特厚煤层大采高综放开采提高工作面回采率技术探讨

纪润清



特厚煤层大采高综放开采提高工作面回采率技术探讨

纪润清

摘要放顶煤开采因其高产高效而被广泛应用，然而由于综采放顶煤开采技术的特点，决定了煤炭资源损失量较大。本文以大同矿区同忻煤矿特厚煤层大采高综放开采为工程背景，研究提高特厚煤层大采高综放工作面的回采率的技术措施。通过分析同忻煤矿综放工作面的煤炭损失构成，得出该矿综放工作面的煤炭损失主要集中在初采损失、末采损失、端头损失以及顶煤破碎度差丢煤损失。并从工作面参数选择、放煤工艺参数的确定、加大顶煤破碎程度、健全计量管理等方面对综放开采工作面回采率提高技术进行分析研究。

关键词特厚煤层；大采高；综放开采

0　引言

中国厚煤层储量十分丰富，约占全部生产矿井储量的45%［1］。综放开采技术具有巷道掘进率低、工作面单产高、吨煤生产成本低、对煤层厚度变化适应好等优点，成为国内外厚煤层开采优先考虑的工艺［2］。随着综放开采技术与装备的进步，目前，综放工作面回采率可达80%以上［3］。通过对大同煤矿集团有限责任公司下属的同忻煤矿综放开采工作面的实际观测和分析，确定综放工作面煤炭损失主要有初采损失、末采损失、端头损失以及顶煤破碎度差丢煤损失等。回采率低不仅增加了煤炭资源的损失和浪费，为企业带来巨大的经济损失，而且隐患极大，威胁整个矿井的安全，特别是易自燃的煤层［4］。

同煤集团同忻煤矿井田位于大同煤田东北部，石炭系煤层埋藏深度约400 m、矿井主采石炭系3-5#煤层，3-5#煤层平均为13.67 m，煤层倾角0°～5°，煤层层位稳定，全区可采，井田综合柱状如图1所示。同忻井田紧靠口泉断裂，井田内以构造应力场为主，石炭系煤层埋藏深度较深，原岩应力较大、有利于顶煤的冒放，所以3-5#特厚煤层采用综放开采可行。井田内主采煤层的顶底板性质复杂，各煤层均有煤尘爆炸危险性，存在煤自燃的因素，对综放开采不利，为工作面安全生产带来了重要隐患。

图1　同忻井田石炭系煤层柱状

1　特厚煤层综放开采技术

1.1工作面布置参数

工作面布置参数对回采率的影响较大，因增加了推进长度相应的减少了初采、末采的比例，增加了回采率；工作面长度的增加也相应减少了两个端头所占的比例，也同样增加了回采率。工作面长度是放顶煤工作面重要参数之一，工作面长度的合理性对工作面设备开机率、工作面产量、开采效率等均有较大影响。工作面长度的增加，不仅能提高工作面单产、降低巷道掘进率，有利于矿井实现集中化生产，而且可以提高矿井资源回收率。综合分析地质、产量、端头顶煤损失率、风速、设备、经济、管理水平、矿压及工作面的自燃发火期等因素，同忻煤矿工作面长度约200 m。

以8100工作面为例，8100工作面位于3-5#煤层北一盘区，西以北一盘区三条盘区大巷保护煤柱为界，北以8101工作面顺槽煤柱为界。8100工作面平均埋深447.5 m，倾斜长度193 m，可采走向长度为1406 m。工作面开切眼位于工作面南东部，由南东向北西方向推进。工作面巷道布置见图2。

图2　8100工作面巷道布置

1.2回采工艺参数

工作面煤厚平均为15.3 m，倾角2°～3°。为了提高矿井开采效率，实现矿井的安全开采，同忻煤矿采用特厚煤层大采高综放开采技术，采高为3.9 m，放煤厚度11.4 m，采放比约为1：2.9，日推进度6.4 m。

为了减少工作面采煤损失和工艺损失，同忻煤矿特厚大采高综放工作面作业工序选择为，割煤移架→推前运输机→放顶煤→拉后运输机。采煤机截割及放顶煤采出的煤经工作面前、后刮板运输机，顺槽转载机，顺槽皮带运输机，北一盘区皮带运输大巷皮带运输机，由主井皮带运至地面洗煤厂进行加工。

