頂進(jìn)行預(yù)裂破壞，增加頂板的裂隙發(fā)育程度，改變頂板的完整性結(jié)構(gòu)，使得頂板在工作面推進(jìn)的過程中易破斷，將頂板的承載能力轉(zhuǎn)移到頂煤上，增加頂煤的破碎。

2.4優(yōu)化特厚煤層綜放架型

頂煤的放出是以頂煤得到充分破碎和松散為前提，所以液壓支架是綜放工作面影響頂煤回收率的主要設(shè)備。由于低位支架可使頂煤松散的空間增大，增加頂煤的松散高度和松散程度［7］。同忻礦采用了四柱式放煤支架，比掩護(hù)式支架頂梁長，頂梁上方的頂煤在支架的反復(fù)支撐作用下，使頂煤充分破碎為頂煤的破碎和放出提供了良好的條件等。同時(shí)，低位支架的頂梁較長，頂梁上方的頂煤在支架的反復(fù)支撐作用下，使頂煤充分破碎為頂煤的破碎和放出提供了良好條件。

在低位放頂煤支架的基礎(chǔ)上，研發(fā)了強(qiáng)擾動式高效高回收率放煤機(jī)構(gòu)，如圖3所示，并在后部輸送機(jī)中增加“導(dǎo)煤裝置”（圖4），利于煤落至導(dǎo)煤裝置上，靠重力滑落至后溜槽內(nèi)，提高了頂煤回收率使工作面煤炭資源回收率達(dá)到了85%以上。

圖3　強(qiáng)擾動式高效高回收率放煤機(jī)構(gòu)

圖4　后部輸送機(jī)中的導(dǎo)煤裝置

2.5健全放頂煤計(jì)量管理

由于其實(shí)際采高和儲量無法丈量，加之頂煤是否放凈無法看見，所以健全計(jì)量管理、加強(qiáng)監(jiān)督檢查，保證探測煤層厚度的準(zhǔn)確性，為回采率計(jì)量提供依據(jù)。計(jì)量管理是提高放頂煤工作面煤炭回收率的重要途徑［8］。同時(shí)，通過加強(qiáng)頂煤回采率的測算與分析管理，確保回采率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，予以糾正。針對工作面的現(xiàn)場具體條件，因地制宜地采取合理的放煤步距和放煤方式，并在實(shí)際操作中嚴(yán)格掌握，使放煤效果處于最佳狀態(tài)。提高放煤工的放煤技能和責(zé)任心，實(shí)行責(zé)任分解指標(biāo)到人，配備專業(yè)人員到現(xiàn)場跟班監(jiān)督檢查，并制定回采率考核制度，促進(jìn)綜放面回采率的管理工作。

3　結(jié)論

通過分析同忻煤礦特厚煤層賦存條件和大采高綜放開采技術(shù)，得出了同忻煤礦綜放工作面的煤炭損失主要集中在初采損失、末采損失、端頭損失以及頂煤破碎度差丟煤損失方面。通過對工作面參數(shù)、放煤工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，加大頂煤破碎程度，優(yōu)化特厚煤層開采綜放架型，健全計(jì)量管理等方面進(jìn)行探索和實(shí)踐，使同忻煤礦特厚煤層大采高綜放開采工作面的回采率明顯提高。得出了一些提高特厚煤層綜放工作面煤炭回采率的經(jīng)驗(yàn)，為大同礦區(qū)石炭系特厚煤層和其他礦區(qū)類似煤層的開采提供參考。

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Technical Discussion on Improving Recovery Rate of Working Face in Thick Coal Seam Large Mining Height Fully Mechanized Mining

Ji Runqing

Abstract：The top coal caving mining is widely used for its high production and efficiency，However，because of the characteristics of the top coal caving mining technology，the loss of coal resource is bigger. Based on the thick coal seam large mining height fully mechanized mining of Tongxin Mine，the technical measures of improving the recovery rate of the thick coal seam large mining height fully mechanized working face are studied. By analyzing the coal loss composition of the fully mechanized working face in Tongxin Mine，it is concluded that the coal loss mainly concentrates in the early mining loss，the last mining loss，the end loss and the coal loss of the top-coal fragmentation degree. And the improvement technology of the recovery rate is studied and analyzed from the working face parameter selection，the determination of the caving coal process parameters，increasing the top-coal broken degree and improve the metrological management.

Key words：thick coal seam；large mining height；fully mechanized mining

中圖分類號TD823.25+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼B

文章編號1000-4866（2016）03-0024-04

作者簡介

紀(jì)潤清，1968年出生，男，山西省懷仁縣人，工程師，大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心技術(shù)科科長，從事煤礦開采技術(shù)方面的工作。

收稿日期：2016-06-01