龐東林

(山西蘭花煤層氣有限公司，山西　晉城　048000)

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·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

提高東峰礦井放頂煤回采率的技術(shù)研究

龐東林

(山西蘭花煤層氣有限公司，山西晉城048000)

摘要放頂煤工作面回采率較低一直是放頂煤開采技術(shù)的難題，本文以東峰煤礦一采區(qū)3105放頂煤工作面為工程背景，針對(duì)該礦回采工作面回采率低、原煤含矸量較大的問題，結(jié)合實(shí)際，分析了影響工作面放頂煤回采率和煤質(zhì)的主要因素。提出了加長工作面長度，減少初采和末采的放煤距離，同時(shí)采用3種放煤步距對(duì)3105工作面進(jìn)行試驗(yàn)，分析了不同放煤步距下的工作面回采率和含矸量，得出最佳的放煤步距。采用幾種方法相結(jié)合的技術(shù)措施，工作面回采率可提高至85.7%，可為該礦以及周邊礦井實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞礦井；放頂煤；初、末采；放煤步距；回采率

我國能源主要以煤炭為主，80%的煤炭都來自井工煤礦開采。井工煤礦受地質(zhì)條件的限制，資源回采率通常較低，造成了資源浪費(fèi)。特別是我國近些年大力推廣的放頂煤采煤法，雖然解決了厚煤層開采的難題，但是頂煤回收率較低，工作面回采率較低，導(dǎo)致資源浪費(fèi)較多[1],是一個(gè)急需解決的問題。

東峰煤礦位于山西省高平市境內(nèi)，批準(zhǔn)開采3～15號(hào)煤層，井田面積為15.51 km2，生產(chǎn)規(guī)模為1.2 Mt/a，該礦目前在一采區(qū)布置有1個(gè)綜放工作面和2個(gè)綜掘工作面，采高2.6 m，放煤3.36 m，采放比1∶1.3.

1井田概述

該礦井田位于沁水煤田野川精查區(qū)，地層傾角1°～7°，井田內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，地表及三維地震勘探發(fā)現(xiàn)有11條斷層，27個(gè)陷落柱，地質(zhì)構(gòu)造簡單，水文地質(zhì)條件中等，瓦斯等級(jí)是高瓦斯礦井。

該礦主采的3號(hào)煤層賦存于山西組下部，煤層厚度4.63～6.62 m，平均5.96 m，是低灰、特低硫、高熱值的無煙煤，是我國特有的稀有煤種，市場銷售較好，經(jīng)濟(jì)效益較高，因此，有必要提高工作面的回采率，避免浪費(fèi)資源。

3號(hào)煤層偽頂是黑色薄層狀砂質(zhì)泥巖或泥巖，厚0.10～0.30 m.直接頂板是灰白色中厚層狀中粒砂巖，局部為粉砂巖或細(xì)粒砂巖，厚1.50～16.07 m，平均厚7.26 m，結(jié)構(gòu)松軟，吸水易軟化，強(qiáng)度較低。老頂多為粉砂巖，灰白色，質(zhì)較堅(jiān)硬，厚3.53～17.70 m，平均7.54 m，不規(guī)則裂隙發(fā)育。煤層直接底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。含植物根莖化石及炭質(zhì)碎屑，平均厚3.62 m.

該礦一采區(qū)的3101、3102、3103和3104工作面已回采結(jié)束，目前正在回采3105工作面，根據(jù)對(duì)工作面的回采儲(chǔ)量和實(shí)際采出煤量的分析，該礦工作面實(shí)際的回采率僅有75.8%，遠(yuǎn)低于國內(nèi)厚煤層平均85%的回采率。鑒于目前煤炭市場不景氣，為提高經(jīng)濟(jì)效益，該礦提出了提高回采率和原煤煤質(zhì)的要求。

各工作面放頂煤回采率見表1.

23號(hào)煤層放頂煤開采條件分析

2.1煤層埋藏深度

根據(jù)放頂煤的回采經(jīng)驗(yàn)，開采深度對(duì)頂煤的冒放性有重要影響，頂煤隨開采深度的增加冒放性提高，該礦一采區(qū)3號(hào)煤層埋藏深度處于150～200 m，該埋藏深度較低，會(huì)降低該礦的頂煤冒放性。

表1　回采工作面放頂煤回采率統(tǒng)計(jì)表

2.2開采煤層厚度和硬度

根據(jù)放頂煤的回采經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合最新的回采設(shè)備，煤層厚度在5～15 m時(shí)，采用放頂煤技術(shù)，會(huì)取得較高的回采率。該礦3號(hào)煤層平均厚度5.96 m，采用放頂煤方法開采，有利于頂煤的冒放[2].

