綜采放頂煤工藝研究應(yīng)用

張浩春

（山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

0 引言

綜采放頂煤開采工藝具有產(chǎn)量和工效高、成本低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，同時(shí)因放頂煤開采避免了厚煤層工作面分層開采，減少了礦井掘進(jìn)工程量[3]，因此在我國(guó)厚煤層工作面大多選擇綜采放頂煤工藝技術(shù)進(jìn)行開采。本文以磁窯溝煤礦13101 綜放工作面為工程背景，對(duì)綜采放頂煤工藝在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行研究分析并優(yōu)化，以期為類似條件下礦井采用綜采放頂煤工藝開采的工作面提供一定技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

磁窯溝煤礦13101 工作面設(shè)計(jì)可采長(zhǎng)度為1 580 m，工作面長(zhǎng)136 m，煤層平均傾角為3.7°，煤層平均厚度10.25 m，容重1.41 t/m3。工作面蓋山厚度為122～215 m，平均150～160 m，工作面直接頂為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.1 m；老頂為粗、中粒砂巖，平均厚度7.9 m；直接底為泥巖，平均厚度4.8 m，老底為粗粒砂巖，平均厚度為11.3 m。13101 工作面煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。

表1 13101 工作面煤層頂?shù)装鍘r層情況Table 1 Roof and floor strata of coal seam in No.13101 Face

2 采煤工藝

2.1 采煤方式

根據(jù)13101 工作面煤層地質(zhì)條件，結(jié)合工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，工作面設(shè)計(jì)采用大采高綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理采空區(qū)頂板（圖1）。工作面設(shè)計(jì)采高4.2 m，放煤高度6.05 m，采放比為1∶1.44。工作面選用ZFY13600/27/45D 型2 柱放頂煤電液控中間支架69 臺(tái)、ZFYG13600/27/43D過渡支架4 臺(tái)、ZFP13800/29/45D 排頭支架7 臺(tái)、ZTZ20000/24/45D 端頭支架1 組、ZQ48000/24/45D型回風(fēng)順槽超前液壓支架1 組（4 臺(tái)）、ZH5600/28/42D 滑移超前支架2 組；采煤機(jī)選用MG650/1620-WD 型交流電牽引采煤機(jī)；刮板輸送機(jī)選用 SGZ1000/2 ×1000 型前部輸送機(jī)，SGZ1000/2×1000 型后部輸送機(jī)；轉(zhuǎn)載機(jī)選用SZZ1350/700 型轉(zhuǎn)載機(jī)。工作面回采期間，以液壓支架頂梁為分界線，支架頂梁以下采用采煤機(jī)進(jìn)行割煤，落入前部運(yùn)輸機(jī)運(yùn)出，支架頂梁以上的煤通過液壓支架后尾梁的放煤窗口放出后落入后部運(yùn)輸機(jī)后運(yùn)出，工作面實(shí)行隨采隨放，跟機(jī)拉架放煤的方式進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

圖1 綜采放頂煤工作面開采示意Fig.1 Mining indication of fully mechanized top coal caving face

2.2 生產(chǎn)工藝流程

2.2.1 采煤機(jī)割煤

采煤機(jī)割煤是綜采工作面生產(chǎn)作業(yè)的最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，工作面正?；夭善陂g采用斜切進(jìn)刀方式進(jìn)行割煤。在割煤作業(yè)期間，需控制割煤高度控制在4.2 m±100 mm，采煤機(jī)截深為0.8 m。采煤機(jī)在工作面割煤作業(yè)時(shí)，上滾筒沿頂、下滾筒沿底進(jìn)行割煤，通過采煤機(jī)滾筒上的擋煤板及滾筒螺旋葉片將采煤機(jī)割下的煤裝入前部運(yùn)輸機(jī)內(nèi)運(yùn)出。采煤機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)方式如圖2所示。

圖2 綜采放頂煤工作面現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)Fig.2 Field operation of fully mechanized top coal caving face

（1） 割煤方式。

采煤機(jī)單向割煤，采煤機(jī)下行重刀割煤，滯后采煤機(jī)4～6 架跟機(jī)移架至刮板輸送機(jī)機(jī)頭。采煤機(jī)上行空刀清理浮煤，滯后采煤機(jī)10～15 架推移刮板輸送機(jī)。重刀割煤時(shí)，前滾筒割頂煤、后滾筒割底煤?？盏斗祷貢r(shí)，前后滾筒均落至底板清煤。

（2） 采煤機(jī)進(jìn)刀方式。

采用不留三角煤端部斜切進(jìn)刀的方式，其工藝流程為：①采煤機(jī)向刮板輸送機(jī)機(jī)尾返空刀時(shí)，刮板輸送機(jī)機(jī)尾段約30 m 未推移；②采煤機(jī)向刮板輸送機(jī)機(jī)頭方向斜切進(jìn)刀；③采煤機(jī)完全切入煤壁后，刮板輸送機(jī)機(jī)尾段全部推直；④采煤機(jī)返向刮板輸送機(jī)機(jī)尾割三角煤并清理端頭浮煤；⑤采煤機(jī)反向離開刮板輸送機(jī)機(jī)尾駛向機(jī)頭，刮板輸送機(jī)機(jī)尾段及時(shí)移架，工作面正常割煤。

