赵固一矿18060采煤工作面放顶煤开采可行性分析

王洪恩 李红旗

摘 要：根据赵固一矿18060采煤工作面地质条件进行放顶煤采煤方法论证，对影响顶煤冒放性的采深、煤体强度、顶板、采放比、煤层节理裂隙、夹矸层厚度及强度等主要因素进行分析和冒放性评价，使用隶属度计算检验适合放顶煤开采，确定赵固一矿18060采煤工作面采用综采放顶煤工艺。放煤方式采用多轮、间隔、顺序、等量的放煤工艺。放煤步距采用一采一放，放煤步距为0.8 m，如果煤体破碎块度大，在放煤口成拱率高，则可以改用两刀一放的放煤步距1.6 m，以提高顶煤放出率。

关键词：采煤工作面;放顶煤;冒放性

Abstract： According to the geological conditions of 18060 working face in working face in Zhaogu No.1 coal mine， the paper demonstrated the mining method of top coal caving， analyzed and evaluated the main factors influencing the caving of top coal， such as mining depth， coal body strength， roof， mining and caving ratio， coal seam joints and fissures， thickness and strength of gangue layer， so as to make the membership degree calculation and inspection suitable for top coal caving， The fully mechanized top coal caving technology was adopted in 18060 working face of Zhaogu No.l coal mine. The coal drawing method adopted multi round， interval， sequence and equal coal drawing process. The caving step is one mining and one caving， and the caving step is 0.8m. If the fragmentation of coal is large and the arching rate at the caving mouth is high， the caving step of two knives and one caving can be used to increase the top coal caving rate by 1.6m.

Keywords： coal face; top coal caving; effervescence

綜合机械化放顶开采技术是高产高效开采煤层的有效方法之一，是我国迅速发展起来的一种新型采煤方法。焦作煤业（集团）有限责任公司赵固一矿推动综采工作面使用放顶煤设备，以减少综采工作面搬家倒面次数，节省采煤工作面的安装和搬迁费用及巷道掘进量，提高生产效率和产量，降低开采成本。煤矿井下地质条件复杂，综采工作面内作业困难，特别是井田冲积层厚、煤层顶板基岩薄、断层多、底板灰岩水压高的矿井，采煤工艺的选择成为一个重要课题。近20多年来，国内外综合机械化开采发展迅速，对冲积层厚、煤层顶板基岩薄、断层多的矿井开采已经积累了许多成熟经验。赵固一矿就属于井田冲积层厚、煤层顶板基岩薄，处于断层多的地质条件，且底板灰岩水压高、水量丰富，通过断层和隐伏露头顶底板含水层连通性好，隔水层厚度较小，属于兼受顶板水和底板水两种水害威胁的大水矿井。水患是威胁矿井生产安全的主要灾害，防治水工作的重点是防止在采掘过程中底板L8灰岩含水层突水和冲积层底部砂、砾石含水层溃水、溃砂，在克服赵固矿区特殊条件下的综采放顶煤工作面，对矿井安全高效生产具有重大意义，对国内类似地质条件的矿井开采具有积极的借鉴意义。

1 工作面概况

赵固一矿是焦作煤业（集团）有限责任公司下属的一个生产矿井。赵固一矿18060放顶煤综采工作面开采二1煤层，北为F15断层，西为未采掘的西十盘区，南为北翼回风大巷、北翼轨道运输大巷、北翼胶带运输大巷和西风井，东为西八盘区胶带集中巷和西八盘区轨道集中巷。根据掘进巷道揭露情况，工作面内煤层顶板标高-504.2～-482.8 m，对应地面位置标高为+86.7～+87.3 m。

赵固一矿18060工作面上顺槽、下顺槽和切眼沿顶布置，长度分别为523.8、521.2、155.2 m，回采长度500.3 m，平面积75 045 m2[1-2]。

煤（岩）层赋存情况：二1煤层厚度为2.4～6.9 m，平均厚度为5.0 m，部分区段有少量夹矸，以块煤为主。煤体结构主要为原生结构煤，断层附近存在少量碎粒结构煤。工作面煤层产状为200°～308°∠1°～5°，煤层平均倾角为3°。