煤層硬度是影響頂煤冒放性的關(guān)鍵因素，該礦3號(hào)煤層單軸抗壓強(qiáng)度13.7 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度0.84 MPa，屬中等硬度煤層，煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育，頂煤呈圓拱式冒落，橢柱體放出，頂煤垮落角67°，放出率75.8%，根據(jù)現(xiàn)場記錄，頂煤容易冒落。

2.3夾矸對(duì)放頂煤開采的影響

3號(hào)煤層含0～3層泥巖及炭質(zhì)泥巖夾矸，硬度比較小，厚0～0.8 m，平均0.15 m，不會(huì)形成大塊煤堵塞放煤口，只要選擇合適的采放比，夾矸對(duì)頂煤開采影響不大。

2.4頂板條件對(duì)頂煤冒放性影響

3號(hào)煤層的直接頂和老頂是影響頂煤冒放性的主要因素。直接頂為3 m左右的粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，單軸抗壓強(qiáng)度為30.3 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為4.8 MPa，在回采中會(huì)隨采隨落，對(duì)頂煤冒落沒有影響。老頂為粉砂巖、細(xì)砂巖及中粒砂巖，厚度為2.5～7.69 m，經(jīng)巖樣力學(xué)分析測(cè)試，老頂?shù)膯屋S抗壓強(qiáng)度為92.0 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為9.5 MPa，屬中等堅(jiān)硬頂板，對(duì)頂煤的冒放會(huì)產(chǎn)生不利因素。

3影響頂煤回收率的因素分析

3.1工作面設(shè)計(jì)尺寸及設(shè)備選型的影響

影響綜采工作面回采率的另一個(gè)因素是采區(qū)內(nèi)部的煤柱的大小。采區(qū)內(nèi)部的煤柱主要有巷道保護(hù)煤柱和村莊保護(hù)煤柱。因此，合理調(diào)整工作面長度，可以減少保護(hù)煤柱的尺寸，增大回采儲(chǔ)量，提高整個(gè)礦井的回采率[3].

3.2工作面初、末采及端頭的影響

1) 初采和末采頂煤損失量分析。

該礦在工作面回采時(shí)期，由于頂煤懸露面積小，為保證工作面人員設(shè)備安全，防止頂板垮落對(duì)采煤工作面造成威脅，回采面推進(jìn)12 m后才開始初次放煤，造成了初采階段頂煤的損失。

在工作面推進(jìn)至回采工作面附近時(shí)，為保證回采設(shè)備能夠安全撤出，該礦在至停采線15 m范圍內(nèi)不采放頂煤。

該礦初采末采階段，頂煤損失按下式計(jì)算，得每一個(gè)工作面初末采損失0.02 Mt.

式中：

Q—頂煤初末采損失量，t；

d1—初次放煤距離，m，取12；

d2—末采時(shí)留頂煤距離，m，取15；

l—工作面放頂煤長度，m，取140；

γ—煤體容重，t/m3，取1.42；

H—頂煤高度，m，取3.36.

2) 工作面端頭頂煤損失量分析。

回采工作面的上下端頭處有大量機(jī)械設(shè)備，同時(shí)也是工人工作的主要地點(diǎn)，為了保證安全，回采工作面上下端頭不放頂煤。

上下端頭損失量可按下式計(jì)算，通過計(jì)算，端頭損失煤量是0.05 Mt.

式中：

Q—工作面上下端頭頂煤損失，t；

L—工作面走向推進(jìn)距離，m，取1 200；

γ—煤體容重，t/m3，取1.42；

l—端頭不放煤距離，m，取5；

h—頂煤高度，m，取3.36；

β—頂煤垮落角，(°)，取60.

單個(gè)工作面的平均回采儲(chǔ)量是1.52 Mt，單個(gè)工作面初采、末采和端頭頂煤損失量是0.07 Mt，占回采儲(chǔ)量的4.6%，占比較大，導(dǎo)致工作面回采率降低。

3.3現(xiàn)場管理對(duì)回采率的影響

綜放工作面的原煤生產(chǎn)與普通的綜采工作面不同，技術(shù)性較強(qiáng)，同時(shí)還需要各工種的配合。因此，工作人員需要提前培訓(xùn)，在保證安全的前提下最大量放出頂煤。

3.4放煤步距對(duì)回采率的影響

放煤步距的大小，影響頂煤的回收量和回采工作面的總體煤質(zhì)，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果放煤步距太小，采空區(qū)后方的矸石和頂煤一起進(jìn)入放煤口，造成原煤含矸量過大，影響煤質(zhì)，從而影響經(jīng)濟(jì)效益。

放煤步距太大，采空區(qū)上部的矸石首先到達(dá)放煤口，使頂煤留下較大的三角煤很難放出，導(dǎo)致回采率降低，同時(shí)采空區(qū)遺煤還容易自燃，給安全管理帶來較大的隱患。不同放煤步距對(duì)頂煤冒落的影響見圖1.

