寺家庄煤矿15115工作面顶煤冒放性分析及放煤工艺

邓燕华

(山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，山西 晋中 045300)

受资源赋存特征影响，我国长期以煤炭作为主要消费能源，支撑着国民经济的快速发展，随着煤炭需求量和开采强度不断增加，赋存条件优越的煤炭资源逐步开采殆尽，一些厚煤层煤炭资源的开采逐渐发展，据统计，我国厚煤层煤炭资源占比达45%左右，针对厚煤层煤炭资源开发利用，相关专家学者进行了大量研究与实践，目前常见的厚煤层主要采用分层开采、放顶煤开采和大采高开采等方法，其中放顶煤开采具有成本低、效率高等优点，在国内各地煤炭企业进行了大量应用[1-3]。放顶煤开采主要与顶煤冒放性密切相关，顶煤冒放性是指位于工作面顶部的煤体在矿山压力的作用下，顶部煤体垮落、放出的难易程度，主要影响因素有煤层开采深度、顶板岩性、煤层厚度和强度、夹矸情况以及煤体节理裂隙发育程度等[4-5]。

1 工程概况

寺家庄煤矿15115工作面为中央盘区首个大采场、大倾向、大储量工作面，该工作面位于中央盘区南翼，东邻15116工作面(已回采)，西邻15112工作面(已回采)，南邻南二盘区盘区边界，北侧为中央盘区准备巷道。15115工作面开采15号煤层，平均煤层厚度为5.67 m，近水平煤层，走向长度为3 761 m，倾向长度为275 m，开采范围内煤层结构复杂，煤层中含多层夹矸，采用综合机械化走向长壁后退式一次采全高采煤工艺。工作面老顶为粗砂岩、砾岩，厚度6.00～14.59 m，平均厚度9.30 m，中厚层状，钙质胶结，成份主要以长石、石英为主，分选一般；直接顶为高岭岩、泥岩、煤、砂质泥岩、粉砂岩，厚度6.19～17.11 m，平均厚度11.08 m；直接底为高岭质泥岩、泥岩、煤，厚度2.50～11.00 m，平均厚度5.56 m；老底为粉砂岩、中砂岩、砾粗砂岩，厚度6.50～22.23 m，平均厚度15.50 m，以石英为主，长石次之，泥质和钙质胶结，含暗色矿物，分选差，次圆状。

2 顶煤冒放性分析

2.1 顶煤冒放性分析方法

寺家庄煤矿15115工作面顶煤冒放性分析采用隶属度评价方法，按照不同评价因素的隶属度及其权重(见表1)进行求和，从而计算得到15115工作面顶煤冒放性隶属度，根据计算结果分析工作面的顶煤冒放性，15115工作面顶煤冒放性隶属度采用公式(1)计算[6]：

表1 不同因素隶属度及其对应的权重

μ=ΣAiμi

(1)

式中：μ为顶煤冒放性隶属度；Ai为不同因素隶属度的权重；μi为不同因素的隶属度值。

根据公式(1)计算得到的15115工作面顶煤冒放性隶属度μ，对比顶煤冒放性分类标准(表2)，进行分析15115工作面顶煤冒放性。

表2 顶煤冒放性分类标准

2.2 顶煤冒放性分析

采用隶属度评价方法分析寺家庄煤矿15115工作面顶煤冒放性，各评价因素对应的隶属度取值及寺家庄煤矿15115工作面顶煤冒放性隶属度计算结果见表3，根据计算结果，寺家庄煤矿15115工作面顶煤冒放性隶属度为0.73，对比表2顶煤冒放性分类标准，分析认为寺家庄煤矿15115工作面顶煤冒放性一般。

表3 各评价因素隶属度取值及计算结果

3 15115工作面布置及参数设计

基于寺家庄煤矿15115工作面顶煤冒放性分析结果，确定工作面采用单一走向长壁后退式一次采全高低位放顶煤综合机械化开采的采煤方法，采用一刀一放、多轮顺序的放煤工艺。