工作面直接底为粉砂岩、砂质泥岩，厚度为20～30.5 m，平均厚度为25 m，砂质泥岩含黄铁矿晶体。老底为L9石灰岩，厚度为1.8～2.2 m，平均厚度为2.0 m。

工作面内顶部基岩厚度由里向外呈减小的趋势，基岩厚度为88～141 m，最厚处位于上顺槽与切眼交点141 m，最薄处位于下顺槽与停采线交点88 m。

根据矿井水文地质条件及充水特征，矿床为以底板充水为主的矿床，补给条件较好、水源充沛;矿井充水方式为直接充水;充水后采掘工程受水害影响较严重，矿井安全受水害威胁;防治水工程难度高、施工量大，为极复杂型水文地质条件。

2 采煤方法的选择

目前，焦作煤业（集团）有限责任公司煤层开采主要有分层综采、大采高一次采全高综采和放顶煤综采三种开采方式。

2010年以前，焦作煤业（集团）有限责任公司煤层开采主要采用分层开采方法，该开采工艺复杂，人工劳动强度大、功效较低。

2011年12月，焦作煤业（集团）有限责任公司赵固二矿11050工作面成功完成了6.5 m大采高综采成套装备的井下现场联调，并成功投入使用，当时处于国内先进水平。目前，焦作煤业（集团）有限责任公司对6.5 m及以下厚度煤层都可以采用大采高一次采全高综采方法进行回采，但18060工作面煤层厚度为2.4～6.9 m，煤层厚度变化较大，加之矿井井筒直径不大，液压支架不能整体下井，井下需要建组装硐室，运输安装较为复杂，限制了大采高一次采全高综采的应用[3]。

综采放顶煤采煤法，采煤成本低，效率、单产较高，搬家次数较少，较为适用于煤层厚度变化较大的厚煤层开采，因而近年来，该方法在焦作煤业（集团）有限责任公司得到了普遍推广和应用。综采放顶煤采煤法的关键是煤层的冒放性，冒放性与煤厚、结构、节理裂隙发育程度、顶底板条件等有关，一般认为，当煤层硬度系数[f]小于3，强度小于20 MPa时，顶煤冒放性较好，反之，冒放性较差。

因此，综合分析以上三种采煤方法，18060采煤工作面推广应用放顶煤综合开采工艺。该方法采煤效率较高，回采巷道相对较少。放顶煤开采成功的关键是顶煤能够高采出率地顺利放出，因此，掌握顶煤破碎机理和准确預测顶煤破碎块度是极其重要的，这直接影响着后续选择最优采放比、放煤步距、放煤工艺和支架选型，以提高顶煤回收率和放煤效率。

3 顶煤冒放性分析

上部煤层的破碎程度与煤体的强度、裂隙分布直接相关，也与顶板条件及支架对顶板的作用有关。顶煤冒放性的主要因素有开采深度、煤体强度、顶板、采放比、煤层节理裂隙、夹矸层厚度及强度等。

3.1 开采深度

赵固一矿18060工作面平均开采深度为585.86 m，大于400 m，顶煤是易于冒落的。

3.2 煤体强度

习惯上常用普氏硬度系数[f]来表示煤体的强度大小，煤体强度是抵抗破坏能力的主要指标。

3.3 顶板

18060工作面直接顶为砂质泥岩，平均厚度为13.5 m，能随采随冒、利于放煤。基本顶为中粒砂岩，平均厚度为7.2 m，利于顶部煤体的预破坏。

3.4 采放比

放顶煤开采需要确定合理的采放比，以有利于顶煤的放出与提高顶煤采出率。18060工作面平均煤厚5.0 m，采放比应小于1.5，顶煤冒放易于控制管理。

3.5 煤体中节理与裂隙

从煤体裂隙发育和分布情况来看，18060工作面地质条件有利于顶煤的破碎，裂隙的发育也会使冒落块度减小，有利于顶煤放出，减少因块度过大而造成的碎煤成拱或堵塞支架放煤口。