1，2，3—放煤步距引起的三角煤損失圖1　放煤步距與煤炭損失示意圖

4提高頂煤回收率的技術(shù)措施

4.1工作面走向長度的改進(jìn)措施

該礦井回采工作面長度現(xiàn)為150 m，目前，我國許多大型礦井回采工作面長度都在200 m左右，因此，該礦回采工作面可以優(yōu)化，加大單個(gè)工作面長度，減少工作面?zhèn)€數(shù)，以減少巷道保護(hù)煤柱，增加礦井回采率。結(jié)合該礦井的生產(chǎn)能力和設(shè)備裝配情況，下一工作面長度定為200 m.

該礦端頭支架和過渡支架，目前采用的是不放頂煤的支架，可以選用機(jī)頭過渡快、高度低的側(cè)卸式后部刮板輸送機(jī)，同時(shí)取消現(xiàn)有的過渡支架，配備可以放出頂煤的端頭液壓支架。該方式具有易實(shí)現(xiàn)、見效快、投資少、改動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)[4].

4.2工作面初、末采改進(jìn)措施

根據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，回采過后，直接頂呈懸臂梁狀態(tài)，隨支架前移，能夠順利垮落，根據(jù)相鄰工作面記錄數(shù)據(jù)，直接頂跨落步距平均為10 m，老頂初次來壓步距為20 m，老頂周期來壓為11～13 m.

工作面初采時(shí)，頂煤受礦壓影響較小，頂煤欲裂程度較差，在該階段回采，可以采取深孔爆破或者提前預(yù)注水措施[5].對(duì)開切眼附近的煤層和頂板實(shí)施軟化工作，使頂煤提前破碎冒落，通過改進(jìn)初次放煤距離可以減少到5 m.

工作面回采結(jié)束時(shí)，加強(qiáng)礦壓觀測(cè)、頂煤破裂和冒落特征，盡量減少末采時(shí)不放頂煤距離。

4.3選擇合理的放煤步距

目前，該礦采取“一采一放”的方式放頂煤，原煤的含矸量較大。本文分別采取“一采一放”“兩采一放”和“三采一放”技術(shù)方案，通過分析平均產(chǎn)量、含矸量和回采率指標(biāo)，確定礦井最佳的放煤步距[6].

本次選取3105工作面為研究對(duì)象，工作面走向長度200 m，推進(jìn)長度1 000 m，放頂煤長度190 m，采高2.6 m.分別以0.6 m、1.2 m和1.8 m步距放煤，回采率見表2.

表2　回采工作面放頂煤回采率統(tǒng)計(jì)表

5結(jié)論

基于東峰煤礦目前主采3號(hào)煤層的資源條件，在礦井現(xiàn)有回采設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過減少初采放煤距離和末采放煤距離，加大工作面長度，優(yōu)化工作面合理放煤步距，提高頂煤回收率。得出該礦初采放煤距離最少可留設(shè)5 m，減少初采遺煤；改進(jìn)后部刮板輸送機(jī)，換用可放煤的端頭支架，減少端頭的遺煤；采用1.2 m的放煤步距，能夠提高工作面回采率，降低原煤含矸量。根據(jù)試驗(yàn)，工作面回采率可提高至85.7%，達(dá)到國內(nèi)平均水平。

參考文獻(xiàn)

[1]趙志強(qiáng)，高洋，汪昕,等.我國煤炭資源開采回采率問題研究[J].煤礦現(xiàn)代化,2011(1):5-7.

[2]閆衛(wèi)國.提高放頂煤工作面回采率的技術(shù)實(shí)踐[J].潔凈煤技術(shù),2013,19(4):122-124.

[3]侯慶凱.提高放頂煤開采回采率的主要途徑[J].煤炭技術(shù)，2005,24(4):71-72.

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[5]尹振云,王春林.綜放工作面深孔爆破強(qiáng)制放頂?shù)膶?shí)踐[J].煤炭科技,2010(2):49-50．

[6]趙輝.趙莊二號(hào)井大采高鉆式綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[D].焦作:河南理工大學(xué),2011.

Technology Research on Improving Extraction Rate of Top Coal Caving in Dongfeng Coal Mine

PANG Donglin

AbstractTakes 3105 top coal caving face of the first mining area in Dongfeng coal mine as the research object，for the problems of which recovery rate of the coal mining face is low, raw coal gangue content is larger，combines with the actual, the major factors influence the top coal caving recovery rate and coal quality of working face are analyzed. Puts forward lengthen the length of the working face. Reduces the distance of the primary mining and ultimate mining coal drawing. Meanwhile uses three coal drawing interval to test in 3105 working face. The recovery rate and the content of coal gangue were analyzed. Find out the best coal drawing interval. Adopts several methods and combines the technical measures, the working face extraction rate can be increased to 85.7%. It can provide reference for the actual production of the mine and adjacent mines.

Key wordsCoal mine; The top coal caving; Primary mining and ultimate mining; Coal drawing interval; Recovery rate

中圖分類號(hào)：TD823.4+98

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-0652(2016)02-0016-04

作者簡介：龐東林(1962—)，男，山西澤州人，2014年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，工程師，主要從事煤礦、煤層氣管理工作(E-mail)841600247@qq.com

收稿日期：2016-01-26