2　提高综放开采工作面回采率的措施

2.1优化工作面参数的选择

为了提出提高综放工作面顶煤回收率，系统的分析了同忻煤矿特厚煤层大采高综放工作面煤炭损失的工艺过程、技术参数及管理方法，得出工作面煤炭损失主要包括初采损失、末采损失及端头顶煤损失。同时，在技术和装备允许范围内适当增加工作面长度及推进长度，可减少这部分煤损所占的比例，从而提高放顶煤开采的顶煤回收率［5］。

2.1.1减少初采损失

采用开切顶巷技术和深孔爆破技术减少初采损失。切顶巷技术是沿着煤层顶板施工一条与开切眼平行的巷，并巷内一帮钻眼爆破，通过减小初采期间顶煤的垮落步距来提高煤炭的回采率［6］。深孔爆破应在工作面未采动区内实施，如在两巷中。为保证作业安全，在开切眼或工作面内严禁采用炸药爆破方法处理顶板和顶煤。通过以上措施，一般初采损失可减少约50%，推进长度在500 m左右时，其初采损失在0.5%左右。

2.1.2减少末采损失

末采损失约占综放开采煤炭损失的1.5%，因此，减少综放面的末采损失，是提高煤炭回收率的关键环节之一。工作面来压是综放收尾重要影响因素，当工作面收尾撤架空间处于基本顶来压期间，基本顶回转下沉量增大，后立柱的活柱缩量远大于前立柱，不仅使支架载荷增大，且易造成支架工作状态发生变化，使支架前梁呈抬头状，影响支护效果，此时撤架无论在技术上还是经济上都不合理。相反，如果收尾后撤架空间处于来压刚过阶段，围岩相对最稳定时期，此时撤架是最有利的时空条件。

2.1.3减少端头损失

目前，大多数综采放顶煤工作面均采用过渡支架或放顶煤支架进行端头支护。由于机头、机尾过渡槽较高，支架放煤口打开后放煤困难，一般在工作面端头不放顶煤。为减少端头损失，应在条件允许的情况下，通过加大巷道断面尺寸，将机头机尾布置在巷道中，取消过渡支架；采用立式（电机垂直工作面布置）侧卸刮板输送机；采用带有高位放煤口的端头支架，实现端头及两巷放顶煤等技术措施，将工作面输送机的机头机尾尽量向巷道方向布置，使工作面内支架能全部放煤。

2.2优化放煤工艺参数

综放工艺参数主要包括放煤步距、放煤方式等。采用合理的放煤工序，可以使顶煤的放出量最多、混矸量最少，脊背煤损失也更少。选择合理的放煤步距，可以降低煤炭含矸率、提高煤炭回收率［5-6］。

过大的放煤步距，不仅脊背煤损失大，而且使一部分破碎煤体由于顶煤矸石的放出，被甩在采空区后方，降低了回采率；放煤步距过小，则由于后方采空区矸石提前窜出，被迫关闭放煤口，使顶煤部分不能及时放出而损失，同样降低了回收率。因而正确选择放煤步距是综放开采中的一道重要工序。放煤步距必须与顶煤厚度、架型、顶煤断裂角及松散煤岩运动规律等相适应。最佳放煤步距是使顶部和采空区侧的矸石同时达到放煤口［7］。由于影响因素各不相同，生产中要根据具体的地质及开采条件确定合理的放煤步距。

同忻矿经过多个特厚煤层综放面的开采实践，进行了一刀一放、两刀一放和单轮放煤、双轮放煤和多轮放煤的试验，根据现场顶煤放出量、推进速度、安全开采等综合效果，最终确定采用的一刀一放的放煤工艺，现场效果良好。

2.3加大顶煤破碎程度

同忻矿煤层夹矸多、煤层硬，不易放煤。一般来说，改善煤体原始特性，能提高顶煤的冒放性。如果煤层普氏系数在2.0以上时，由于煤层硬度较高，需要采取人工辅助手段来改善顶煤的冒落状态和冒落块度，常采用的办法是煤层注水弱化顶煤强度+顶板水压致裂技术［6］。采用注水软化顶煤时，其方法为在顺槽中进行，改变顶煤的结构、降低煤体硬度，增加顶煤的破碎度；顶板水压致裂技术通过采前对基本顶进行预裂破坏，增加顶板的裂隙发育程度，改变顶板的完整性结构，使得顶板在工作面推进的过程中易破断，将顶板的承载能力转移到顶煤上，增加顶煤的破碎。