3.6 煤体夹矸

18060工作面掘进期间探查煤体内基本未见夹矸，煤层赋存较好，对放顶煤工艺无影响。

3.7 顶煤冒放性评价

根据采场条件及《西八盘区地质说明书》《赵固一矿18060工作面设计说明书》，18060工作面平均埋深为585.86 m，二1煤抗压强度为9～18 MPa，采深与煤层强度的比值[H/Re]=32.55～62.1，大于30.1，隶属度[μ1]=0.9;直接顶初次放顶步距大于8 m，隶属度[μ2]=0.8;老顶为大占砂岩，3级，隶属度[μ3]=0.7;煤体强度[f]为0.9～1.8<2.5，采放比取1∶1～1∶1.5，隶属度[μ4]=0.7;煤层裂隙间距[d]位于0.19～0.30，隶属度[μ5]=0.85;煤层夹矸层厚度<100 m，隶属度[μ6]=1.0;夹矸较脆，预计强度10～20 MPa，隶属度[μ7]=0.8[4-5]。顶煤整体冒放性的隶属度如表1所示。顶煤整体冒放计算公式为：

4 放顶煤工艺

赵固一矿18060综放工作面采用走向长壁后退式采煤法，采用放顶煤采煤工艺，通过采煤机破煤、尾梁摆动和插板伸缩放顶煤，滚筒和刮板输送机铲煤板装煤，刮板输送机、转载机、带式输送机运煤，液压支架支护顶板，全部垮落法处理采空区顶板[6-10]。

放顶煤工艺流程：采煤机从机头斜切进刀→回割三角煤→上行割煤跟机推伸缩梁（开合护帮板）→移架收伸缩梁→推前部刮板输送机→放煤→拉后部刮板输送机→采煤机从机尾斜切进刀→回割三角煤→下行割煤跟机推伸缩梁（开合护帮板）→移架收伸缩梁→推前部刮板输送机→放煤→拉后部刮板输送机[11-13]。

5 放顶煤方法

放煤方式：采用多轮、间隔、顺序、等量的放煤工艺。采用三轮间隔放煤，顶煤由顶板压力、尾梁上下摆动进行松动，收回插板下摆尾梁放煤，工作面同时放煤开口不得超过3处。

放煤步距：采用一采一放，放煤步距为0.8 m，如果煤体破碎块度大，在放煤口成拱率高，则可以改用两刀一放的放煤步距1.6 m以提高顶煤放出率。控制放煤窗口，防止矸石混入煤流之中。

放煤操作：①采用由机头（机尾）向机尾（机头）、隔一架一放、多轮顺序放煤方法。安排采煤工放煤，根据液压支架的编号顺序，由机头（机尾）向机尾（机头）分多轮放煤。②放煤时，先打开放煤插板开始放煤，待见矸石下落时，及时关闭插板。放煤过程中，尽量使顶煤保持均匀下降，以减少混矸。放煤时，煤量要适中，以防煤量过大压死后部刮板输送机，放煤作业结束后，工作面才能进行下一循环割煤移架工作。③第一轮放煤时，先放单号架，由机头（机尾）向机尾（机头）依次放煤，双号架滞后10～15 m开始放煤。放煤时要缓慢开启插板，先将插板收回1/3～1/2，让顶煤缓慢均匀地流入后部刮板输送机，调节插板收缩量进行放煤操作。根据煤厚实际情况，适当调整放煤时间，确保煤量均衡。④第二轮放煤时，通过尾梁上下摆动、插板来回伸缩进行放顶煤操作，确保顶煤均衡放出。⑤第三轮放煤时，增加尾梁上下摆动次数，来回伸缩插板放出顶煤，直至放完顶煤见矸。⑥回摆尾梁时，必须先收回插板;放煤完毕，应先上摆升紧尾梁，再将插板伸出封堵出煤口，操作手把及时复位。⑦放煤过程中，如遇大块煤矸，必须用插板破碎，要特别注意防止大块煤（矸）流入后部刮板输送机。如发现大块煤（矸）流入刮板输送机时，应停机处理，防止运输过程中碰坏支架尾梁千斤顶及管路。后部刮板输送机停机时，严禁放煤作业。⑧要求坚持分多轮次放煤，严禁超限放煤或放不净煤，提高资源回收率，确保煤质[14-21]。

赵固一矿周边矿井古汉山矿同样开采二1煤层，煤层条件类似，古汉山矿1604工作面煤层厚度为4.8～6.25 m，平均煤厚为5.3 m，采用综放开采，采放比为2.8∶2.5，即1∶0.89，现场每割1刀（0.6 m）放煤一次，采用多轮间隔顺序等量放煤工艺，效果良好。

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