斜溝煤礦提升頂煤回收率技術實踐

郝利生

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦,山西 呂梁 033602)

煤炭資源回收率是煤礦工作面回采的一個長期硬性指標。煤炭回采率的高低直接影響礦井采掘銜接、服務年限、經濟效益等，同時遺留下的煤炭資源會帶來極大的安全隱患，尤其是易自燃煤層[1-3]。為了杜絕隱患，通常會增加工作面采空區注氮量，進行封閉火區等一系列工作，使經濟上受到了嚴重的損失，對礦井的整體效益帶來了負面影響，因此提高煤炭回采率無疑能給礦井生產帶來諸多益處[4]。

1 工作面概況

斜溝煤礦23110工作面位于21采區南翼中東部，東側為23112采空區(保護煤柱寬度14.3～19.7 m)，南側、西側為實煤區。上部為8號煤層18110采空區，18108工作面(正在回采)，層間距約55.5～57 m。煤層厚度為13.70～15.30 m，平均厚度為14.53 m。工作面可采走向長度為2 811.6 m，傾斜長度為242.45 m。工作面整體煤層產狀為一走向近南北、傾向西的單斜構造，傾角6.3～8.7°，平均7.9°。煤層普氏硬度2～3。頂煤冒落塊度適中，流動性好，冒放性系數Kf=1。工作面采高為3.8 m，放煤高度為10.73 m，采放比約為1∶2.8，23110工作面煤層頂底板巖性，見表1。工作面采用ZF15000/26/40(134臺)中間液壓支架、ZFG15000/26/4(7臺：頭3尾4)過渡支架型和ZT26000/28/40端頭支架(機頭2片1組)。

表1 斜溝煤礦23110工作面煤層頂底板巖性

2 綜放工作面煤炭損失分析及回收率計算

工作面煤炭損失主要包括初采損失、末采損失、端頭損失和工藝損失等。

各部分損失計算如下：

2.1 初采損失

回采工作面初次垮落步距為20 m，該丟損煤量按公式(1)計算：

Nc=ldh1γ

(1)

式中：Nc為放頂前的損失量，t；l為工作面長度，m；d為初次放煤步距，取20 m；h1為頂煤厚度，m；γ為煤體密度，取1.41 t/m3。

2.2 末采損失

回采工作面在停采線以前30 m停止放煤，該丟損煤量按下式計算：

Nm=lbh1γ

(2)

式中：Nm為末采損失量，t；l為工作面長度，m；b為停采線前頂煤停止回收步距，取30 m；h1為頂煤厚度，m；γ為煤體密度，取1.41 t/m3。

2.3 端頭損失

為保證頭尾端頭完整性而丟失的煤量：

(3)

式中：Ndt為工作面端頭損失，t；γ為煤的容重，取1.41 t/m3；Sf為工作面放煤傾斜長度，m；nbf為頭尾端頭不放煤支架數，架；hf為工作面放煤高度，m；β為頂煤垮落放落角，取75°。

2.4 工藝損失

工藝損失指除上述損失外的其他損失，包括煤矸大塊卡放煤口造成的損失、脊背頂煤損失、混入矸石量大而喪失采出意義的損失等。

機采工藝煤量損失計算：

Njc=SkcLhjcγ×5%

(4)

式中：Njc為工作面機采工藝損失，t；Skc為工作面可采傾斜長度，m；L為工作面長度，m；hjc為工作面機采高度，3.3 m；γ為煤的容重，取1.41 t/m3；5%為機采工藝損失率。

放頂煤工藝煤量損失計算：

Nf=Sf(L-1.75nbf+2hf/tgβ)hfγ×20%

(5)

式中：Nf為工藝損失量，t；Sf為工作面放煤傾斜長度，m；L為工作面長度，m；nbf為頭尾端頭不放煤支架數，架；hf為工作面放煤高度，m；γ為煤的容重，取1.41 t/m3；20%為放煤工藝損失率。

2.5 整個放頂煤工作面回收率

總煤量損失：

N=Ndt+Ncm+Njc+Nf

(6)

式中：Ndt為工作面端頭損失，t；Ncm為工作面初、末采損失，t；Njc為工作面機采工藝損失，t；Nf為工作面放煤工藝損失，t。

工作面采出量:

