寺家莊煤礦15115工作面頂煤冒放性分析及放煤工藝

鄧燕華

(山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責任公司，山西 晉中 045300)

受資源賦存特征影響，我國長期以煤炭作為主要消費能源，支撐著國民經濟的快速發(fā)展，隨著煤炭需求量和開采強度不斷增加，賦存條件優(yōu)越的煤炭資源逐步開采殆盡，一些厚煤層煤炭資源的開采逐漸發(fā)展，據統計，我國厚煤層煤炭資源占比達45%左右，針對厚煤層煤炭資源開發(fā)利用，相關專家學者進行了大量研究與實踐，目前常見的厚煤層主要采用分層開采、放頂煤開采和大采高開采等方法，其中放頂煤開采具有成本低、效率高等優(yōu)點，在國內各地煤炭企業(yè)進行了大量應用[1-3]。放頂煤開采主要與頂煤冒放性密切相關，頂煤冒放性是指位于工作面頂部的煤體在礦山壓力的作用下，頂部煤體垮落、放出的難易程度，主要影響因素有煤層開采深度、頂板巖性、煤層厚度和強度、夾矸情況以及煤體節(jié)理裂隙發(fā)育程度等[4-5]。

1 工程概況

寺家莊煤礦15115工作面為中央盤區(qū)首個大采場、大傾向、大儲量工作面，該工作面位于中央盤區(qū)南翼，東鄰15116工作面(已回采)，西鄰15112工作面(已回采)，南鄰南二盤區(qū)盤區(qū)邊界，北側為中央盤區(qū)準備巷道。15115工作面開采15號煤層，平均煤層厚度為5.67 m，近水平煤層，走向長度為3 761 m，傾向長度為275 m，開采范圍內煤層結構復雜，煤層中含多層夾矸，采用綜合機械化走向長壁后退式一次采全高采煤工藝。工作面老頂為粗砂巖、礫巖，厚度6.00～14.59 m，平均厚度9.30 m，中厚層狀，鈣質膠結，成份主要以長石、石英為主，分選一般；直接頂為高嶺巖、泥巖、煤、砂質泥巖、粉砂巖，厚度6.19～17.11 m，平均厚度11.08 m；直接底為高嶺質泥巖、泥巖、煤，厚度2.50～11.00 m，平均厚度5.56 m；老底為粉砂巖、中砂巖、礫粗砂巖，厚度6.50～22.23 m，平均厚度15.50 m，以石英為主，長石次之，泥質和鈣質膠結，含暗色礦物，分選差，次圓狀。

2 頂煤冒放性分析

2.1 頂煤冒放性分析方法

寺家莊煤礦15115工作面頂煤冒放性分析采用隸屬度評價方法，按照不同評價因素的隸屬度及其權重(見表1)進行求和，從而計算得到15115工作面頂煤冒放性隸屬度，根據計算結果分析工作面的頂煤冒放性，15115工作面頂煤冒放性隸屬度采用公式(1)計算[6]：

表1 不同因素隸屬度及其對應的權重

μ=ΣAiμi

(1)

式中：μ為頂煤冒放性隸屬度；Ai為不同因素隸屬度的權重；μi為不同因素的隸屬度值。

根據公式(1)計算得到的15115工作面頂煤冒放性隸屬度μ，對比頂煤冒放性分類標準(表2)，進行分析15115工作面頂煤冒放性。

表2 頂煤冒放性分類標準

2.2 頂煤冒放性分析

采用隸屬度評價方法分析寺家莊煤礦15115工作面頂煤冒放性，各評價因素對應的隸屬度取值及寺家莊煤礦15115工作面頂煤冒放性隸屬度計算結果見表3，根據計算結果，寺家莊煤礦15115工作面頂煤冒放性隸屬度為0.73，對比表2頂煤冒放性分類標準，分析認為寺家莊煤礦15115工作面頂煤冒放性一般。

表3 各評價因素隸屬度取值及計算結果

3 15115工作面布置及參數設計

基于寺家莊煤礦15115工作面頂煤冒放性分析結果，確定工作面采用單一走向長壁后退式一次采全高低位放頂煤綜合機械化開采的采煤方法，采用一刀一放、多輪順序的放煤工藝。

