米建強(qiáng)+++孫昊

摘要： 放頂煤回采工藝參數(shù)的合理選取，對頂煤的有效回收起著重要的作用。本文采用實(shí)驗(yàn)室相似模擬的方法，從采放比、放煤步距等決定頂煤垮落空間的因素和頂煤塊度等方面分析了其對頂煤垮落的影響，為煤層綜放開采頂煤回收率的提高提供理論依據(jù)。

Abstract： The reasonable selection of top-coal caving mining technology parameter， plays an important role in the effective recovery of top-coal. This paper adopts the similarity simulation method， from caving ratio， drawing interval which determine the top-coal collapse space and the top-coal fragmental size and other aspects to analyze the influence on the top-coal collapse space and provide a theoretical basis for improving the recovery of top-coal in full-mechanized caving mining.

關(guān)鍵詞： 放頂煤回采；工藝研究；放煤步距

Key words： top-coal caving mining；process research；drawing interval

中圖分類號：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）05-0076-03

0 引言

放頂煤開采是一種綜合機(jī)械化長壁開采的技術(shù)，這種開采新技術(shù)在經(jīng)濟(jì)效益上有著巨大的優(yōu)勢，甚至可以說使采煤方法產(chǎn)生了根本性的變革。但是，放頂煤開采新技術(shù)對工作面采場圍巖的破壞范圍大，回采率低，瓦斯涌出量加大，出現(xiàn)了自然發(fā)火嚴(yán)重、煤塵超標(biāo)等技術(shù)和安全問題。由于過去對該技術(shù)的基礎(chǔ)研究欠缺，制約了該技術(shù)在我國的進(jìn)一步發(fā)展。本文將結(jié)合實(shí)際案例，采用實(shí)驗(yàn)室相似模擬的方法，從采放比、放煤步距等決定頂煤垮落空間的因素和頂煤塊度等方面分析了其對頂煤垮落的影響，為煤層綜放開采頂煤回收率的提高提供理論依據(jù)。

1 回采工作面放煤工藝特點(diǎn)

放頂煤開采技術(shù)主要是提高放頂煤的開采的資源采出率技術(shù)，其主要特點(diǎn)是運(yùn)用靳鐘銘教授建立的頂煤冒放控制理論，以提高工作面頂煤放出率為主，解決相應(yīng)的頂煤損失問題。另外，針對煤層賦存條件，實(shí)施上述相應(yīng)的技術(shù)，可將工作面頂煤放出率提高80-90%以上。一般可在原有頂煤放出率的基礎(chǔ)上，再提高5-10%，其經(jīng)濟(jì)效益是可觀的，也是放頂煤開采可持續(xù)發(fā)展所必須的。

放頂煤工藝主要包括初末采放煤工藝、放煤步距、放煤方式和端頭放煤等。基本的回采流程如圖1所示。

1.1 初采和末采放煤工藝

目前，大多數(shù)綜放工作面推出開切眼后即放煤，由于初采階段礦壓小，有時(shí)需要對頂煤采取松動(dòng)措施。在工作面收尾前提前10m左右停止放頂煤并鋪頂網(wǎng)，但須注意解決好兩個(gè)方面的問題：選擇合理的終采線位置，使撤架空間處于穩(wěn)定的頂板條件下；要有效地防止后方矸石竄入。

1.2 放煤步距

在工作面的推進(jìn)方向上，兩次放頂煤之間的推進(jìn)距離稱為循環(huán)放煤步距。間接傳熱烘干機(jī)確定循環(huán)放煤步距的原則是：使放出范圍內(nèi)的頂煤能夠充分破碎和松散，提高采出率，降低含矸率。

確定放煤步距時(shí)，首先應(yīng)保證放煤口上方能夠充滿已松散的頂煤。放煤步距的大小主要與頂煤的厚度有關(guān)，頂煤厚度較小時(shí)，通常以一采一放較為合理；頂煤厚度較大時(shí)，則放煤步距可適當(dāng)增大，可采用兩采一放或二采一放。放煤步距還與頂板垮落和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及頂煤的破碎程度等因素有關(guān)。

2 回采工作面放煤工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

進(jìn)入8月，新疆哈密市三道嶺礦區(qū)煤炭銷售狀況轉(zhuǎn)好，為迎合銷售局面看好形勢，集團(tuán)公司自9月始，增加了該礦月度煤炭產(chǎn)量計(jì)劃。完成計(jì)劃，對礦井回采生產(chǎn)組織是考驗(yàn)，為保證按月均衡完成生產(chǎn)任務(wù)，處領(lǐng)導(dǎo)對相關(guān)保證工作做了安排，其中包括：優(yōu)化N4004回采工作面放煤工藝，盡量出“精”煤。本文現(xiàn)結(jié)合回采面采掘情況，對煤炭生產(chǎn)工藝進(jìn)行如下改進(jìn)：

