“三軟”厚煤層綜放開采采出率影響因素及規(guī)律分析

張　浩，徐學(xué)鋒，李正可

(河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

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開采技術(shù)與裝備

“三軟”厚煤層綜放開采采出率影響因素及規(guī)律分析

張浩，徐學(xué)鋒，李正可

(河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

以新鄭煤電公司11208工作面開采地質(zhì)條件為背景，對煤炭損失構(gòu)成進行了系統(tǒng)分析，結(jié)果表明：三軟厚煤層綜放開采的采出率主要受煤柱寬度、底煤厚度和底煤過渡角等因素影響。在綜放開采中減小煤柱寬度和底煤厚度，適當增加底煤過渡角，可大大提高綜放開采采出率。

三軟厚煤層；綜放開采；煤炭損失；采出率

提高采出率，對有限的資源進行最大限度地回收，對延長礦井的服務(wù)年限，保證資源得到有效地利用，具有十分重要的意義[1]。

文獻[2]和[3]通過對綜放工作面采出率的統(tǒng)計，找出了煤炭損失的原因，分析、探討了煤損構(gòu)成，并提出了降低損失措施；文獻[4]～[7]主要分析了綜放開采頂煤對采出率的影響；文獻[8]通過對地質(zhì)勘探與礦井設(shè)計階段、采區(qū)準備階段及煤炭開采階段的煤炭損失的分析，將影響煤炭采出率的因素分為3類：煤層賦存及地質(zhì)條件因素、采煤方法因素及管理因素；文獻[9]結(jié)合綜放工作面采出率計算方法，著重討論工作面煤損構(gòu)成，指出了這些損失主要受煤層賦存地質(zhì)條件和開采工藝的影響。

本文以新鄭煤電公司11208綜放工作面為工程背景，對該工作面的煤炭損失構(gòu)成進行了系統(tǒng)的分析，以期找到提高綜放工作面采出率的合理方法。

1　礦井概況及開采條件

新鄭煤電公司位于河南省新鄭市辛店鎮(zhèn)境內(nèi)，主采煤層為二疊系山西組二1煤層，賦存于山西組下部，以中厚、厚煤層為主，煤層含夾矸1～2層，夾矸巖性多為泥巖和炭質(zhì)泥巖。煤層結(jié)構(gòu)較簡單，為典型的“三軟”煤層。

近年來，鄭煤集團變革“三軟”煤巷掘進方式，煤厚5m以下煤層由沿底掘進改為沿頂掘進。巷道沿頂掘進有效改善了巷道頂板維護狀況，加快了巷道掘進速度，減輕工人勞動強度。但是由此造成工作面兩巷留有大量底煤，導(dǎo)致大量煤炭資源浪費，采出率有所下降。

11208工作面位于12202工作面和11206工作面之間，煤層平均厚度為6.3m，煤層平均傾角為6°，其工作面布置方式為走向長壁。工作面斜長180.0m，工作面走向長度1900.0m，切眼寬度6m。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，結(jié)合實際開采情況，經(jīng)分析，可將采區(qū)煤炭損失概括為煤柱損失、工作面初末采損失、端頭損失、采煤工藝損失、技術(shù)管理損失和沿頂掘進底部三角煤損失[10]。

2　綜放開采煤炭損失構(gòu)成分析

為了分析11208工作面煤炭損失，將工作面簡化，對煤炭損失工作面采掘巷道布置簡化為圖1所示。

1—工作面下副巷；2—開切眼；3—工作面上副巷； 4—工作面區(qū)段煤柱；5—停采線；6—上山保護煤柱圖1　工作面采掘巷道布置

2.1工作面設(shè)計儲量D

D=A·B·M·γ=(L+2d+C)·B·M·γ

(1)

式中，D為工作面所在區(qū)段設(shè)計儲量，t；A為工作面所在區(qū)段傾斜長度，m；B為工作面所在區(qū)段走向長度，m；C為煤柱寬度，m；L為工作面傾斜長度，m；d為工作面上下副巷寬度，m；M為煤層厚度，m；γ為煤的密度，1.35t/m3。

2.2工作面煤炭損失

(1)初末采損失S1由于工作面的開切眼采用錨網(wǎng)支護，在初采回采過程中切眼頂板的煤炭無法放出，切眼的寬度與刮板輸送機的數(shù)量和寬度、液壓支架的長度、采煤機寬度和工作面的安裝方法有關(guān)，一般為6.0～8.0m；在工作面回采結(jié)束時為了保證工作面設(shè)備的安全回撤，一般提前20.0m左右鋪網(wǎng)停止放煤。近些年來在綜放開采的實踐中普遍縮小了不放頂煤的范圍，在這里提前10.0m停止放頂煤并鋪頂網(wǎng)。初末采煤炭損失如圖2所示，其中陰影部分表示煤炭損失。初末采損失S1的計算公式為：