1) 工作面长度。根据矿井开拓及盘区划分，确定15115工作面倾向长度为275 m。

2) 采高。15115工作面开采15号煤层，煤层平均厚度为5.67 m，工作面采用SL-500型采煤机及ZF15000/27.5/42D型低位放顶煤液压支架，综合考虑煤层厚度、采放比、支架支撑高度及采煤机通过高度等因素，确定15115工作面采高为3 m，放顶2.67 m。

3) 截深的确定。15115工作面煤层赋存条件相对稳定，工作面采用SL-500型采煤机及ZF15000/27.5/42D型低位放顶煤液压支架，推移最大行程为0.9 m，为提高循环产量，进一步发挥采煤机及工作面设备的效率，确定15115工作面截深为0.8 m。

4) 放顶煤步距。合理的放煤步距有利于顶煤充分破碎，提高资源回收率、降低含矸率，放煤步距一般与支架放煤口的纵向尺寸相一致，与采煤机截深成整数倍关系[7]，合理的放顶煤步距主要与以下四个主要因素有关。①顶煤的第一次垮落破碎程度。顶煤在超前支承压力的作用下产生二次节理、裂隙。当支架前移后，在上覆岩层压力作用下自行垮落破碎。根据矿井实际开采经验，开采范围内15号煤层可以自行垮落，但块度比较大，顶煤的第一次垮落破碎程度取0.7～0.8。②顶煤高度。15115工作面平均煤厚5.67 m，机采高度3 m，平均放煤高度为2.67 m。③顶煤垮落角度。根据矿井实际开采经验，寺家庄矿15号煤层顶煤垮落角为75～85°。④支架放煤口中心距顶煤垮落面的水平投影长度。在理想状态下，取支架放煤口中心距支架后铰接点的水平投影长度，15115工作面基本支架ZF15000/27.5/42D，取水平投影距离1.5 m。

综上所述，合理放煤步距介于一刀一放和两刀一放中间，放煤步距设计采用一刀一放。

5) 放煤工艺。寺家庄煤矿采用一面一策的放煤工艺，根据寺家庄煤矿15115工作面顶煤冒放性分析结果，结合矿井实际开采经验，确定15115工作面采用多轮顺序放煤工艺，放煤工艺示意图如图1所示。

图1 放煤工艺示意

4 工程应用

寺家庄煤矿15115工作面采用单一走向长壁后退式一次采全高低位放顶煤综合机械化开采的采煤方法，采用一刀一放多轮顺序的放煤工艺，工作面布置1台SL-500型采煤机、1部PF6/1142型前部刮板机、1部PF6/1342型后部刮板机、151架ZF15000/27.5/42D型放顶煤液压支架，15115工作面平均煤厚5.67 m，采煤高度3 m，放煤高度2.67 m，循环步距0.8 m，放煤步距0.8 m。

在寺家庄煤矿15115工作面回采期间，现场实测了工作面顶煤放出率和支架来压情况，实测结果如图2所示，由图可以看出，工作面顶煤放出率和支架来压数量整体呈正相关趋势，工作面顶煤放出率随支架来压数量的增加而增加，当工作面支架来压数量小于10%时，工作面顶煤放出率在65%左右，当工作面支架来压数量在10%～50%范围时，工作面顶煤放出率在75%左右，当工作面支架来压数量大于50%时，工作面顶煤放出率在85%左右，整体来看，工作面回采期间，放煤效果良好。

图2 工作面顶煤放出率和支架来压情况

5 结 语

寺家庄煤矿15115工作面开采15号煤层，开采范围煤层平均厚度5.67 m，属厚煤层，采用隶属度评价方法分析工作面顶煤冒放性，分析认为寺家庄煤矿15115工作面顶煤冒放性一般，基于此，设计了寺家庄煤矿15115工作面相关参数，15115工作面采用单一走向长壁后退式一次采全高低位放顶煤综合机械化开采的采煤方法，采用一刀一放多轮顺序的放煤工艺，在15115工作面回采期间，现场实测了工作面顶煤放出率和支架来压情况，结果显示，工作面顶煤放出率和支架来压数量整体呈正相关趋势，当工作面支架来压数量大于50%时，工作面顶煤放出率在85%左右。