研發(fā)起止時間：2018.3～2019.10

完成單位：大同煤礦集團有限責任公司、中國礦業(yè)大學（北京）

成果水平：國際領先

1 項目背景

特厚煤層綜放開采的核心問題是如何提高資源回收率、降低含矸率、減少初末采損失、端頭損失、工藝損失、架間損失等，建立“高煤低矸”的頂煤回收模式。因此，為實現年產1 500萬噸綜放工作面安全高效生產，有必要對特厚煤層綜放開采頂煤放出規(guī)律進行深入研究。

該項目的研究不僅能實現年產1 500萬噸綜放工作面安全開采，也會給類似煤層的回采提供理論依據和成功經驗，能夠進一步提升高強度厚煤層安全高效開采技術水平。

2 研究內容

（1）通過特厚頂煤由連續(xù)→非連續(xù)漸進破壞過程的耦合模擬，揭示了采動后頂煤中最大主應力向采空區(qū)旋轉的特征；理論分析了煤體裂隙擴展模式及應力場條件，揭示了特厚頂煤裂隙場以“拉-剪混合型”為主的應力擴展機制；研究了裂隙分布對頂煤破碎塊度的影響，并開展了特厚頂煤破碎塊度的現場實測，繪制了年產1 500萬噸綜放工作面頂煤破碎塊度分布曲線。不同裂隙傾角下頂煤破碎塊度分布特征如圖1、2所示，特厚煤層綜放工作面頂煤破碎塊度分布級配曲線圖如圖3所示。

圖1 煤體破碎塊度統(tǒng)計方式

圖2 煤體破碎塊度分布

圖3 8404工作面頂煤破碎塊度級配曲線

（2）研制了特厚煤層三維精細化放煤模擬實驗系統(tǒng)，發(fā)現了群組多輪放煤方式下頂煤放出體為“小偏心率切割變異橢球體”；研究了頂煤破碎塊度、放煤口尺寸、掩護梁傾角等因素對頂煤放出規(guī)律的影響，建立了基于相對塊度的頂煤回收率預測模型；開發(fā)并應用了新一代便攜式頂煤運移跟蹤儀，實現了回收率觀測數據實時傳輸及可視化。頂煤回收率預測模型對比如圖4所示，頂煤運移跟蹤儀現場調試及測量回收率如圖5所示。

圖4 頂煤回收率預測模型對比

圖5 頂煤運移跟蹤儀現場調試及測量回收率

（3）研究了端頭放煤頂煤放出規(guī)律，揭示了不同放煤工藝下端頭頂煤回收率及巷道穩(wěn)定性變化特征；研發(fā)了特厚煤層“分段逆序、群組多輪”放煤工藝及逆序段合理長度的確定方法，提高了工作面中部高位及端頭頂煤的采出率，保障了年產1 500萬噸綜放工作面的高資源回收率。

為提高特厚煤層綜放開采工作面頂煤回收率，提出了適用于特厚頂煤的“分段逆序、群組多輪”放煤工藝（如圖6所示），并基于工作面放煤量增長率給出了逆序段合理長度的確定方法，為現場使用該工藝提供了依據；對比分析了普通順序放煤方式和分段逆序放煤方式下頂煤放出規(guī)律（如圖7所示），結果顯示該放煤方式可提高特厚煤層工作面中部高位頂煤以及端頭頂煤的采出率（如圖8所示），實現了年產1 500萬噸綜放工作面高資源回收率保障。

圖6 分段逆序放煤示意圖

圖7 正逆交接處放出體形態(tài)對比

圖8 不同試驗方案各架放煤量

3 主要研究成果

（1）通過特厚頂煤由連續(xù)→非連續(xù)漸進破壞過程的耦合模擬，闡明了特厚頂煤裂隙擴展的“拉-剪混合型”應力驅動機制，揭示了采動后頂煤中最大主平面外法線向采空區(qū)旋轉的特征；開展了特厚頂煤破碎塊度的現場實測，繪制了綜放工作面頂煤破碎塊度分布曲線，為改進放煤工藝、提高頂煤放出率奠定了基礎。

（2）研制了特厚煤層三維精細化放煤模擬實驗系統(tǒng)和新一代便攜式頂煤運移跟蹤儀，分析發(fā)現群組多輪放煤方式下頂煤放出體為“小偏心率切割變異橢球體”，據此建立了頂煤回收率預測模型，預測了頂煤破碎塊度、放煤口尺寸、掩護梁傾角等因素對頂煤放出規(guī)律的影響。

（3）揭示了不同放煤工藝下端頭頂煤回收率及巷道穩(wěn)定性變化特征；研發(fā)了特厚煤層“分段逆序、群組多輪”放煤工藝及逆序段合理長度的確定方法，提高了工作面中部高位及端頭頂煤的采出率，保障了年產1 500萬噸綜放工作面的高資源回收率。

4 應用效益

研究成果在馬道頭煤礦、塔山煤礦特厚煤層綜放工作面得到了成功應用，共多回收頂煤118萬噸，頂煤回收率提高了5%。該成果的應用，對工作面優(yōu)化設計、提高頂煤破碎程度、保障工作面高回收率、降低含矸率等有重要意義，實現了特厚煤層工作面安全高效開采，最大限度地提高了大同礦區(qū)礦井資源回收率。

本項目于2020年6月通過中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的專家鑒定，研究成果達到國際領先水平。

（供稿：大同煤礦集團有限責任公司技術中心：臧歡歡）