2.4优化特厚煤层综放架型

顶煤的放出是以顶煤得到充分破碎和松散为前提，所以液压支架是综放工作面影响顶煤回收率的主要设备。由于低位支架可使顶煤松散的空间增大，增加顶煤的松散高度和松散程度［7］。同忻矿采用了四柱式放煤支架，比掩护式支架顶梁长，顶梁上方的顶煤在支架的反复支撑作用下，使顶煤充分破碎为顶煤的破碎和放出提供了良好的条件等。同时，低位支架的顶梁较长，顶梁上方的顶煤在支架的反复支撑作用下，使顶煤充分破碎为顶煤的破碎和放出提供了良好条件。

在低位放顶煤支架的基础上，研发了强扰动式高效高回收率放煤机构，如图3所示，并在后部输送机中增加“导煤装置”（图4），利于煤落至导煤装置上，靠重力滑落至后溜槽内，提高了顶煤回收率使工作面煤炭资源回收率达到了85%以上。

图3　强扰动式高效高回收率放煤机构

图4　后部输送机中的导煤装置

2.5健全放顶煤计量管理

由于其实际采高和储量无法丈量，加之顶煤是否放净无法看见，所以健全计量管理、加强监督检查，保证探测煤层厚度的准确性，为回采率计量提供依据。计量管理是提高放顶煤工作面煤炭回收率的重要途径［8］。同时，通过加强顶煤回采率的测算与分析管理，确保回采率数据的准确性，并能够及时发现问题，予以纠正。针对工作面的现场具体条件，因地制宜地采取合理的放煤步距和放煤方式，并在实际操作中严格掌握，使放煤效果处于最佳状态。提高放煤工的放煤技能和责任心，实行责任分解指标到人，配备专业人员到现场跟班监督检查，并制定回采率考核制度，促进综放面回采率的管理工作。

3　结论

通过分析同忻煤矿特厚煤层赋存条件和大采高综放开采技术，得出了同忻煤矿综放工作面的煤炭损失主要集中在初采损失、末采损失、端头损失以及顶煤破碎度差丢煤损失方面。通过对工作面参数、放煤工艺参数进行优化，加大顶煤破碎程度，优化特厚煤层开采综放架型，健全计量管理等方面进行探索和实践，使同忻煤矿特厚煤层大采高综放开采工作面的回采率明显提高。得出了一些提高特厚煤层综放工作面煤炭回采率的经验，为大同矿区石炭系特厚煤层和其他矿区类似煤层的开采提供参考。

参考文献

［1］孟宪锐，王鸿鹏，刘朝晖，等.我国厚煤层开采方法的选择原则与发展现状［J］.煤炭科学技术，2009，37（1）：39-44.

［2］卢国斌，张俊武，滑海利，等.火石咀煤矿综放工作面提高回采率技术［J］.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2014，08：1039-1043.

［3］石志文.对提高综放工作面回采率的探讨［J］.中小企业管理与科技（下旬刊），2009，08：282.

［4］闫卫国.提高放顶煤工作面回采率的技术实践［J］.洁净煤技术，2013，04：122-124.

［5］王涛.提高综放工作面煤炭回收率浅析［J］.价值工程，2010，30：89.

［6］刘江伟，游燕龙.论提高综放回采率的技术措施［J］.山西焦煤科技，2009，06：24-26.

［7］孙凌锋，邹庆海.综放开采煤损失与提高顶煤回收率的措施［J］.科技风，2008，11：53.

［8］陈爱珠，李建国，徐占成.提高综放回采率的分析研究［J］.西山科技，2000，05：32-34+46.

Technical Discussion on Improving Recovery Rate of Working Face in Thick Coal Seam Large Mining Height Fully Mechanized Mining

Ji Runqing

Abstract：The top coal caving mining is widely used for its high production and efficiency，However，because of the characteristics of the top coal caving mining technology，the loss of coal resource is bigger. Based on the thick coal seam large mining height fully mechanized mining of Tongxin Mine，the technical measures of improving the recovery rate of the thick coal seam large mining height fully mechanized working face are studied. By analyzing the coal loss composition of the fully mechanized working face in Tongxin Mine，it is concluded that the coal loss mainly concentrates in the early mining loss，the last mining loss，the end loss and the coal loss of the top-coal fragmentation degree. And the improvement technology of the recovery rate is studied and analyzed from the working face parameter selection，the determination of the caving coal process parameters，increasing the top-coal broken degree and improve the metrological management.

Key words：thick coal seam；large mining height；fully mechanized mining

中图分类号TD823.25+4

文献标识码B

文章编号1000-4866（2016）03-0024-04

作者简介

纪润清，1968年出生，男，山西省怀仁县人，工程师，大同煤矿集团有限责任公司技术中心技术科科长，从事煤矿开采技术方面的工作。

收稿日期：2016-06-01