提高東峰礦井放頂煤回采率的技術研究

龐東林

(山西蘭花煤層氣有限公司，山西　晉城　048000)

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·技術經驗·

提高東峰礦井放頂煤回采率的技術研究

龐東林

(山西蘭花煤層氣有限公司，山西晉城048000)

摘要放頂煤工作面回采率較低一直是放頂煤開采技術的難題，本文以東峰煤礦一采區3105放頂煤工作面為工程背景，針對該礦回采工作面回采率低、原煤含矸量較大的問題，結合實際，分析了影響工作面放頂煤回采率和煤質的主要因素。提出了加長工作面長度，減少初采和末采的放煤距離，同時采用3種放煤步距對3105工作面進行試驗，分析了不同放煤步距下的工作面回采率和含矸量，得出最佳的放煤步距。采用幾種方法相結合的技術措施，工作面回采率可提高至85.7%，可為該礦以及周邊礦井實際生產提供參考。

關鍵詞礦井；放頂煤；初、末采；放煤步距；回采率

我國能源主要以煤炭為主，80%的煤炭都來自井工煤礦開采。井工煤礦受地質條件的限制，資源回采率通常較低，造成了資源浪費。特別是我國近些年大力推廣的放頂煤采煤法，雖然解決了厚煤層開采的難題，但是頂煤回收率較低，工作面回采率較低，導致資源浪費較多[1],是一個急需解決的問題。

東峰煤礦位于山西省高平市境內，批準開采3～15號煤層，井田面積為15.51 km2，生產規模為1.2 Mt/a，該礦目前在一采區布置有1個綜放工作面和2個綜掘工作面，采高2.6 m，放煤3.36 m，采放比1∶1.3.

1井田概述

該礦井田位于沁水煤田野川精查區，地層傾角1°～7°，井田內斷裂構造較發育，地表及三維地震勘探發現有11條斷層，27個陷落柱，地質構造簡單，水文地質條件中等，瓦斯等級是高瓦斯礦井。

該礦主采的3號煤層賦存于山西組下部，煤層厚度4.63～6.62 m，平均5.96 m，是低灰、特低硫、高熱值的無煙煤，是我國特有的稀有煤種，市場銷售較好，經濟效益較高，因此，有必要提高工作面的回采率，避免浪費資源。

3號煤層偽頂是黑色薄層狀砂質泥巖或泥巖，厚0.10～0.30 m.直接頂板是灰白色中厚層狀中粒砂巖，局部為粉砂巖或細粒砂巖，厚1.50～16.07 m，平均厚7.26 m，結構松軟，吸水易軟化，強度較低。老頂多為粉砂巖，灰白色，質較堅硬，厚3.53～17.70 m，平均7.54 m，不規則裂隙發育。煤層直接底板以泥巖、砂質泥巖為主。含植物根莖化石及炭質碎屑，平均厚3.62 m.

該礦一采區的3101、3102、3103和3104工作面已回采結束，目前正在回采3105工作面，根據對工作面的回采儲量和實際采出煤量的分析，該礦工作面實際的回采率僅有75.8%，遠低于國內厚煤層平均85%的回采率。鑒于目前煤炭市場不景氣，為提高經濟效益，該礦提出了提高回采率和原煤煤質的要求。

各工作面放頂煤回采率見表1.

23號煤層放頂煤開采條件分析

2.1煤層埋藏深度

根據放頂煤的回采經驗，開采深度對頂煤的冒放性有重要影響，頂煤隨開采深度的增加冒放性提高，該礦一采區3號煤層埋藏深度處于150～200 m，該埋藏深度較低，會降低該礦的頂煤冒放性。

表1　回采工作面放頂煤回采率統計表

2.2開采煤層厚度和硬度

根據放頂煤的回采經驗，結合最新的回采設備，煤層厚度在5～15 m時，采用放頂煤技術，會取得較高的回采率。該礦3號煤層平均厚度5.96 m，采用放頂煤方法開采，有利于頂煤的冒放[2].

