永定莊礦8103工作面頂煤冒放性影響因素研究

劉 峰

(晉能控股煤業集團永定莊煤業公司，山西 大同 037024)

進入21世紀以來，針對7 m以上的厚煤層，基于大采高綜采技術和綜采放頂煤技術的優點，以毛德兵為代表的國內學者率先提出了大采高綜放開采的概念，即工作面采煤機割煤厚度在3.5 m以上的綜合機械化放頂煤開采。大采高綜放開采的技術及效益優勢明顯，如有利于發展高產高效成套綜采設備、提高對厚及特厚煤層的適應性、生產成本更低、通風效果更好、安全系數更高等，但同時也存在端面煤巖控制困難、礦壓顯現更強烈等不利因素，尤其是由于頂煤回收率低、煤炭資源浪費嚴重這個缺陷，放頂煤工藝一直飽受爭議，如何改善頂煤冒放性、提高資源回收率必須引起高度重視[1-3]。針對永定莊煤礦8103工作面的具體地質及生產條件，研究頂煤冒放性和回收率的影響因素，從而在工藝環節設計及現場管理方面下功夫，最大限度地提高資源回收率。

1 工程概況

工程實踐地點為永定莊煤礦8103工作面，該工作面主采3號～5號煤層，煤層平均厚度11.5 m，平均傾角2°，工作面走向長1 260 m，傾向長185 m，采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤開采的采煤方法，工作面初采前20 m不放頂煤，正常回采階段頂板管理采用自然垮落法。煤層直接頂是粉砂巖及炭質泥巖，厚度變化較大，介于0.5 m～12 m；第一層基本頂是均厚為3.62 m的含礫粗砂巖，但由于工作面一次采全高，回采后需要較大范圍的頂板冒落來充填采空區，故該層基本頂無法形成穩定的承載結構，只能同直接頂一樣冒落到采空區內；實際上的基本頂位于更上的層位，為平均厚度近7 m的含礫粗砂巖，成分以石英為主，結構較堅硬。同時，8103工作面砂巖頂板強度較高，完整性較好，工作面來壓顯現較強烈，對綜放支架沖擊作用較明顯，不利于端面煤巖體的控制。

2 頂煤冒放性影響因素分析

頂煤冒放性直接決定著頂煤冒落與放出的難易程度，而冒放性的好壞受煤層地質賦存條件的制約，也受開采工藝技術參數的影響。前者包括諸如煤層強度、矸石層影響、地應力大小等因素，后者包括采放比、放煤工藝、放煤口位置和尺寸、液壓支架對頂板的擾動等。具體到8103工作面，頂煤冒放性的影響因素主要包括以下幾個方面[4-5]：

1) 支承壓力的影響。支承壓力的破壞作用是影響頂煤冒放性的首要因素，原本完整的煤層，之所以能夠在液壓支架放煤口以碎塊狀放出，就是因為承受外力作用而破碎，支承壓力的破壞最為關鍵。如第87頁圖1所示，在支承壓力的影響下，完整煤體經歷破壞發展、裂隙發育、垮落破碎等階段，從液壓支架放煤口以碎塊狀放出。而支承壓力的大小又受煤層賦存深度、煤巖容重、支承系數等因素的影響，是無法通過人工進行干預的。

圖1 采場圍巖塑性區破壞發展示意圖

2) 煤體強度及夾矸層影響。適中的煤體強度有利于提高頂煤冒放性，強度過大時不易破碎，煤體不易破碎和放出，強度太小又會使煤體過分破碎甚至粉化，造成放煤困難、粉塵增加等。夾矸層的存在也會較大程度地干擾頂煤放出，尤其是夾矸層厚度超過0.3 m時，會使頂煤冒放性大大降低。根據回

采經驗來看，8103工作面整體受夾矸層影響不大。

3) 采放比的影響。采放比在工作面設計之初就應該確定，是可以進行人工選擇的，一般來說，常規情況下，采放比不允許超過1∶3，設計時盡可能提高機采高度更有利于提高煤炭資源回收率，但機采高度過大也會造成含矸率增大。具體到8103工作面，由于煤層平均厚度11.5 m，結合理論計算、回采經驗及設備參數，設計采放比為1∶2.29，即割煤高度為3.5 m，放煤高度8 m。