Q采=Qc-N

(7)

式中：Qc為可采儲量，t；N為總煤量損失，t。

全工作面整體回收率：

C=Q采/Qc

(8)

3 提升頂煤回收率技術方案

3.1 加強探煤工作

綜放工作面頂煤厚度的精準探測是實現科學放煤的基礎。斜溝煤礦23110工作面通過采取縮短探煤周期、減小探煤步距、加密探孔間距、加深終孔位置等手段保障探煤質量，避免夾矸厚度大、煤層厚度變化大等因素造成數據失真、缺乏指導意義。具體做法是：將探煤周期由每旬一探強化為每周一探，探煤步距由50 m縮短為30 m，探煤間距由每15個支架調整為每10個支架，終孔位置由探至煤層上方巖石0.5 m調整為0.8 m，而且探測結果要詳細記錄存檔。

3.2 改進放頂煤工藝

礦井工作面采用“兩刀一放”兩輪間隔循環放煤步驟，其放煤步距1.6 m。放煤工分成前后兩人，一人放單號支架，一人放雙號支架，保持5架(8.75 m)距離，后擺梁多次重復，直至將頂煤放凈，見矸關窗。

經過前期工程實踐，總結出“兩刀一放”放煤方式缺點：①放煤步距過大導致直接頂矸石先于支架后擺梁頂煤到達放煤口，采空區后頂煤損失量大，回收率較低。②放煤時先放煤后升架，有可能將支架頂梁正上方頂煤放下，切頂線被迫前移，導致頂板破碎、煤壁片幫，甚至造成機道冒漏頂。

通過認真分析工作面煤巖結構、煤層賦存情況、設備配套、循環作業時間，并根據橢球體放礦理論(橢球體長軸近似于頂煤厚度，短軸類似于放煤步距，據經驗公式可得，短軸約為長軸的0.25～0.3倍)[5]，確定高效放煤步距為0.8 m，“一刀一放”單輪順序追機放煤作業。該放煤方式的優點：①放煤步距合理，直接頂與采空區后方矸石基本同步到達放煤口，放煤徹底，有效減少脊背頂煤損失，頂煤回收率高，含矸率低。②頂煤從切頂線向古塘方向呈“倒三角”形，避免工作面壓力前移引發頂板破碎、煤壁片幫問題[6]。③經反復升架擠壓，使頂煤充分破碎，增加頂煤冒放性[7]。

3.3 減少端頭損失，加強端頭頂煤回收

根據《煤礦安全規程》規定，為保證工作面端頭懸板達標，安全出口暢通，為后部刮板運輸機機頭、機尾提供可靠保護空間，傳統的放頂煤工作面端頭支架和過渡支架基本不放煤(大致為頭尾各4個支架)，這樣整個工作面頂煤損失量必然相當大。為改善這種局面，在增強工作面三角區的頂板安全性，保證兩端頭支護安全可靠的前提下，嘗試將部分過渡支架進行放頂煤作業(頭尾各2個緊鄰中間支架的過渡支架)，使放煤長度和截割煤壁長度基本相同[8]。同時，加強對工作面兩端頭頂板退錨作業的日常管理和考核，便于端頭處頂煤充分冒放。

通過一段時間的工程實踐，斜溝煤礦23110工作面在過渡支架放煤和端頭頂板退錨工作共同作用下，不僅提高了兩端頭的頂煤回收率，而且保障了端頭頂板及時垮落、懸板不超標；在支架護幫板的高效配合使用中工作面前方煤壁僅發生剪切破壞，同時單輪順序追機放煤作業對頂煤的壓裂破碎起到了輔助作用，在一定程度上提升頂煤的冒放性；根據探煤鉆孔探明，工作面支架上方頂板主要發生剪切破壞，無深入煤壁的拉伸破壞，工作面圍巖整體穩定。

4 結 語

在實施頂煤回收率的相關改進措施后，使斜溝煤礦23110工作面的頂煤回采率明顯提高，工作面回采率達到86%，取得了“增產量、降消耗、緩銜接”三大突出效果，這對相似地質和設備條件下的同類礦井具有比較大的推廣價值。