1) 工作面長度。根據礦井開拓及盤區(qū)劃分，確定15115工作面傾向長度為275 m。

2) 采高。15115工作面開采15號煤層，煤層平均厚度為5.67 m，工作面采用SL-500型采煤機及ZF15000/27.5/42D型低位放頂煤液壓支架，綜合考慮煤層厚度、采放比、支架支撐高度及采煤機通過高度等因素，確定15115工作面采高為3 m，放頂2.67 m。

3) 截深的確定。15115工作面煤層賦存條件相對穩(wěn)定，工作面采用SL-500型采煤機及ZF15000/27.5/42D型低位放頂煤液壓支架，推移最大行程為0.9 m，為提高循環(huán)產量，進一步發(fā)揮采煤機及工作面設備的效率，確定15115工作面截深為0.8 m。

4) 放頂煤步距。合理的放煤步距有利于頂煤充分破碎，提高資源回收率、降低含矸率，放煤步距一般與支架放煤口的縱向尺寸相一致，與采煤機截深成整數倍關系[7]，合理的放頂煤步距主要與以下四個主要因素有關。①頂煤的第一次垮落破碎程度。頂煤在超前支承壓力的作用下產生二次節(jié)理、裂隙。當支架前移后，在上覆巖層壓力作用下自行垮落破碎。根據礦井實際開采經驗，開采范圍內15號煤層可以自行垮落，但塊度比較大，頂煤的第一次垮落破碎程度取0.7～0.8。②頂煤高度。15115工作面平均煤厚5.67 m，機采高度3 m，平均放煤高度為2.67 m。③頂煤垮落角度。根據礦井實際開采經驗，寺家莊礦15號煤層頂煤垮落角為75～85°。④支架放煤口中心距頂煤垮落面的水平投影長度。在理想狀態(tài)下，取支架放煤口中心距支架后鉸接點的水平投影長度，15115工作面基本支架ZF15000/27.5/42D，取水平投影距離1.5 m。

綜上所述，合理放煤步距介于一刀一放和兩刀一放中間，放煤步距設計采用一刀一放。

5) 放煤工藝。寺家莊煤礦采用一面一策的放煤工藝，根據寺家莊煤礦15115工作面頂煤冒放性分析結果，結合礦井實際開采經驗，確定15115工作面采用多輪順序放煤工藝，放煤工藝示意圖如圖1所示。

圖1 放煤工藝示意

4 工程應用

寺家莊煤礦15115工作面采用單一走向長壁后退式一次采全高低位放頂煤綜合機械化開采的采煤方法，采用一刀一放多輪順序的放煤工藝，工作面布置1臺SL-500型采煤機、1部PF6/1142型前部刮板機、1部PF6/1342型后部刮板機、151架ZF15000/27.5/42D型放頂煤液壓支架，15115工作面平均煤厚5.67 m，采煤高度3 m，放煤高度2.67 m，循環(huán)步距0.8 m，放煤步距0.8 m。

在寺家莊煤礦15115工作面回采期間，現場實測了工作面頂煤放出率和支架來壓情況，實測結果如圖2所示，由圖可以看出，工作面頂煤放出率和支架來壓數量整體呈正相關趨勢，工作面頂煤放出率隨支架來壓數量的增加而增加，當工作面支架來壓數量小于10%時，工作面頂煤放出率在65%左右，當工作面支架來壓數量在10%～50%范圍時，工作面頂煤放出率在75%左右，當工作面支架來壓數量大于50%時，工作面頂煤放出率在85%左右，整體來看，工作面回采期間，放煤效果良好。

圖2 工作面頂煤放出率和支架來壓情況

5 結 語

寺家莊煤礦15115工作面開采15號煤層，開采范圍煤層平均厚度5.67 m，屬厚煤層，采用隸屬度評價方法分析工作面頂煤冒放性，分析認為寺家莊煤礦15115工作面頂煤冒放性一般，基于此，設計了寺家莊煤礦15115工作面相關參數，15115工作面采用單一走向長壁后退式一次采全高低位放頂煤綜合機械化開采的采煤方法，采用一刀一放多輪順序的放煤工藝，在15115工作面回采期間，現場實測了工作面頂煤放出率和支架來壓情況，結果顯示，工作面頂煤放出率和支架來壓數量整體呈正相關趨勢，當工作面支架來壓數量大于50%時，工作面頂煤放出率在85%左右。