2.1 工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

如何落實(shí)“優(yōu)化采面放煤工藝”，建議實(shí)施步驟為：

①對采面放煤基本要求進(jìn)行分析；

②根據(jù)礦井采面煤炭賦存及裝備現(xiàn)狀，依據(jù)放煤理論，經(jīng)分析，先僅從理論出發(fā)，選定若干“合理”的放煤方案；

③根據(jù)礦井生產(chǎn)實(shí)際，確定放煤效果優(yōu)劣的檢驗(yàn)指標(biāo)；

④對選定的每個(gè)理論試驗(yàn)方案，分別安排實(shí)際操作，進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，并收集效果檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；

⑤礦井從中優(yōu)選、確定采面最優(yōu)放煤方式，形成標(biāo)準(zhǔn)，今后強(qiáng)制執(zhí)行。

2.2 工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)

理想的放煤方式應(yīng)使得煤矸接觸面均勻下沉，從而使煤矸有效地分開，最大限度地回收頂煤而減少混矸。放煤過程中如不能很好地控制放煤方式，放出的頂煤混矸就會很嚴(yán)重，且造成相當(dāng)程度的丟煤。

2.2.1 放煤步距的選擇

合理的放煤步距是提高回采率降低含矸率的重要因素之一。理想的放煤步距應(yīng)是使得頂煤上方的矸石與后方矸石同時(shí)到達(dá)放煤口，這樣可取得最好的放煤效果。放煤步距過大則頂煤上方的矸石首先到達(dá)放煤口，使后面的頂煤不能放出，而放煤步距過小則在放煤初期后方矸石就涌入放煤口，使上部的頂煤不能全部放出。實(shí)踐表明，如放煤步距確定合理，則頂煤放出量最多，含矸石量最少。

放煤步距的選擇，在我國，有如下經(jīng)驗(yàn)公式可供借鑒：

L=（0.15-0.21）h

其中h——放煤口至煤層頂部的垂高。

該礦目前在采采面煤厚11m，其中：留底煤厚度0.8m、割煤高度4m、放煤高度6.2m，采放比為1：1.55。

經(jīng)計(jì)算L=（0.15-0.21）10.2=1.53-2.14m，采面割煤步距為0.8m，L=割煤1.91-2.68排，礦井放煤步距確定為二排一放較為合適。

該礦與兄弟礦的煤層賦存條件相似，他們的放煤步距選擇經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

潞新一礦、二礦的放煤研究有如下結(jié)論：

采用一排一放：即放煤步距為0.8m時(shí)，工作面采空區(qū)側(cè)的矸石先于頂煤到達(dá)支架放煤口，使工作面支架后方的頂煤無法及時(shí)放出，放煤效果較差；

當(dāng)采用兩排一放時(shí)，即放煤步距為1.6m時(shí)，可以使工作面頂煤與采空區(qū)側(cè)的矸石同時(shí)到達(dá)支架放煤口，放煤效果較好；

當(dāng)采用三排一放時(shí)，即放煤步距為2.4m時(shí)，工作面頂煤先于采空區(qū)側(cè)的矸石到達(dá)支架放煤口，造成采空區(qū)側(cè)遺煤，放煤效果較差。

N4004采面割煤高度較一二礦加大，頂煤后部斷裂滑移空間加大，且采用大阻力液壓支架反復(fù)支撐破碎頂煤求得可放性（放煤口寬度變大，取消了頂煤松動(dòng)爆破工藝），此兩點(diǎn)是與兩兄弟礦相比最大的不同。

礦井放煤步距的確定：礦井放煤步距暫確定為二排一放。

2.2.2 放煤方式的選擇

放礦有個(gè)“橢球體理論”，此理論對指導(dǎo)放煤工藝有現(xiàn)實(shí)意義。

該理論指出：“后頂部煤炭破碎后，是按近似橢球體形狀向下自然流動(dòng)下來的，即原來所占的空間形狀為一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球體，放煤橢球體表面上的顆粒將大體同時(shí)到達(dá)放煤口；橢球體煤炭放出后，后部形成放出漏斗被矸煤充填”。橢球體的幾何尺寸、雙曲線漏斗面的最大直徑與采煤高度間有經(jīng)驗(yàn)公式。

放頂煤支架選定后，放煤口間距固定，加之采煤高度一定，放煤方式的選擇是影響放煤效果的的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。橢球體理論能指導(dǎo)放煤方式的選擇。但此理論，有深度，筆者努力分析過，弄不懂；需集成礦井采礦人員的智慧，甚至請外援。