4) 液壓支架的影響。液壓支架的影響作用是可以進行人工干預的。一是在支架選型方面，合理的架型對頂煤冒放性較為有利，如較大的支架掩護梁傾角有助于提高支架的切頂作用，更適于頂煤沿掩護梁滑動，還可以造成放煤拱破壞，減少頂煤損失；二是合適的放煤口尺寸有利于頂煤放出，過小的話會造成頂煤損失，過大的話又會造成含矸率升高，同時，放煤口的高度也會影響頂煤放出；三是液壓支架工作阻力的大小、初撐力管理模式、支架工操作的頻繁程度等，會影響對頂煤的擾動破壞程度，從而改變頂煤冒放性。

5) 放煤步距的影響。合理的放煤步距應是將頂煤放出率和含矸率控制在最佳范圍，最基本的判定原則是盡可能使頂部矸石和采空區側矸石同時到達放煤口。放煤步距過大，頂板矸石先期達到，脊背煤損失較多；放煤步距過小，采空區側矸石先期到達，頂部煤較難放出，也會導致頂板與頂煤混合，含矸率升高。

3 8103工作面放煤工藝的確定

在影響頂煤冒放性的諸多因素中，雖然液壓支架影響和采放比影響都是可進行人工干預的，但在既定的設備及相關參數制約的條件下，難以隨意更換液壓支架，也難以隨意調整采放比。故為提高頂煤回收率，必須從改善放煤工藝和提高管理水平等方面下功夫。

3.1 合理放煤步距的確定

根據本采區其他工作面的回采經驗，8103工作面的放煤步距選項包括0.8 m、1.6 m、2.4 m三種，分別對應一采一放、兩采一放和三采一放。哪種放煤工藝最合理，采用現場實測法及統計計算法進行分析，分別以一采一放、兩采一放和三采一放三種方式進行生產，各統計10個放煤循環的頂煤回收率及含矸率，在工作面皮帶輸送機上安裝電子稱，以實際讀數減去機采煤質量后，即可獲得所放頂煤及矸石的質量，頂煤回收率以稱得的煤的質量除以應放煤的總質量獲得，含矸率以矸石的質量除以煤矸的總質量獲得，統計結果如表1所示。

表1 不同放煤步距時頂煤回收率及含矸率統計表

對統計結果進行分析：當進行一采一放時，放煤頻率偏高，雖然頂煤放出的幾率較大，頂煤回收率也達到了83.5%，但由于采空區側矸石快速涌向放煤口，造成含矸率較高，達到12.7%；當進行兩采一放時，最接近使頂部矸石和采空區側矸石同時到達放煤口這個最佳狀態，因而頂煤回收率最高，達到88.7%，含矸率也控制在7.3%；當采用三采一放時，頂煤回收率過低，含矸率較低也是建立在“見矸關門”的基礎上，反而造成了大量的脊背煤損失。因此，最為合理的放煤步距是1.6 m，即兩采一放。

3.2 完善放煤工藝及提高管理水平

放煤方式對頂煤回收率、含矸率、工作面放煤速度、推進速度都會產生影響。在我國各大礦區，常用的放煤方式包括單輪順序放煤、單輪間隔多口放煤、多輪間隔順序多口放煤等。根據相應的統計分析結論及放煤經驗，綜合考慮8103工作面的煤層厚度、煤層硬度、采放比、放煤步距等條件，確定采用三輪分層順序放煤方式。同時，在生產過程中，注重支架工、放煤工的規范化操作管理，既要制定嚴格的放煤標準，如設定基礎的放煤輪數、每輪的放煤時間等，又要充分發揮工人的經驗和應變能力，合理采用“見矸關門”等標準，在控制含矸率的前提下，最大限度地多放煤，提高頂煤回收率。

4 結論

綜上所述，對于8103大采高綜放工作面，影響其頂煤冒放性的因素主要有支承壓力、煤體強度、夾矸層、液壓支架、采放比、放煤步距等，但在特定的地質生產條件下，若要提高頂煤冒放性和回收率，必須從改善放煤工藝和提高管理水平等方面入手。根據生產經驗及統計分析結果，8103工作面選擇放煤步距為1.6 m，采用三輪分層順序放煤方式，同時提高對放煤工藝的管理水平，可使頂煤回收率和含矸率達到最佳狀態，從而提高工作面回采的技術和經濟效益。