2.2.2 推移前部輸送機(jī)

隨采煤機(jī)割煤過后，滯后采煤機(jī)10 架左右操作支架推移油缸開始推移運(yùn)輸機(jī)，推移時(shí)遵循自下而上或自上而下順序依次推移的原則，推移不能出現(xiàn)死彎，防止運(yùn)輸機(jī)出現(xiàn)急彎損壞鏈條、鏈環(huán)、齒軌等其他部件，每次推移步距800 mm。在推移時(shí)，要使各千斤頂協(xié)調(diào)推移，不得一部分強(qiáng)行推移，推移后刮板運(yùn)輸機(jī)保證成一條直線。

中國(guó)農(nóng)資流通體制改革經(jīng)歷三個(gè)節(jié)點(diǎn)，即1998年以前計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下的專營(yíng)模式；1998年至2008年計(jì)劃經(jīng)濟(jì)模式和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)模式并存；2008年以后步入全流通時(shí)代。從計(jì)劃配額到市場(chǎng)配置、從肩扛手提到現(xiàn)代化流通、從單一產(chǎn)品到產(chǎn)業(yè)多元融合，化肥流通行業(yè)不斷深化發(fā)展，積極調(diào)整化肥供需關(guān)系，推動(dòng)流通渠道和模式不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，引領(lǐng)傳統(tǒng)農(nóng)資經(jīng)銷商不斷向服務(wù)商轉(zhuǎn)型，保障多元化綠色高效的肥料產(chǎn)品投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，構(gòu)建起新時(shí)期化肥流通新格局，順應(yīng)了綠色高效的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展趨勢(shì)，不斷助力鄉(xiāng)村蓬勃振興。

2.2.3 移架

從刮板輸送機(jī)機(jī)尾往機(jī)頭或從機(jī)頭向機(jī)尾順序移架。在頂板破碎或采高超過4.2 m 移架時(shí)要1 人移架、1 人監(jiān)護(hù)安全。移架時(shí)要帶壓擦頂移架，液壓支架要一次移到位，不準(zhǔn)反復(fù)升降、頻繁調(diào)架。

2.2.4 拉移后部刮板運(yùn)輸機(jī)

通過操作拉后溜油缸操作手把拉移后部運(yùn)輸機(jī)，拉移時(shí)遵循從上向下或從下向上順序依次拉移，每次拉移步距為800 mm，拉移后確保后部運(yùn)輸機(jī)成1 條直線。

2.2.5 放頂煤

放頂煤作業(yè)是通過操作支架放煤油缸控制支架后尾梁放煤插板來回收縮并配合尾梁擺動(dòng)將支架頂梁上方的煤炭放入后部刮板運(yùn)輸機(jī)內(nèi)運(yùn)出，該作業(yè)工序?qū)ぷ髅嫔a(chǎn)效率和安全起著關(guān)鍵影響作用，在放煤作業(yè)時(shí)要嚴(yán)格按照制定工藝標(biāo)準(zhǔn)操作，根據(jù)頂煤厚度、頂煤破碎狀況、工作面瓦斯?jié)舛茸兓惹闆r合理調(diào)整放煤步距和同時(shí)放煤窗口數(shù)量。放煤作業(yè)與采煤機(jī)割煤作業(yè)間隔距離大于10 架。放煤時(shí)，操作人員站在本架的后排立柱前的底座上操作支架的放煤手把，緩慢收回插板，使頂煤流入后部運(yùn)輸機(jī)，適當(dāng)擺動(dòng)尾梁，促使頂煤破碎下滑，每輪要放出頂煤量的1/3～1/2，反復(fù)操作將煤按標(biāo)準(zhǔn)放完，盡量使頂煤保持均勻下降，以減少混矸提高煤質(zhì)。放煤過程中，操作人員時(shí)刻觀察后部刮板運(yùn)輸機(jī)煤的流量，控制好放煤量，均勻放煤，防止因放煤過多而壓死后部刮板運(yùn)輸機(jī)。

3 13101 工作面放頂煤工藝確定

3.1 合理確定放煤步距確定

放煤步距是影響放煤效果的重要參數(shù)。若放煤步距太大，則采空區(qū)側(cè)留有三角煤放不出來，造成大量丟煤；放煤步距太小時(shí)，采空區(qū)破碎頂板矸石易混入放煤口。

13101 綜放工作面自放煤開始，初期放煤步距定為0.8 m，存在的主要問題是放出的煤大塊比較多，放煤效果差，經(jīng)常出現(xiàn)后溜堵死、后溜頭卸料口卡住大塊煤矸等現(xiàn)象。后期通過不斷嘗試改變放煤步距最終將放煤步距調(diào)整在0.6 m，放煤效果為最佳，生產(chǎn)期間能有有效地減小塊度，并在相等推進(jìn)范圍內(nèi)增加了支架對(duì)頂板的升降次數(shù)，破碎效果明顯，有利于頂煤放出，放煤效果顯著。

