特厚煤層綜放開采頂煤回收率影響因素及措施

摘" 要：為解決特厚煤層綜放開采煤炭資源回收率低的問題，以不連溝煤礦6號(hào)煤層為研究對(duì)象，分析影響特厚煤層綜放開采煤炭資源回收率的因素，得出不連溝6號(hào)煤冒放性較好，采放高度合理，頂煤夾矸對(duì)放煤有一定影響。放煤工藝參數(shù)是影響頂煤回收率的主要因素。針對(duì)提高頂煤回收率的關(guān)鍵因素，提出優(yōu)化放煤方式、放煤步距參數(shù)和精益化放煤技術(shù)措施，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，優(yōu)化后F6207工作面頂煤回收率比原來提升了2.7%，應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：特厚煤層；影響因素；回收率；頂煤；措施

中圖分類號(hào)：TD823.49" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）32-0158-04

Abstract： In order to solve the problem of low recovery rate of coal resources in the fully mechanized mining of thick coal seams， the factors affecting the recovery rate of coal resources in the fully mechanized mining of thick coal seams were analyzed in the No. 6 coal seam of Bulian Gou Coal Mine. It was found that the No. 6 coal seam has good caving performance， reasonable mining height， and the presence of top coal gangue has a certain impact on coal mining. The coal discharge process parameters are the main factors affecting the top coal recovery rate. Aiming at the key factors to improve the top coal recovery rate， optimized coal discharge methods， coal discharge step parameters， and lean coal discharge technology measures were proposed and applied on site. After optimization， the top coal recovery rate of F6207 working face increased by 2.7% compared to the original， and the application effect was good.

Keywords： extra thick coal seam; influencing factors; rate of recovery; top coal; measures

特厚煤層綜放開采技術(shù)發(fā)展迅猛，成為特厚煤層高產(chǎn)高效開采的重要方式，并在技術(shù)上取得了一系列系統(tǒng)的開創(chuàng)性成果，但對(duì)于綜放開采一直面臨的頂煤資源的回收率與含矸率的矛盾的難題始終未有效解決[1-3]。頂煤回收率高的同時(shí)，煤的含矸率相對(duì)也會(huì)增大，特別是特厚煤層放頂煤時(shí)，由于頂煤厚度大，還可能存在夾矸，容易造成工作面頂煤破壞差異，當(dāng)頂煤硬度大、放頂煤工藝參數(shù)選取不合理時(shí)，頂煤冒放性變差，可能導(dǎo)致煤炭資源的損失。而過度要求高回收率時(shí)，頂煤放出含矸率高，煤質(zhì)變差，經(jīng)濟(jì)效益降低。

針對(duì)特厚煤層綜放開采頂煤的冒放性、放煤工藝及提高特厚頂煤的回收率并降低含矸率的難題，很多學(xué)者進(jìn)行了研究，張向陽等[4]通過相似模擬試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬等方法，分析了末采期間頂煤回收率低的原因，并提出了爆破切頂工藝改變末采時(shí)的應(yīng)力集中，有效提高煤炭資源回收效率。賀龍[5]針對(duì)綜采放頂煤開采工藝的技術(shù)特點(diǎn)，提出了有效提高綜放工作面回采率的措施。還有學(xué)者通過三維試驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法分析了遺煤機(jī)理、放煤口和放煤步距等參數(shù)對(duì)放煤的影響[6-7]。但對(duì)影響特厚煤層綜放開采頂煤回收率的因素缺乏系統(tǒng)的分析，本文以不連溝煤礦6號(hào)煤層為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了影響特厚煤層綜放開采煤炭資源回收率的因素，針對(duì)影響頂煤回收率的關(guān)鍵因素，提出了優(yōu)化技術(shù)措施，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，提高了頂煤回收率。

1" 工程概況

不連溝煤礦F6212工作面位于礦井二盤區(qū)東翼，工作面走向長度1 391 m，傾斜長度240.3 m，煤層傾角平均5°，煤層平均厚度18.5 m，埋深平均260 m。巷道為雙巷布置，主運(yùn)順槽、輔運(yùn)順槽，采用煤層走向長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝。工作面回采6號(hào)煤，煤層夾矸層數(shù)為3—22層，夾矸厚度疊加平均達(dá)到2.63 m，巖性基本為泥巖、砂質(zhì)泥巖等，6號(hào)煤層夾矸柱狀圖如圖1所示。

