神东矿区中硬厚煤层放顶煤开采实践

于海湧,范志忠

（天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013）

神东矿区中硬厚煤层放顶煤开采实践

于海湧,范志忠

（天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013）

鄂尔多斯东胜煤田均采用一次采全高采煤方法进行开采,开采高度逐年在加大,目前开采高度已达到了 7.2m。工作面的采高毕竟受到煤壁片帮和机道冒顶控制的限制,再则煤层厚度的变化也限制了大采高开采设备的充分应用。为此,神东在柳塔煤矿煤层厚度不稳定的东部盘区首次实施了放顶煤开采实践,为神东矿区今后开采特厚煤层提供了有效途径。

中硬煤层;放顶煤开采;综放支架

神东柳塔煤矿位于鄂尔多斯东胜煤田,矿井设计生产能力为 3Mt/a,从 2006年以来,一直采用大采高采煤方法,开采厚度达 5m,保持一井一面的集约化生产模式。然而,在该矿东部盘区 12煤层的钻孔资料显示可采厚度从 0.8～7.62m,平均厚度为 7.25m。因此,在该盘区采用以往的一次采全高工艺,将会出现以厚煤层开采配套的设备不能适应薄煤层区开采,以薄煤层开采配套的设备,则厚煤区得不到充分开采的实际问题。为实现矿井东部盘区工作面的高产、高效、高采出率和安全本质开采,通过初步调研,认为采用综合机械化放顶煤开采不稳定特厚煤层具有明显优势。

为此,柳塔煤矿自 2009年 4月 19日至 2009年 12月 7日在东部盘区 1208工作面采用两柱式放顶煤支架进行了开采实践,累计生产原煤 2.96Mt,最高月产 640kt,最高日产 27148t,工作面采出率达到 86.7%,采区采出率为 76.04%,工作面达到了可以实现 8Mt/a的生产能力,综合机械化放顶煤开采技术首次在神东矿区株罗纪煤层获得成功,为神东矿区的特厚煤层开采又提供了一条切实可行的开采技术途径。

1 综放工作面概况

1208综放工作面是柳塔矿东部盘区 4个规划工作面的第 1个开采工作面,左右为未开采的1207面和 1209面,工作面走向推进长度 978.5m,工作面长度 275m。可采厚度 3～8.5m,平均7.3m,倾角 1～3°,一般含夹矸 1层,厚 0.05～0.28m,夹矸岩性为粉砂质泥岩、泥岩。工作面埋深平均 96m,地表为第四系风积沙,没有建筑物及其他保护设施。煤层顶板多为泥质粉砂岩、细砂岩,底板主要为砂岩、细砂岩及泥质粉砂岩。煤体单轴抗压强度为 20.07MPa,煤层属中硬,且煤体节理裂隙不发育,力学参数见表 1。

表1 柳塔矿东部盘区煤层顶板岩层力学参数

工作面支架选用 ZFY10200/25/42型两柱掩护式放顶煤支架,支架采高变化在 2.5～4.2m,额定工作阻力 10200kN。采煤机为 EI CKHOFF公司SL750型采煤机,前后刮板输送机为 SGZ1000/2×1000型大功率输送机。

2 工作面顶煤冒放性分析

对于综合机械化放顶煤开采而言,其顶煤的可放性决定该采煤方法是否能获得成功的最关键因素。若顶煤具有良好的可放性,确定合理的放煤步距和放煤方式,保证最大顶煤的放出率是放顶煤工作面要解决的核心问题;若顶煤可放性差或比较差,放顶煤工作面要解决的重点问题就是如何弱化顶煤。

影响顶煤的可放性因素主要有:煤层强度、煤层赋存深度、煤体的完整性,即顶煤的节理裂隙发育程度、顶煤夹矸情况、直接顶和基本顶的岩性与厚度和工作面的采放比 6个方面。

1208放顶煤工作面顶煤单轴抗压强度为20.07MPa,属于中硬煤层,顶煤垮落角约为 70°,当支架前移后,顶煤垮落良好。根据格里菲强度理论计算可得 1208工作面顶煤在采动应力作用下能充分破坏的最小临界深度为 332m,而实际 1208面的埋藏深度平均仅为 96m,在这种条件下不利于顶煤的自行破坏和垮落。然而,1208面煤层仅有一薄层夹矸、采放比低,平均值仅为 1∶1,支架工作阻力为 10200 kN,可以实现高支架工作阻力对薄顶煤反复支撑的破坏作用,从而使顶煤具有良好的可放性。所以分析结果表明柳塔矿 1208放顶煤工作面顶煤冒放性仅为一般,会有大块煤产生。

