趙固一礦18060采煤工作面放頂煤開(kāi)采可行性分析

王洪恩 李紅旗

摘 要：根據(jù)趙固一礦18060采煤工作面地質(zhì)條件進(jìn)行放頂煤采煤方法論證，對(duì)影響頂煤冒放性的采深、煤體強(qiáng)度、頂板、采放比、煤層節(jié)理裂隙、夾矸層厚度及強(qiáng)度等主要因素進(jìn)行分析和冒放性評(píng)價(jià)，使用隸屬度計(jì)算檢驗(yàn)適合放頂煤開(kāi)采，確定趙固一礦18060采煤工作面采用綜采放頂煤工藝。放煤方式采用多輪、間隔、順序、等量的放煤工藝。放煤步距采用一采一放，放煤步距為0.8 m，如果煤體破碎塊度大，在放煤口成拱率高，則可以改用兩刀一放的放煤步距1.6 m，以提高頂煤放出率。

關(guān)鍵詞：采煤工作面;放頂煤;冒放性

Abstract： According to the geological conditions of 18060 working face in working face in Zhaogu No.1 coal mine， the paper demonstrated the mining method of top coal caving， analyzed and evaluated the main factors influencing the caving of top coal， such as mining depth， coal body strength， roof， mining and caving ratio， coal seam joints and fissures， thickness and strength of gangue layer， so as to make the membership degree calculation and inspection suitable for top coal caving， The fully mechanized top coal caving technology was adopted in 18060 working face of Zhaogu No.l coal mine. The coal drawing method adopted multi round， interval， sequence and equal coal drawing process. The caving step is one mining and one caving， and the caving step is 0.8m. If the fragmentation of coal is large and the arching rate at the caving mouth is high， the caving step of two knives and one caving can be used to increase the top coal caving rate by 1.6m.

Keywords： coal face; top coal caving; effervescence

綜合機(jī)械化放頂開(kāi)采技術(shù)是高產(chǎn)高效開(kāi)采煤層的有效方法之一，是我國(guó)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型采煤方法。焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司趙固一礦推動(dòng)綜采工作面使用放頂煤設(shè)備，以減少綜采工作面搬家倒面次數(shù)，節(jié)省采煤工作面的安裝和搬遷費(fèi)用及巷道掘進(jìn)量，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，降低開(kāi)采成本。煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，綜采工作面內(nèi)作業(yè)困難，特別是井田沖積層厚、煤層頂板基巖薄、斷層多、底板灰?guī)r水壓高的礦井，采煤工藝的選擇成為一個(gè)重要課題。近20多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外綜合機(jī)械化開(kāi)采發(fā)展迅速，對(duì)沖積層厚、煤層頂板基巖薄、斷層多的礦井開(kāi)采已經(jīng)積累了許多成熟經(jīng)驗(yàn)。趙固一礦就屬于井田沖積層厚、煤層頂板基巖薄，處于斷層多的地質(zhì)條件，且底板灰?guī)r水壓高、水量豐富，通過(guò)斷層和隱伏露頭頂?shù)装搴畬舆B通性好，隔水層厚度較小，屬于兼受頂板水和底板水兩種水害威脅的大水礦井。水患是威脅礦井生產(chǎn)安全的主要災(zāi)害，防治水工作的重點(diǎn)是防止在采掘過(guò)程中底板L8灰?guī)r含水層突水和沖積層底部砂、礫石含水層潰水、潰砂，在克服趙固礦區(qū)特殊條件下的綜采放頂煤工作面，對(duì)礦井安全高效生產(chǎn)具有重大意義，對(duì)國(guó)內(nèi)類似地質(zhì)條件的礦井開(kāi)采具有積極的借鑒意義。