煤層硬度是影響頂煤冒放性的關鍵因素，該礦3號煤層單軸抗壓強度13.7 MPa，單軸抗拉強度0.84 MPa，屬中等硬度煤層，煤層節理、裂隙發育，頂煤呈圓拱式冒落，橢柱體放出，頂煤垮落角67°，放出率75.8%，根據現場記錄，頂煤容易冒落。

2.3夾矸對放頂煤開采的影響

3號煤層含0～3層泥巖及炭質泥巖夾矸，硬度比較小，厚0～0.8 m，平均0.15 m，不會形成大塊煤堵塞放煤口，只要選擇合適的采放比，夾矸對頂煤開采影響不大。

2.4頂板條件對頂煤冒放性影響

3號煤層的直接頂和老頂是影響頂煤冒放性的主要因素。直接頂為3 m左右的粉砂巖、砂質泥巖，單軸抗壓強度為30.3 MPa，單軸抗拉強度為4.8 MPa，在回采中會隨采隨落，對頂煤冒落沒有影響。老頂為粉砂巖、細砂巖及中粒砂巖，厚度為2.5～7.69 m，經巖樣力學分析測試，老頂的單軸抗壓強度為92.0 MPa，單軸抗拉強度為9.5 MPa，屬中等堅硬頂板，對頂煤的冒放會產生不利因素。

3影響頂煤回收率的因素分析

3.1工作面設計尺寸及設備選型的影響

影響綜采工作面回采率的另一個因素是采區內部的煤柱的大小。采區內部的煤柱主要有巷道保護煤柱和村莊保護煤柱。因此，合理調整工作面長度，可以減少保護煤柱的尺寸，增大回采儲量，提高整個礦井的回采率[3].

3.2工作面初、末采及端頭的影響

1) 初采和末采頂煤損失量分析。

該礦在工作面回采時期，由于頂煤懸露面積小，為保證工作面人員設備安全，防止頂板垮落對采煤工作面造成威脅，回采面推進12 m后才開始初次放煤，造成了初采階段頂煤的損失。

在工作面推進至回采工作面附近時，為保證回采設備能夠安全撤出，該礦在至停采線15 m范圍內不采放頂煤。

該礦初采末采階段，頂煤損失按下式計算，得每一個工作面初末采損失0.02 Mt.

式中：

Q—頂煤初末采損失量，t；

d1—初次放煤距離，m，取12；

d2—末采時留頂煤距離，m，取15；

l—工作面放頂煤長度，m，取140；

γ—煤體容重，t/m3，取1.42；

H—頂煤高度，m，取3.36.

2) 工作面端頭頂煤損失量分析。

回采工作面的上下端頭處有大量機械設備，同時也是工人工作的主要地點，為了保證安全，回采工作面上下端頭不放頂煤。

上下端頭損失量可按下式計算，通過計算，端頭損失煤量是0.05 Mt.

式中：

Q—工作面上下端頭頂煤損失，t；

L—工作面走向推進距離，m，取1 200；

γ—煤體容重，t/m3，取1.42；

l—端頭不放煤距離，m，取5；

h—頂煤高度，m，取3.36；

β—頂煤垮落角，(°)，取60.

單個工作面的平均回采儲量是1.52 Mt，單個工作面初采、末采和端頭頂煤損失量是0.07 Mt，占回采儲量的4.6%，占比較大，導致工作面回采率降低。

3.3現場管理對回采率的影響

綜放工作面的原煤生產與普通的綜采工作面不同，技術性較強，同時還需要各工種的配合。因此，工作人員需要提前培訓，在保證安全的前提下最大量放出頂煤。

3.4放煤步距對回采率的影響

放煤步距的大小，影響頂煤的回收量和回采工作面的總體煤質，在實際生產中，如果放煤步距太小，采空區后方的矸石和頂煤一起進入放煤口，造成原煤含矸量過大，影響煤質，從而影響經濟效益。

放煤步距太大，采空區上部的矸石首先到達放煤口，使頂煤留下較大的三角煤很難放出，導致回采率降低，同時采空區遺煤還容易自燃，給安全管理帶來較大的隱患。不同放煤步距對頂煤冒落的影響見圖1.

1，2，3—放煤步距引起的三角煤損失圖1　放煤步距與煤炭損失示意圖

4提高頂煤回收率的技術措施

4.1工作面走向長度的改進措施

該礦井回采工作面長度現為150 m，目前，我國許多大型礦井回采工作面長度都在200 m左右，因此，該礦回采工作面可以優化，加大單個工作面長度，減少工作面個數，以減少巷道保護煤柱，增加礦井回采率。結合該礦井的生產能力和設備裝配情況，下一工作面長度定為200 m.