F6212工作面直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，平均厚度為2.76 m，基本頂為粗砂巖，平均厚度3.18 m，直接底為泥巖，平均厚度為1.0 m，基本底為粗砂巖，平均厚度為9.13 m。通過對(duì)煤巖層力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，6號(hào)煤層單軸抗壓強(qiáng)度為10.13 MPa、單軸抗拉強(qiáng)度為0.66 MPa，煤層抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均比較低，煤層偏軟，易破碎并冒落，泥巖或砂質(zhì)泥巖夾矸層的單軸抗壓強(qiáng)度7.7～29 MPa，比煤層稍硬或接近，有利于放頂煤開采工藝。

2" 特厚煤層綜放開采煤炭回收率影響因素

影響特厚煤層綜放開采煤炭資源回收率的因素較多，整體上可以將其歸納分為兩大類，一類為煤巖體固有屬性及賦存條件影響因素，另一類為綜放工作面開采參數(shù)及技術(shù)影響因素。第一類影響因素屬于地質(zhì)賦存因素，是煤巖體的固有屬性，基本無法改變，主要是通過分析煤巖體物理力學(xué)特性，判斷煤層的冒放性，確定合理的開采參數(shù)。而第二類影響因素主要涉及放煤參數(shù)和開采工藝，可以通過人為干預(yù)改變，其是提高特厚綜放開采煤炭回收率的關(guān)鍵因素。

2.1" 煤巖體固有屬性及賦存條件影響因素

2.1.1" 煤體強(qiáng)度

煤體強(qiáng)度是煤層本身的固有屬性，單軸抗壓強(qiáng)度是巖體抵抗單向壓力的能力，一定程度反映了抗破碎的能力，將其應(yīng)用于頂煤的冒放性上，則煤層單軸抗壓強(qiáng)度越大，冒放性越差，頂煤資源回收率越低。

煤體單軸抗壓強(qiáng)度（Rc=f/10，f為普氏系數(shù)）對(duì)頂煤的破壞過程和破碎程度與煤體的垮落角有密切的聯(lián)系，根據(jù)綜放工作面開采現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，頂煤的單軸抗壓強(qiáng)度越大，即普氏系數(shù)越大，煤體的垮落角越小，對(duì)頂煤的放出越不利，煤體單軸抗壓強(qiáng)度與垮落角的關(guān)系如圖2所示。

不連溝煤礦6號(hào)煤層單軸抗壓強(qiáng)度為10.13 MPa，即煤體的普氏系數(shù)大約為1.0。由圖2可知，6號(hào)煤層頂煤垮落角約為100°，因此6號(hào)煤層頂煤冒放性較好。

2.1.2" 煤層賦存深度

綜采放頂煤工作面頂煤的破碎放出主要依靠煤體超前支承應(yīng)力的作用，而煤層賦存深度直接影響著原巖應(yīng)力的大小，同時(shí)也會(huì)對(duì)工作面回采期間的超前支承應(yīng)力大小產(chǎn)生影響。由于頂煤在礦山壓力及支架作用下變形破碎效果越好，冒放性越好，當(dāng)煤層埋藏深度越大時(shí)，頂煤的臨界破碎條件越容易達(dá)到。根據(jù)6號(hào)煤層頂煤單軸抗壓強(qiáng)度和煤層埋深條件，基本滿足綜放開采頂煤破碎的要求，但放頂煤時(shí)可能存在不充分破碎、大塊現(xiàn)象，對(duì)頂煤回收率會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

2.1.3" 頂煤節(jié)理裂隙

一般巖體都會(huì)存在天然的節(jié)理和裂隙，而這些弱面和構(gòu)造的存在對(duì)頂煤冒放性有很大的影響。不連溝煤礦煤層脆性差，強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、夾矸層數(shù)較多，但夾矸強(qiáng)度低。在頂板壓力作用下，節(jié)理裂隙發(fā)育，頂煤主弱面與壓力相互垂直、平行或斜交，從現(xiàn)場(chǎng)巷道及煤壁來看，煤層裂隙發(fā)育好，具有良好的冒放性，工作面頂煤垮落較充分。

2.1.4" 頂煤夾矸

頂煤夾矸對(duì)冒放性的影響主要體現(xiàn)在夾矸層位、夾矸厚度、夾矸層數(shù)及夾矸巖性及強(qiáng)度等。夾矸層位對(duì)頂煤冒落的影響較大，在受到上覆載荷作用時(shí)，夾矸層對(duì)其下部的煤體具有一定的保護(hù)作用，夾矸層位于頂煤層的下位時(shí)，頂煤受礦山壓力作用裂隙較發(fā)育，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)通過加大支架反復(fù)支撐破碎頂煤及夾矸。