1 工作面概況

趙固一礦是焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司下屬的一個(gè)生產(chǎn)礦井。趙固一礦18060放頂煤綜采工作面開(kāi)采二1煤層，北為F15斷層，西為未采掘的西十盤區(qū)，南為北翼回風(fēng)大巷、北翼軌道運(yùn)輸大巷、北翼膠帶運(yùn)輸大巷和西風(fēng)井，東為西八盤區(qū)膠帶集中巷和西八盤區(qū)軌道集中巷。根據(jù)掘進(jìn)巷道揭露情況，工作面內(nèi)煤層頂板標(biāo)高-504.2～-482.8 m，對(duì)應(yīng)地面位置標(biāo)高為+86.7～+87.3 m。

趙固一礦18060工作面上順槽、下順槽和切眼沿頂布置，長(zhǎng)度分別為523.8、521.2、155.2 m，回采長(zhǎng)度500.3 m，平面積75 045 m2[1-2]。

煤（巖）層賦存情況：二1煤層厚度為2.4～6.9 m，平均厚度為5.0 m，部分區(qū)段有少量夾矸，以塊煤為主。煤體結(jié)構(gòu)主要為原生結(jié)構(gòu)煤，斷層附近存在少量碎粒結(jié)構(gòu)煤。工作面煤層產(chǎn)狀為200°～308°∠1°～5°，煤層平均傾角為3°。

工作面直接底為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，厚度為20～30.5 m，平均厚度為25 m，砂質(zhì)泥巖含黃鐵礦晶體。老底為L(zhǎng)9石灰?guī)r，厚度為1.8～2.2 m，平均厚度為2.0 m。

工作面內(nèi)頂部基巖厚度由里向外呈減小的趨勢(shì)，基巖厚度為88～141 m，最厚處位于上順槽與切眼交點(diǎn)141 m，最薄處位于下順槽與停采線交點(diǎn)88 m。

根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件及充水特征，礦床為以底板充水為主的礦床，補(bǔ)給條件較好、水源充沛;礦井充水方式為直接充水;充水后采掘工程受水害影響較嚴(yán)重，礦井安全受水害威脅;防治水工程難度高、施工量大，為極復(fù)雜型水文地質(zhì)條件。

2 采煤方法的選擇

目前，焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司煤層開(kāi)采主要有分層綜采、大采高一次采全高綜采和放頂煤綜采三種開(kāi)采方式。

2010年以前，焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司煤層開(kāi)采主要采用分層開(kāi)采方法，該開(kāi)采工藝復(fù)雜，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、功效較低。

2011年12月，焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司趙固二礦11050工作面成功完成了6.5 m大采高綜采成套裝備的井下現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)，并成功投入使用，當(dāng)時(shí)處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。目前，焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司對(duì)6.5 m及以下厚度煤層都可以采用大采高一次采全高綜采方法進(jìn)行回采，但18060工作面煤層厚度為2.4～6.9 m，煤層厚度變化較大，加之礦井井筒直徑不大，液壓支架不能整體下井，井下需要建組裝硐室，運(yùn)輸安裝較為復(fù)雜，限制了大采高一次采全高綜采的應(yīng)用[3]。

綜采放頂煤采煤法，采煤成本低，效率、單產(chǎn)較高，搬家次數(shù)較少，較為適用于煤層厚度變化較大的厚煤層開(kāi)采，因而近年來(lái)，該方法在焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司得到了普遍推廣和應(yīng)用。綜采放頂煤采煤法的關(guān)鍵是煤層的冒放性，冒放性與煤厚、結(jié)構(gòu)、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、頂?shù)装鍡l件等有關(guān)，一般認(rèn)為，當(dāng)煤層硬度系數(shù)[f]小于3，強(qiáng)度小于20 MPa時(shí)，頂煤冒放性較好，反之，冒放性較差。

因此，綜合分析以上三種采煤方法，18060采煤工作面推廣應(yīng)用放頂煤綜合開(kāi)采工藝。該方法采煤效率較高，回采巷道相對(duì)較少。放頂煤開(kāi)采成功的關(guān)鍵是頂煤能夠高采出率地順利放出，因此，掌握頂煤破碎機(jī)理和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)頂煤破碎塊度是極其重要的，這直接影響著后續(xù)選擇最優(yōu)采放比、放煤步距、放煤工藝和支架選型，以提高頂煤回收率和放煤效率。