該礦端頭支架和過渡支架，目前采用的是不放頂煤的支架，可以選用機頭過渡快、高度低的側卸式后部刮板輸送機，同時取消現有的過渡支架，配備可以放出頂煤的端頭液壓支架。該方式具有易實現、見效快、投資少、改動小等優點[4].

4.2工作面初、末采改進措施

根據礦井實際生產經驗，回采過后，直接頂呈懸臂梁狀態，隨支架前移，能夠順利垮落，根據相鄰工作面記錄數據，直接頂跨落步距平均為10 m，老頂初次來壓步距為20 m，老頂周期來壓為11～13 m.

工作面初采時，頂煤受礦壓影響較小，頂煤欲裂程度較差，在該階段回采，可以采取深孔爆破或者提前預注水措施[5].對開切眼附近的煤層和頂板實施軟化工作，使頂煤提前破碎冒落，通過改進初次放煤距離可以減少到5 m.

工作面回采結束時，加強礦壓觀測、頂煤破裂和冒落特征，盡量減少末采時不放頂煤距離。

4.3選擇合理的放煤步距

目前，該礦采取“一采一放”的方式放頂煤，原煤的含矸量較大。本文分別采取“一采一放”“兩采一放”和“三采一放”技術方案，通過分析平均產量、含矸量和回采率指標，確定礦井最佳的放煤步距[6].

本次選取3105工作面為研究對象，工作面走向長度200 m，推進長度1 000 m，放頂煤長度190 m，采高2.6 m.分別以0.6 m、1.2 m和1.8 m步距放煤，回采率見表2.

表2　回采工作面放頂煤回采率統計表

5結論

基于東峰煤礦目前主采3號煤層的資源條件，在礦井現有回采設備的基礎上，通過減少初采放煤距離和末采放煤距離，加大工作面長度，優化工作面合理放煤步距，提高頂煤回收率。得出該礦初采放煤距離最少可留設5 m，減少初采遺煤；改進后部刮板輸送機，換用可放煤的端頭支架，減少端頭的遺煤；采用1.2 m的放煤步距，能夠提高工作面回采率，降低原煤含矸量。根據試驗，工作面回采率可提高至85.7%，達到國內平均水平。

參考文獻

[1]趙志強，高洋，汪昕,等.我國煤炭資源開采回采率問題研究[J].煤礦現代化,2011(1):5-7.

[2]閆衛國.提高放頂煤工作面回采率的技術實踐[J].潔凈煤技術,2013,19(4):122-124.

[3]侯慶凱.提高放頂煤開采回采率的主要途徑[J].煤炭技術，2005,24(4):71-72.

[4]商鐵林.綜放工作面放頂煤采出率研究[D].西安:西安科技大學,2009.

[5]尹振云,王春林.綜放工作面深孔爆破強制放頂的實踐[J].煤炭科技,2010(2):49-50．

[6]趙輝.趙莊二號井大采高鉆式綜采工作面礦壓顯現規律研究[D].焦作:河南理工大學,2011.

Technology Research on Improving Extraction Rate of Top Coal Caving in Dongfeng Coal Mine

PANG Donglin

AbstractTakes 3105 top coal caving face of the first mining area in Dongfeng coal mine as the research object，for the problems of which recovery rate of the coal mining face is low, raw coal gangue content is larger，combines with the actual, the major factors influence the top coal caving recovery rate and coal quality of working face are analyzed. Puts forward lengthen the length of the working face. Reduces the distance of the primary mining and ultimate mining coal drawing. Meanwhile uses three coal drawing interval to test in 3105 working face. The recovery rate and the content of coal gangue were analyzed. Find out the best coal drawing interval. Adopts several methods and combines the technical measures, the working face extraction rate can be increased to 85.7%. It can provide reference for the actual production of the mine and adjacent mines.

Key wordsCoal mine; The top coal caving; Primary mining and ultimate mining; Coal drawing interval; Recovery rate

中圖分類號：TD823.4+98

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2016)02-0016-04

作者簡介：龐東林(1962—)，男，山西澤州人，2014年畢業于河南理工大學，工程師，主要從事煤礦、煤層氣管理工作(E-mail)841600247@qq.com

收稿日期：2016-01-26