夾矸層厚度越大，對(duì)頂煤冒落越不利。根據(jù)夾矸對(duì)頂煤冒放性影響，可以將夾矸層厚度分為3類，即小于0.5 m為薄夾矸層；0.5～1 m為中厚夾矸層；大于1 m為厚夾矸層。通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)證明，一般薄夾矸層比較容易冒落，而厚度大于1 m的夾矸，冒落的矸石為塊狀，當(dāng)直徑大于1 m時(shí)，容易堵塞放煤口，影響放煤效率和頂煤的放出率。

雖然不連溝煤礦6號(hào)煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，夾矸平均達(dá)9層，平均厚度2.63 m，夾矸的巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、黏土巖，但夾矸層的強(qiáng)度與煤層接近或稍硬，穩(wěn)定性較差，從現(xiàn)場(chǎng)放煤情況來看，夾矸破碎充分，不易形成大塊，對(duì)上部頂煤的放落沒有造成顯著影響。

2.1.5" 頂板條件

根據(jù)勘探鉆孔揭示的6號(hào)煤層頂板賦存情況，6號(hào)煤層頂板以細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖和中砂巖為主，且單層厚度大，最大182.65 m，厚巖層距離6號(hào)煤層約10 m，因此，直接頂厚度不能滿足最低充填要求。但直接頂強(qiáng)度不大，砂質(zhì)泥巖6.5～48.9 MPa，中砂巖17～29.6 MPa，細(xì)砂巖18～33.7 MPa，屬于軟-中硬巖層，基本能夠及時(shí)冒落。但直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度低，破碎充分會(huì)造成放煤時(shí)含矸率增加。

2.2" 綜放開采參數(shù)及技術(shù)影響因素

綜放開采參數(shù)及技術(shù)影響因素主要有采放比、工作面尺寸參數(shù)、放煤方式、推進(jìn)度和放煤步距等，而對(duì)于技術(shù)而言，放煤方式和生產(chǎn)組織是關(guān)鍵因素。

2.2.1" 采放比

不連溝煤礦綜放工作面采煤高度為4 m，采用低位支架放煤，放煤口距底板高度為0.3 m，結(jié)合煤的松散系數(shù)，以1.25計(jì)算，得出綜放工作面的采煤和放煤的高度比最大不超過3.7。目前不連溝煤礦綜放工作面6號(hào)煤層厚度為6.25～35.50 m，平均為16.54 m，采放比為1∶3.14，采放高度較合理。但針對(duì)局部煤層厚度超過20 m的區(qū)域，采放高度比突破理論值3.7，為了避免上位頂煤不能及時(shí)破碎放落至放煤口，需根據(jù)煤厚分類采取特定的放煤工藝模式，以提高資源回收率。

2.2.2" 放煤方式

放煤方式對(duì)頂煤的放出率至關(guān)重要，是在同一循環(huán)進(jìn)尺內(nèi)放煤支架的放煤輪次和順序，目前主要方式有單輪順序、單輪間隔、2輪順序和2輪間隔4種放煤模式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)單輪順序和單輪間隔2種模式下，頂煤放出率和含矸率見表1。

2輪順序放煤與單輪順序放煤比較相似，只是放煤次數(shù)增加一次。但2輪間隔放煤是通過每個(gè)放煤口見矸的時(shí)間差異，關(guān)閉相應(yīng)的放煤口，并進(jìn)行下一組支架的放煤工作。對(duì)比2輪順序放煤和2輪間隔放煤，回收率及含矸率統(tǒng)計(jì)情況見表2。

通過以上4種放煤方式的對(duì)比分析，采用多輪放煤和間隔放煤對(duì)于提高頂煤回收率和降低含矸率有益，不連溝煤礦特厚煤層綜放開采時(shí)，最佳放煤方式為多輪間隔放煤。

2.2.3" 放煤步距

按工作面寬度240.3 m，煤體容重1.35 t/m3，在推進(jìn)長度1.6 m條件下，放煤步距0.8 m比1.6 m理論計(jì)算多回收煤炭資源694 t?？梢姡贿B溝煤礦特厚煤層綜放開采，放煤步距1.6 m比放煤步距0.8 m存在更多的脊背煤損失，損失率約8.9%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)觀測(cè)，采用“一刀一放”工藝時(shí)，跟蹤放煤過程未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)矸石大量進(jìn)入后部刮板輸送機(jī)現(xiàn)象。特厚煤層綜放開采同樣采用“一刀一放”工藝，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較好，因此，建議不連溝煤礦采用“一刀一放”工藝，循環(huán)放煤步距0.8 m。