3 頂煤冒放性分析

上部煤層的破碎程度與煤體的強(qiáng)度、裂隙分布直接相關(guān)，也與頂板條件及支架對(duì)頂板的作用有關(guān)。頂煤冒放性的主要因素有開(kāi)采深度、煤體強(qiáng)度、頂板、采放比、煤層節(jié)理裂隙、夾矸層厚度及強(qiáng)度等。

3.1 開(kāi)采深度

趙固一礦18060工作面平均開(kāi)采深度為585.86 m，大于400 m，頂煤是易于冒落的。

3.2 煤體強(qiáng)度

習(xí)慣上常用普氏硬度系數(shù)[f]來(lái)表示煤體的強(qiáng)度大小，煤體強(qiáng)度是抵抗破壞能力的主要指標(biāo)。

3.3 頂板

18060工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為13.5 m，能隨采隨冒、利于放煤?；卷敒橹辛Ｉ皫r，平均厚度為7.2 m，利于頂部煤體的預(yù)破壞。

3.4 采放比

放頂煤開(kāi)采需要確定合理的采放比，以有利于頂煤的放出與提高頂煤采出率。18060工作面平均煤厚5.0 m，采放比應(yīng)小于1.5，頂煤冒放易于控制管理。

3.5 煤體中節(jié)理與裂隙

從煤體裂隙發(fā)育和分布情況來(lái)看，18060工作面地質(zhì)條件有利于頂煤的破碎，裂隙的發(fā)育也會(huì)使冒落塊度減小，有利于頂煤放出，減少因塊度過(guò)大而造成的碎煤成拱或堵塞支架放煤口。

3.6 煤體夾矸

18060工作面掘進(jìn)期間探查煤體內(nèi)基本未見(jiàn)夾矸，煤層賦存較好，對(duì)放頂煤工藝無(wú)影響。

3.7 頂煤冒放性評(píng)價(jià)

根據(jù)采場(chǎng)條件及《西八盤區(qū)地質(zhì)說(shuō)明書(shū)》《趙固一礦18060工作面設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)》，18060工作面平均埋深為585.86 m，二1煤抗壓強(qiáng)度為9～18 MPa，采深與煤層強(qiáng)度的比值[H/Re]=32.55～62.1，大于30.1，隸屬度[μ1]=0.9;直接頂初次放頂步距大于8 m，隸屬度[μ2]=0.8;老頂為大占砂巖，3級(jí)，隸屬度[μ3]=0.7;煤體強(qiáng)度[f]為0.9～1.8<2.5，采放比取1∶1～1∶1.5，隸屬度[μ4]=0.7;煤層裂隙間距[d]位于0.19～0.30，隸屬度[μ5]=0.85;煤層夾矸層厚度<100 m，隸屬度[μ6]=1.0;夾矸較脆，預(yù)計(jì)強(qiáng)度10～20 MPa，隸屬度[μ7]=0.8[4-5]。頂煤整體冒放性的隸屬度如表1所示。頂煤整體冒放計(jì)算公式為：

4 放頂煤工藝

趙固一礦18060綜放工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，采用放頂煤采煤工藝，通過(guò)采煤機(jī)破煤、尾梁擺動(dòng)和插板伸縮放頂煤，滾筒和刮板輸送機(jī)鏟煤板裝煤，刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)運(yùn)煤，液壓支架支護(hù)頂板，全部垮落法處理采空區(qū)頂板[6-10]。

放頂煤工藝流程：采煤機(jī)從機(jī)頭斜切進(jìn)刀→回割三角煤→上行割煤跟機(jī)推伸縮梁（開(kāi)合護(hù)幫板）→移架收伸縮梁→推前部刮板輸送機(jī)→放煤→拉后部刮板輸送機(jī)→采煤機(jī)從機(jī)尾斜切進(jìn)刀→回割三角煤→下行割煤跟機(jī)推伸縮梁（開(kāi)合護(hù)幫板）→移架收伸縮梁→推前部刮板輸送機(jī)→放煤→拉后部刮板輸送機(jī)[11-13]。