本文利用“橢球體理論”，按不同的放煤方式，對該礦后部放煤形態(tài)、煤矸混入狀態(tài)做出如下分析：

在放煤“分段”選擇上，建議按現(xiàn)采面雙向進(jìn)刀、兩組人員分兩段配合放煤（保證采放平行作業(yè)，且放煤速度基本上能跟上割煤速度）。

①分段單輪順序放煤。

②分段多輪順序放煤。

放煤工兩人，一人按4#、5#、6#……支架順序進(jìn)行放煤，每次放出頂煤量的1/2，放至53#架后，再從1#架開始放第二輪，將煤放完即可；另一人按54#、55#、56#……支架順序進(jìn)行放煤，每次放出頂煤量的1/2，放至110#架后，再從54#架開始放第二輪，將煤放完結(jié)束。

③分段間隔單輪順序放煤。

④分段單輪順序折返式放煤。

先放4#支架，見矸關(guān)門，改放5#支架，待見矸后折返回頭補(bǔ)放4#支架，4#支架第一次未放凈的殘留余煤因5#支架活動(dòng)而再次松散，這時(shí)可補(bǔ)放干凈，然后跳過5#支架放6#支架，見矸關(guān)門后再折返補(bǔ)放5#支架，將5#支架第一次未放凈的殘留煤經(jīng)4#、6#左右兩架松動(dòng)后補(bǔ)放干凈，之后再放7#支架，這樣依次放7#、8#、9#……每向前放一架，即返回補(bǔ)放前一架，使每一架放煤后都進(jìn)行一次補(bǔ)放；為加快放煤速度，安排兩人分段同時(shí)放煤

2.3 選定方案的試驗(yàn)安排

①時(shí)間安排：每十天為一個(gè)選定方案的試驗(yàn)期；方案一試驗(yàn)時(shí)間為：2015年9月11日夜班始～9月20日中班止（計(jì)10個(gè)原班）。

②單個(gè)方案試驗(yàn)在執(zhí)行上需特別強(qiáng)調(diào)事項(xiàng)。

因該礦北翼皮帶輸送機(jī)的運(yùn)煤能力是不能保證采面前后溜同時(shí)大量出煤的，故在此次放煤工藝改進(jìn)試驗(yàn)前，綜采隊(duì)采煤工序?qū)嶋H執(zhí)行上是做如下平衡安排的（總體上為隨采隨放）：下行割煤前溜大量出煤時(shí)，追機(jī)移架，后部縫隙不可避免有少量漏煤（后溜出少量漏煤），另后部也多安排小煤量放煤；反向掃空刀及上端部斜切進(jìn)刀前溜少量出煤同時(shí)，后部開始大量放煤。

現(xiàn)采用兩排一放后，在單純第二刀返空刀的25min時(shí)間內(nèi)，割二刀煤形成的頂煤肯定是放不完的，這時(shí)需要停止前部割煤，等放煤結(jié)束，方可進(jìn)入下一個(gè)正規(guī)循環(huán)（既“割二放一”一個(gè)完整作業(yè)循環(huán)包含停機(jī)放煤環(huán)節(jié)），這是需特別強(qiáng)調(diào)的事項(xiàng)。

在本方案“一、基本分析”中，“采面按每日進(jìn)7刀（2h50min/刀），年可采煤量可達(dá)550萬t”，但實(shí)際完成一次割煤加掃空刀，2h即可完成，二次割煤用時(shí)剩下的近2h應(yīng)能完成后部頂煤的全部放完。

另上端部斜切進(jìn)刀時(shí)，也需注意割二放一，第一刀返空刀時(shí)后部不放，待第二刀割煤移架后方可放煤。

2.4 效益預(yù)測

①通過對臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化及管理，大大降低了沙墩子礦頂板安全事故的發(fā)生，大大提升了掘進(jìn)工作面安全系數(shù)，保障了員工的作業(yè)環(huán)境安全，根據(jù)提升了安全系數(shù)這一項(xiàng)，預(yù)計(jì)一年能夠?yàn)樯岸兆拥V帶來近60萬的間接效益；

②通過臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化，很大程度上降低了前探梁安設(shè)時(shí)間，增加了生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間，提升人工工效利用率，此項(xiàng)在一年時(shí)間里直接及間接將為砂墩子煤礦帶來近40萬元效益；

③由此兩項(xiàng)收益可以看出，通過對臨時(shí)支護(hù)裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化，一年將為砂墩子礦節(jié)省近100萬元，如若按十年以及長遠(yuǎn)考慮，其所產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益將不可估量。

3 結(jié)束語

本文僅僅基于工程實(shí)例，結(jié)合放頂煤開采工藝特點(diǎn)，采用試驗(yàn)法對放頂煤開采工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，雖然該開采工藝所取得的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，但是仍需要大量實(shí)踐去驗(yàn)證和進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。采礦單位應(yīng)該充分認(rèn)識到該開采工藝所帶來的巨大的經(jīng)濟(jì)效益，盡量結(jié)合單位所經(jīng)營礦采項(xiàng)目對該工藝進(jìn)行充分的實(shí)踐，并在實(shí)踐中不斷優(yōu)化調(diào)整開采工藝，從而提升整個(gè)礦采生產(chǎn)領(lǐng)域的技術(shù)水平。

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