2.2.4" 推進(jìn)速度

工作面推進(jìn)速度越快，越有利于工作面礦壓控制，有利于頂板管理，同時(shí)加快工作面的推進(jìn)速度，也可以有效防止采空區(qū)遺煤的自然發(fā)火。支架循環(huán)末阻力與工作面推進(jìn)速度的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，隨著工作面日推進(jìn)度的增大，支架循環(huán)末阻力逐漸減小，即推進(jìn)度越大，礦壓越小，越有利于頂板控制，但同時(shí)對(duì)頂煤破碎作用減弱。根據(jù)統(tǒng)計(jì)采用一采一放、多輪順序放煤，酸刺溝煤礦綜放工作面最小日進(jìn)尺5.5刀，最大12.5刀，平均日進(jìn)尺8.8刀。不連溝煤礦統(tǒng)計(jì)F6107工作面日進(jìn)尺3.5～8.7刀，平均6.2刀。不連溝煤礦綜放工作面推進(jìn)速度偏慢，通過優(yōu)化放煤工藝和調(diào)整放煤工數(shù)，可確定合理的推進(jìn)速度。

3" 提高煤炭資源回收率的技術(shù)措施及應(yīng)用

3.1" 提高煤炭資源回收率的技術(shù)措施

3.1.1" 合理放煤方式的優(yōu)化

不連溝煤礦6號(hào)煤層厚度變化大，最小厚度6.25 m，最大厚度35.50 m，平均厚度16.54 m，割煤高度4 m，但不同工作面、同一工作面不同開采階段和同一工作面不同支架位置的采放比均有不同程度的變化。采用等量、多輪放煤方式能夠有效提高頂煤回收率，并降低煤的含矸率。根據(jù)不連溝煤礦頂煤特性及頂煤冒放性影響因素，提出將原來的割2刀煤，放一輪煤的放煤工藝，改為割1刀煤，多輪放煤的放煤工藝。

3.1.2" 放煤步距參數(shù)優(yōu)化

從提高頂煤資源回收率的角度考慮，減小頂部脊背煤的損失，將放煤步距由原來的1.6 m調(diào)整為0.8 m。根據(jù)以往現(xiàn)場(chǎng)放煤口關(guān)閉，煤流中的矸石含量比例過大，放煤口的關(guān)閉偏晚，提出優(yōu)化放煤工關(guān)門時(shí)機(jī)，將放煤口關(guān)閉時(shí)機(jī)調(diào)整為在煤流中見矸比例不超過50%，有效降低含矸率。

3.1.3" 精益化放煤

現(xiàn)場(chǎng)放煤工藝及技術(shù)過于保守，提出精益化采煤，一是采取初采分時(shí)段放煤技術(shù)，即在直接頂初次垮落后到基本頂初次垮落前這一段放出頂煤厚度的1/2，限后放頂煤，之后再進(jìn)行正常放煤，增加煤炭回收率。同理，在末采階段采用限厚放煤方式，將原來50 m不放頂煤改為末采階段50～30 m進(jìn)行限厚放煤，剩余30 m不放煤。同時(shí)建立完善班組放煤制度，嚴(yán)格執(zhí)行放煤工藝參數(shù)進(jìn)行操作，進(jìn)行精益化采放煤。

3.2" 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將提高煤炭資源回收率的技術(shù)措施應(yīng)用于F6207綜放工作面現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)施割1刀煤，多輪放煤的放煤工藝，并嚴(yán)格按制度放煤，控制放煤過程中采空區(qū)矸石進(jìn)入后溜，優(yōu)化后F6207工作面頂煤回收率由69%提高為101.5%，含矸率為21.2%，純煤炭資源回收率為81.7%，比原來提升了2.7%，應(yīng)用效果良好。

4" 結(jié)論

將影響特厚煤層綜放開采煤炭資源回收率的因素歸納分為2大類，一類為煤巖體固有屬性及賦存條件影響因素，另一類為綜放工作面開采參數(shù)及技術(shù)影響因素。

通過分析影響特頂煤回收率的影響因素，得出不連溝6號(hào)煤冒放性較好，采放高度合理，頂煤夾矸對(duì)放煤有一定影響。放煤工藝參數(shù)是影響頂煤回收率的主要因素，并可通過優(yōu)化提高放煤回收率。

針對(duì)提高頂煤回收率的關(guān)鍵影響因素，提出了優(yōu)化放煤方式、放煤步距參數(shù)和精益化放煤技術(shù)措施，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，優(yōu)化后F6207工作面頂煤回收率比原來提升了2.7%，應(yīng)用效果良好。

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