3.2 放煤方式確定

目前綜放工作面放頂煤方式有單輪順序、多輪順序、單輪間隔、多輪間隔、分段間隔等方式，其選擇的依據(jù)是根據(jù)工作面頂煤厚度和頂煤硬度及破壞程度確定的，其中頂煤厚度小于5 m 時(shí)，一般選擇一刀一放、單輪間隔放煤方式；頂煤厚度為5～8 m 時(shí)，選擇一刀一放多輪間隔或多輪順序放煤，放煤輪數(shù)2～3 輪；當(dāng)頂煤厚度大于8 m 時(shí)，選擇一刀一放或兩刀一放，多輪間隔或多輪順序放煤，放煤輪數(shù)為3～4 輪。

13101 綜放工作面放頂煤初期，采取的放煤方式為“雙輪間隔兩口”方式放煤，一刀一放，回采期間發(fā)現(xiàn)存在放煤時(shí)間較長(zhǎng)，煤機(jī)需停機(jī)等待放煤工全部放完煤后才能開始割下一刀煤，循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，不利于提高工作面單產(chǎn)，對(duì)回采產(chǎn)量影響較大，故在對(duì)放煤工藝進(jìn)行了調(diào)整，起初采用了“單輪順序兩口”方式放煤，生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)增加了回采效率，但是存在鄰架竄矸，局部出現(xiàn)丟煤的現(xiàn)象，通過施工經(jīng)驗(yàn)及學(xué)習(xí)其他礦井經(jīng)驗(yàn)，后又對(duì)放煤工藝又進(jìn)行了調(diào)整，采用“單輪間隔”方式放煤，即割一刀一放，配備2 個(gè)放煤工，第一個(gè)放煤工滯后移架2 個(gè)支架放單號(hào)，第二個(gè)放煤工滯后第一個(gè)放煤工4 個(gè)支架放雙號(hào)，為確保正規(guī)循環(huán)放煤作業(yè)及確保頂板可控，放煤時(shí)要求做到“見矸關(guān)窗”，帶班班長(zhǎng)或跟班隊(duì)長(zhǎng)為放煤工長(zhǎng)，跟后檢查、補(bǔ)放。

3.3 頂板壓力小，頂煤難放時(shí)采取措施

13101 工作面推進(jìn)至720～860 m 時(shí)，工作面因蓋山厚度較?。ㄆ骄穸?40 m 左右），工作面壓力顯現(xiàn)不明顯，生產(chǎn)期間頂煤自然垮落不及時(shí)，且放出大塊煤較多，出現(xiàn)頂煤難放的現(xiàn)象，針對(duì)這種情況，及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)改變放煤方式，確保頂煤放干凈，具體施工如下。

（1） 由原來的單架放煤，改為每2 架同時(shí)收后尾梁，并且反復(fù)收打尾梁，對(duì)后溜上方每塊造成反復(fù)擠壓破壞，使頂煤垮落。

（2） 保證支架初撐力，每架必須保證將支架升到最緊，并縮短放煤步距，通過反復(fù)升降支架破壞頂板完整性。

（3） 保證工作面采高，將工作面采高保證在4.4 m，通過增大采高調(diào)整頂板下沉量，促進(jìn)頂板垮落。

4 應(yīng)用效果分析

13101 工作面于2020年11月5日完成安裝工作，2020年11月17日開始回采，工作面推進(jìn)至60 m 后少量放頂煤，老頂來壓后正式放頂煤，截止2021年5月31日，工作面已平均推進(jìn)1 415 m，共計(jì)出煤321.9 萬t，其中2021年5月出煤量最高為57.98 萬t。為保證工作面回收率計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)13101 工作面每周探測(cè)一次頂煤厚度，經(jīng)計(jì)算目前13101 綜放工作面回收率、頂煤回收率見表2。

表2 13101 工作面各月煤炭回收率統(tǒng)計(jì)Table 2 Monthly coal recovery rate statistics of No.13101 Face

由表2數(shù)據(jù)分析可知，工作面煤炭回收率和頂煤回收率均達(dá)到90%以上，其中工作面煤炭回收率最高達(dá)到93.15%，頂煤回收率最高達(dá)到91.64%，回收率均超過厚煤層回收率規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

通過對(duì)磁窯溝煤礦13101 工作面綜采放頂煤開采技術(shù)的介紹和分析，闡明了放頂煤開采工藝的各個(gè)流程，并結(jié)合工作面煤層地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，確定了放頂煤工藝中的放煤步距和放煤方法，并分析了在頂板壓力較小，頂煤不易放出時(shí)需采取的措施，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐，工作面煤炭回收率和頂煤回收率均達(dá)到90%以上，達(dá)到了放頂煤開采工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，且工作面最高月產(chǎn)達(dá)到57.98 萬t，應(yīng)用結(jié)果表明，綜采放頂煤開采技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)安全高效開采的目的，為中厚煤層工作面采用放頂煤開采工藝技術(shù)提供了技術(shù)參考。