5 放頂煤方法

放煤方式：采用多輪、間隔、順序、等量的放煤工藝。采用三輪間隔放煤，頂煤由頂板壓力、尾梁上下擺動(dòng)進(jìn)行松動(dòng)，收回插板下擺尾梁放煤，工作面同時(shí)放煤開(kāi)口不得超過(guò)3處。

放煤步距：采用一采一放，放煤步距為0.8 m，如果煤體破碎塊度大，在放煤口成拱率高，則可以改用兩刀一放的放煤步距1.6 m以提高頂煤放出率?？刂品琶捍翱?，防止矸石混入煤流之中。

放煤操作：①采用由機(jī)頭（機(jī)尾）向機(jī)尾（機(jī)頭）、隔一架一放、多輪順序放煤方法。安排采煤工放煤，根據(jù)液壓支架的編號(hào)順序，由機(jī)頭（機(jī)尾）向機(jī)尾（機(jī)頭）分多輪放煤。②放煤時(shí)，先打開(kāi)放煤插板開(kāi)始放煤，待見(jiàn)矸石下落時(shí)，及時(shí)關(guān)閉插板。放煤過(guò)程中，盡量使頂煤保持均勻下降，以減少混矸。放煤時(shí)，煤量要適中，以防煤量過(guò)大壓死后部刮板輸送機(jī)，放煤作業(yè)結(jié)束后，工作面才能進(jìn)行下一循環(huán)割煤移架工作。③第一輪放煤時(shí)，先放單號(hào)架，由機(jī)頭（機(jī)尾）向機(jī)尾（機(jī)頭）依次放煤，雙號(hào)架滯后10～15 m開(kāi)始放煤。放煤時(shí)要緩慢開(kāi)啟插板，先將插板收回1/3～1/2，讓頂煤緩慢均勻地流入后部刮板輸送機(jī)，調(diào)節(jié)插板收縮量進(jìn)行放煤操作。根據(jù)煤厚實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整放煤時(shí)間，確保煤量均衡。④第二輪放煤時(shí)，通過(guò)尾梁上下擺動(dòng)、插板來(lái)回伸縮進(jìn)行放頂煤操作，確保頂煤均衡放出。⑤第三輪放煤時(shí)，增加尾梁上下擺動(dòng)次數(shù)，來(lái)回伸縮插板放出頂煤，直至放完頂煤見(jiàn)矸。⑥回?cái)[尾梁時(shí)，必須先收回插板;放煤完畢，應(yīng)先上擺升緊尾梁，再將插板伸出封堵出煤口，操作手把及時(shí)復(fù)位。⑦放煤過(guò)程中，如遇大塊煤矸，必須用插板破碎，要特別注意防止大塊煤（矸）流入后部刮板輸送機(jī)。如發(fā)現(xiàn)大塊煤（矸）流入刮板輸送機(jī)時(shí)，應(yīng)停機(jī)處理，防止運(yùn)輸過(guò)程中碰壞支架尾梁千斤頂及管路。后部刮板輸送機(jī)停機(jī)時(shí)，嚴(yán)禁放煤作業(yè)。⑧要求堅(jiān)持分多輪次放煤，嚴(yán)禁超限放煤或放不凈煤，提高資源回收率，確保煤質(zhì)[14-21]。

趙固一礦周邊礦井古漢山礦同樣開(kāi)采二1煤層，煤層條件類似，古漢山礦1604工作面煤層厚度為4.8～6.25 m，平均煤厚為5.3 m，采用綜放開(kāi)采，采放比為2.8∶2.5，即1∶0.89，現(xiàn)場(chǎng)每割1刀（0.6 m）放煤一次，采用多輪間隔順序等量放煤工藝，效果良好。

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