圖2　初末采損失示意

圖3　端頭損失示意

S1=[(L+2d)·M-(2G+L·m)]·(E+F)·γ

(2)

式中，S1為初末采損失，t；G為上下副巷斷面面積，m2，取16.4m2；M為采高，m；E為初采煤損寬度，m；F為末采煤損寬度，m。

(2)煤柱損失S2煤柱損失的計算公式為：

S2=B·C·M·γ

(3)

(3)端頭煤損失S3由于工作面上下副巷布置在煤層中，巷道頂?shù)装寰粲幸欢ǖ牡酌海夜ぷ髅鎯啥艘话愀饔?架過渡支架不放煤，煤炭損失計算如圖3所示，其中陰影部分表示損失的煤炭，所造成的端頭損失量可按公式(4)計算。

(4)

式中，H為底煤厚度，m；a為工作面端部不放煤長度，a=1.5n，n為不放煤支架個數(shù)；為維護工作面上下端頭和運輸設(shè)備的安全，工作面兩端各有兩架不放頂煤，故a取2.5m；α為端頭部頂煤冒放角，取α=60°；β為底煤過渡角，其大小與支架、刮板輸送機和采煤機參數(shù)有關(guān)。

(4)采煤工藝損失S4采煤工藝損失通常包括下部機采工作面損失和放煤損失，其中放煤損失所占的比重比較大，多為采煤工藝損失的95%以上，在此計算時忽略機采損失。通常頂煤冒放率很難達到100%，其放出率與合理的放煤步距和煤矸混合率有關(guān)。由于新鄭煤電公司的煤質(zhì)比較軟，煤炭的冒放性比較好，在此考慮頂煤的冒放率為99%時的煤炭損失量。煤炭損失計算(頂部放煤量有1%的損失)如圖4所示，其中陰影部分表示損失的煤炭，所造成的端頭損失量可按公式(5)計算。

圖4　采煤工藝損失示意

(5)

2.3“三軟”厚煤層綜放工作面采出率η

由以上分析計算可知，初末采損失取決于采煤工藝，對于確定的工作面，這部分煤炭損失不可避免。煤柱損失S2的大小與煤柱的寬度C有關(guān)；端頭煤損失S3和采煤工藝損失S4的大小與底煤厚度H和底煤的過渡角β有關(guān)。因此，綜放開采采出率的大小主要與煤柱的寬度C、底煤厚度H和底煤的過渡角β有關(guān)。采出率的計算公式為

(6)

式中，η為工作面采出率。

3　煤柱寬、底煤厚與過渡角大小對采出率影響

3.1巷道沿底板掘進

工作面當前巷道是沿底掘進，則底煤厚度H=0m，底煤的過渡角β=0°，此時工作面的采出率與煤柱的關(guān)系如圖5所示。

圖5　不同煤柱尺寸與采出率的關(guān)系

由圖5可以看出，隨著煤柱尺寸的增加，工作面采出率逐漸減小，二者呈現(xiàn)出線性反比關(guān)系。工作面煤柱尺寸C=5.0m時的采出率為92.87%；煤柱尺寸C=3.0m時的采出率為93.83%；煤柱尺寸C=2.0m時的采出率為94.32%；當沿底掘進時回采率為93%時，工作面煤柱尺寸為4.5m，符合我國厚煤層工作面采出率的規(guī)定。

3.2巷道留底煤掘進

工作面在實際開采過程中，當煤柱C=2.0m時，分別取不同的底煤厚度H=0.5m，1.0m，1.5m，2.0m，2.5m，3.0m，不同底煤的過渡角β=3°，5°，7°，9°，11°，13°，15°，17°，19°，21°時與工作面采出率的關(guān)系如圖6所示。

圖6　不同底煤厚度、底煤的過渡角與采出率的關(guān)系

由圖6可知，工作面煤柱為C=2.0m時，工作面的采出率隨著底煤過渡角的增大而增大，隨著底煤厚度的增加而減小，在底煤為0.5m時，工作面的采出率為92.71%；工作面煤柱C=3.0m,工作面采出率為92.55%；當過渡角β=13°，底煤為1.0m時，工作面的采出率為92.91%，約為93%，基本符合我國厚煤層工作面采出率的相關(guān)規(guī)定。

在底煤的過渡角β=15°時，分別取底煤厚度H=0.5m，1.0m，1.5m，2.0m，2.5m，3.0m(其中底煤為3.0m，巷道相當于沿頂板掘進)時，工作面的采出率與煤柱的關(guān)系如圖7所示。

