北辛窑煤矿放顶煤开采工艺参数应用探索

薛晓军

（太原煤气化龙泉能源发展有限公司，山西 太原 030303）

北辛窑煤矿11 采区煤炭储量总计110.38 Mt，可开采储量44.76 Mt。采区南北走向长度为6.0 km，东西倾向宽度为2.6 km，开采面积为17.9 km2。受地质构造的影响，采区内断层发育，煤层属于三软煤层，如果采用传统的采煤方法，在开采过程中会出现很多不安全因素，且顶煤的回收率较低；由于放顶煤开采对地质及煤层赋存条件适用性较强，因此，考虑使用放顶煤开采方法，为安全高效开采提供基础。

1 地质概况

北辛窑煤矿2 号煤层可开采总厚度为2.55～9.65 m，煤层有3°～17°的倾角，煤厚为2.25～7.61 m，平均厚度5.20 m。煤层结构比较复杂，局部含有矸石，平均夹矸厚度为1.06 m。煤层的老顶厚度为1.10～22.81 m，是灰白色的中细粒、中粗粒砂岩，裂隙比较发育；伪顶厚度为0～17.25 m，是灰色、灰黑色的泥岩、砂质泥岩；老底厚度为2.81～5.25 m，是灰白色的中细粒、中粗粒砂岩，裂隙比较发育；伪底厚度为3.11～9.02 m，是灰色、灰黑色的泥岩。

通过分析2 号煤层的顶底板岩性特征，可以看出顶底板的围岩强度低，稳定性能较差，底板多是泥岩和砂质泥岩，遇水会出现膨胀、泥化现象。

2 放顶煤工艺参数

对北辛窑煤矿2 号煤层进行开采，根据开采理论及实际观测[1]，从开采底煤开始，最后到放入工作面，在开采顶板压力作用下，顶煤先出现明显变形破裂，然后逐渐被压裂出现裂隙，煤层松动垮裂，最后放入工作面4 个过程，顶煤破坏见图1。

图1 顶煤破坏分布

影响煤炭采出量的主要因素有采煤机破煤后采出的煤量和顶煤放出的煤量。随着采煤机采煤高度的不断增加，放煤高度会逐渐降低，从而增加顶煤的冒放，提高顶煤的回收率；随着采煤作业时间的增加，放煤作业时间会相对减少，从而提高整个工作面的煤炭产出量。在采煤高度增加的过程中，矿山压力显现逐渐加剧。因此，在开采过程中，要求支架的支护强度足够高，达到支撑顶板的要求[2]。影响采煤高度的关键因素是采煤机的破煤高度和放煤高度，工艺参数具体如下。

2.1 破煤高度

在确定破煤高度时，要充分发挥采煤机截割高度和破煤速度性能较好的特点，满足工作面的通风要求，确保开采时有足够的作业空间[3]。采煤机的高度一般在2.5～3.6 m，根据北辛窑煤矿2 号煤层的实际开采情况，确定采煤机的破煤高度为3.0 m 为最佳。

2.2 放煤高度

放煤高度是煤层总厚度减去破煤高度后的剩余高度，2 号煤层的平均厚度为5.20 m，计算出放煤高度为2.20 m。

3 放顶煤试验结果

3.1 放煤步距

在北辛窑煤矿开采期间，2 号煤层工作面采用一采一放和两采一放的放煤方式[4]，放煤步距分别为2 m 和1 m。结果表明，在顶煤煤层厚度小于3 m时，放煤步距为1 m，顶煤的回收率较高；在顶煤煤层厚度大于3 m 时，放煤步距为2 m，见矸层晚，顶煤回收率高。在试验的后期，由于煤层的厚度变薄，这时要减小放煤步距。放煤方式采用单轮间隔方式，一种自上而下放顶煤，另一种为自下而上放顶煤，每个放煤口之间间隔3～4 m。在顶煤煤层厚度小于3 m 时，采用这两种放煤方式放出来的煤量不相上下；但是在顶煤煤层厚度大于3 m 时，采用自上而下的放煤方式见矸早，且煤矸混杂，放煤量也较少。因此，北辛窑煤矿2 号煤层工作面更适合采用自下而上的放煤方式。

对顶煤煤层厚度大于3 m 时，采用单轮间隔自下而上的放煤方式，工作面采空区会形成一个向上方倾斜的放煤漏斗。受煤层倾角的影响，放煤漏斗的形态也有所不同。随着煤层倾角的增大，沿着煤层迎山的倾斜方向，放煤漏斗会发生偏移，向上延伸的距离随着顶煤厚度的增大而增加见图2。

图2 煤层倾角对漏斗的影响

为了确保放煤量达到最大，采用先大间隔再插放煤口的方式，将工作面最先开的两个放煤口间距放大，一般比放煤漏斗的范围大；由于放煤漏斗的范围不好准确把握。因此，将先开的两个放煤口之间的间距维持在8～10 m，然后在两个放煤口中再加放煤口，直到放煤口的间距维持在1.5～2.0 m时停止。采用这种放煤方式，顶煤的放出量大大增加，原理见图3、图4。

图3 单轮间隔放煤漏斗

图4 先大间隔再插放煤口放煤漏斗

在图3中，先开1 号放煤口，放完煤后，再开2号放煤口进行放煤，从示意图中可以看出，2 号放煤口的漏斗线与1 号放煤口的漏斗线不会相交于点A，只能相交于点B，这样就造成了煤矸混杂，影响顶煤的放出量。在图4中，由于1 号放煤口和2 号放煤口之间有足够的间距，1 号放煤口的漏斗线和2号放煤口的漏斗线相交于点A，避免了煤矸混杂，可以最大限度的放出顶煤。

3.2 回收率

为了准确地计算出顶煤回收率，沿工作面煤层走向，每隔5 m 进行一次顶煤厚度测量。根据实际的放煤结果，采用低位放煤口方式，降低了采空区三角煤的损失，工作面的回采率为85.8%，比使用普通综采方式的回收率约提高10%。

在工作面进行放顶煤作业时，要进行严格管控，不能随意开放煤口，要及时掌握顶煤的厚度变化，根据煤厚适当调整放煤步距和放煤方式，以提高顶煤的回收率。

4 结论

针对北辛窑煤矿2 号煤层开采过程不安全问题，根据煤层工作面地质概况，对工作面进行放顶煤开采试验，结果如下：

1）确定开采工艺参数，采煤机破煤高度为3.0 m，放煤高度为2.20 m。

2）在煤矿开采期间进行实际验证，结果表明，在顶煤煤层厚度大于3 m 时，采用先大间隔再插放煤口的单轮间隔放煤方式，工作面的有效回采率达到85.8%，顶煤的回收率显著提高，确保了工作面安全高效开采。