7个月的实际生产也表明 1208放顶煤工作面顶煤在矿山压力的作用下能够自行垮落,支架后铰接点没有悬顶现象,但较多的大块煤大大影响了顶煤的放出率,如图 1所示。

3 顶煤破坏形态

对于具有较好顶煤冒放性的放顶煤工作面而言,顶煤在经历支架顶梁 4～6次的反复支撑后,在离开支架后铰接点时形成了破碎松散体充满采空区,当支架后尾梁收缩和回收时,破碎的顶煤便以松散体的状态流入后部运输机内。然而,由于柳塔矿 1208放顶煤工作面顶煤比较坚硬,其顶煤和顶板的破坏和垮落状态如图 2所示。

工作面顶煤和顶板主要特点是煤体实际比直接顶硬,顶煤在矿山压力作用下能够自行垮落,但块度比较大,破碎的顶板矸石往往夹杂在大块煤体中,随着距支架顶梁 1～2m范围内被支架反复支撑破坏的碎煤体放出时矸石也被放出,这部分的矸石切断了被甩在后方采空区内的大块煤,降低了顶煤放出率。在这种情况下,只有承受一定比例的矸石放出,才有可能放出采空区内的部分煤体。

图1 工作面后部输送机放煤口被大块煤卡住

图2 柳塔矿中硬煤层顶煤的破坏形态和垮落过程

4 放煤工艺

放顶煤工艺包括合理的放煤步距和放煤方式,在 1208放顶煤工作面分别试验如图 3所示的放煤工艺。

图3 放煤工艺试验方法

原则上每种工艺试验观测 15m,共进行 6个区域。根据实际放煤效果和放煤时间得出柳塔矿1208放顶煤工作面合理的放煤工艺是一刀、顺序、隔架、分段 1次全量加补放放煤工艺,即当采煤机进入正常割煤后,2个放煤工分段开始放煤。放煤工A放 6,8,10,12,14号支架。放煤工 B在间隔 10个支架后开始放 16,18,20,22,24号支架。然后,放煤工 A再返回来放 7,9,11,13号支架,放煤工 B返回来放 15,17,19,21,23号支架,直至 2个放煤工放完,若在个别支架放煤口处没能见到矸石,该段放煤工回头再进行补放。放煤时要控制煤量均匀流入后运输机内,若煤流速度减缓,要上下摆动尾梁,若遇到大煤块,也要上下摆动,同时反复伸缩插煤板,将其破碎。

放煤步距 0.8m,放煤原则是见到采空区矸石关门,放煤工要凭经验判断何为顶板下落的矸石和采空区滚出的矸石,由图 2可见,通常顺着大块煤间窜出的矸石比较干净,而从采空区滚出的矸石比较黑。

5 结论

（1）柳塔煤矿 1208综放工作面月产达到640kt,采区采出率达到 76.04%,顶煤在矿山压力作用下能够自行垮落,在整个开采过程中实现了安全无事故,故柳塔矿的综放开采是成功的。

（2）在中硬煤层实施综放开采,加强支架尾梁破碎大块煤的能力是提高顶煤采出率的关键技术之一。

（3）对于采放比不大于 1∶1.5的综放近水平工作面,合理的放煤工艺是一刀、顺序、隔架、分段 1次全量加补放放煤工艺,

[1]钱鸣高,石平五 .矿山压力与岩层控制 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[2]于海勇,等 .放顶煤开采基础理论 [M].北京:煤炭工业出版社,1995.

Application of Full-mechanized Cav ing Mining Meduim-thick Coal-seam in Shendong Mining Area

YU Hai-yong,FAN Zhi-zhong
（CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China）

Single-fullminingmethod was applied in Dongsheng coal-field of Erdos.Mining height increased year by year and current mining height has reached to 7.2m.Mining heightwas limited by coal and roof fall at coal-wall,and the coal-seam thickness variation also limited full application of mining equipments for large mining-height.Therefore,Shendong Corporation firstly applied full-mechanized cavingmining in thickness variation area of eastern panelofLiuta Colliery.Thisprovided an effective approach formining extreme thick coal-seam.

medium hard coal-seam;top-coal cavingmining;top-coal caving powered support

TD823.4 9

A

1006-6225（2011）03-0066-02

2011-03-08

国家“十一五”科技支撑资助项目 （2006BAK03B04）:坚硬顶煤、顶板高效开采安全保障技术

于海湧 （1960-）,男,山东青岛人,博士,研究员,1999年获英国Leeds大学博士学位,是我国第一个研究放顶煤开采的博士,提出的 “放顶煤椭球体理论”体系已广泛被接受和应用,现任采矿技术研究所副所长。

[责任编辑:周景林]

开采与设计