圖7　不同底煤厚度、煤柱寬度與采出率的關(guān)系

底煤的厚度H=1.0m時，分別取煤柱寬度C=2.0m，2.5m，3.0m，3.5m，4.0m，4.5m，工作面的采出率與底煤過渡角的關(guān)系如圖8所示。

圖8　不同底煤過渡角、煤柱寬度與采出率的關(guān)系

根據(jù)以上分析，新鄭煤電綜放采出率隨區(qū)段煤柱尺寸的增加而減少，隨端頭底煤留設(shè)厚度增加而減少，所以最大程度減小煤柱尺寸和盡量沿底掘進不留底煤是提高該礦采出率的關(guān)鍵技術(shù)。巷道沿底掘進煤柱2.0～3.0m時采出率94.32%～93.83%；留底煤1.0m范圍內(nèi)，煤柱寬度2.0m范圍內(nèi)，采出率能達到93.72%。總之煤柱寬度2～3.5m范圍內(nèi)能保證采出率大于93%。

4　結(jié)　論

(1)巷道沿底掘進時，采出率主要和煤柱寬度有關(guān)，采出率隨區(qū)段煤柱尺寸的增加而減少。

(2)巷道留底煤掘進時，采出率和煤柱寬度、底煤厚度、底煤過渡角有關(guān)。當煤柱一定時，采出率隨底煤過渡角的增大而增大，隨端頭底煤留設(shè)厚度增加而減少。當?shù)酌哼^渡角一定時，采出率隨區(qū)段煤柱尺寸和底煤厚度的增加而減小。當?shù)酌汉穸纫欢〞r，采出率隨底煤過渡角的增大而增大，隨區(qū)段煤柱尺寸增加而減少。

(3)對影響采出率關(guān)鍵因素進行分析，采取相應(yīng)控制措施，對提高采出率具有一定指導(dǎo)意義。

[1]趙雪林.綜放工作面提高回采率的有效途徑[J].煤炭技術(shù)，2011，30(5)：74-75.

[2]孟金鎖.綜放采區(qū)煤炭損失構(gòu)成及對策分析[J].煤炭學(xué)報，1998，23(3)：305-309.

[3]王繼承.綜放工作面煤炭損失構(gòu)成及提高資源回收率途徑[J].煤礦開采，2002，7(S1)：14-15.

[4]賈光勝，王戰(zhàn)洲.綜放開采頂煤損失及提高回采率途徑研究[J].煤礦開采，2000，5(4)：21-23.

[5]白士邦.綜放頂煤放出規(guī)律及提高資源采出率的技術(shù)措施[J].煤礦開采，2006，11(4)：51-53.

[6]許力峰，張勇，李立，等.特厚煤層綜放開采頂煤放出率影響因素分析[J].煤礦開采，2012，17(6)：25-28.

[7]樊運策，師文林，張長根，等.潞安王莊煤礦綜放工作面回采損失的量化分析[J].煤炭學(xué)報，1997，22(6)：606-611.

[8]任傳鵬，丁日佳，李上.我國煤炭采出率標準研究[J].煤礦開采，2010，15(3)：111-114.

[9]陳立偉，裴蓓.影響綜放工作面回采率的因素研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，29(1)：29-32.

[10]徐永圻.采礦學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[責任編輯：鄒正立]

Mining Rate Influence Factors and Law of Full-mechanized Top Coal Caving Mining with‘Three-soft’ Thick Seam

ZHANG Hao，XU Xue-feng,LI Zheng-ke

(Energy Science & Engineering School，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)

It taking mining geological situation of 11208 working face of Xinzheng coal and electricity company，then coal lose constitute was analyzed system，the studying showed that the main factors that influenced mining rate of fully mechanized top coal caving mining with ‘three-soft’ thick seam were coal pillar width，floor coal depth and floor coal transition angle and so on.When coal pillar width and floor coal thickness of fully mechanized top coal caving mining were decreased，and floor transition angle increased properly，then mining rate could be improved obviously.

‘three-soft’ thick seam；full-mechanized top coal caving mining；coal lose；mining rate

2016-03-04

國家自然科學(xué)基金項目(5110405；51274087；51274089)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(14A440002)；河南理工大學(xué)博士基金資助項目(B2012-084)

張浩(1988-)，男，河南原陽人，在讀碩士研究生，從事礦山壓力與巖層控制研究。

TD822.1；TD823.25

A

1006-6225(2016)05-0014-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.005

[引用格式]張浩，徐學(xué)鋒，李正可.“三軟”厚煤層綜放開采采出率影響因素及規(guī)律分析[J].煤礦開采，2016，21(5)：14-17.