塔山煤礦8234工作面頂煤冒放性分析及放煤工藝

邱曉念

(晉能控股煤業集團 塔山煤礦有限公司，山西 大同 037000)

受資源賦存特征影響，我國長期以煤炭為主要消費能源，支撐著國民經濟的快速發展。隨著煤炭需求量和開采強度不斷增加，賦存條件優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、效率高等優點，在國內各煤炭企業進行了大量應用[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理裂隙發育程度等[4-5]。

1 工程概況

塔山煤礦8234工作面位于二盤區西南部，東北側為設計的8232工作面、西南側為設計的8236工作面，均未掘進、開采，現為實煤區，東南以二盤區輔運巷為界，西北至二盤區與四盤區共同盤區邊界，四盤區未開采布面，周邊均無采動影響。8234工作面開采3～5號煤層，開采范圍內煤層結構復雜，煤層利用厚度為4.42～17.90 m，平均11.95 m，屬特厚煤層，煤層中含3～13層夾矸，平均8層，平均夾矸厚度6.1 m，巖性以煌斑巖、炭質泥巖、高嶺巖為主，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

塔山煤礦8234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進行求和，從而計算得到8234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，8234工作面頂煤冒放性隸屬度采用公式(1)計算[6]：

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8234工作面頂煤冒放性隸屬度μ(表1)，對比頂煤冒放性分類標準(表2)，進行分析8234工作面頂煤冒放性。

表1 不同因素隸屬度及其對應的權重

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塔山煤礦8234工作面頂煤冒放性，各評價因素對應的隸屬度取值及塔山煤礦8234工作面頂煤冒放性隸屬度計算結果見表3，根據計算結果，塔山煤礦8234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，分析認為塔山煤礦8234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 8234工作面布置及參數設計

基于塔山煤礦8234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劃分，確定8234工作面傾向長度為260 m.

2) 采高。8234工作面開采3～5號煤層，煤層利用厚度為4.42～17.90 m，平均11.95 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8234工作面采高為3.8 m，采放比為1∶2.14.

3) 截深的確定。8234工作面煤層賦存條件相對穩定，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，為提高循環產量，進一步發揮采煤機及工作面設備的效率，確定8234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3～5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。8234工作面可利用煤層厚度4.42～17.90 m，平均11.95 m，機采高度3.8 m，平均放煤高度為8.15 m.③頂煤垮落角度。根據礦井實際開采經驗，塔山礦3號～5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。在理想狀態下，取支架放煤口中心距支架后鉸接點的水平投影長度，8234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。塔山煤礦采用一面一策的放煤工藝，根據塔山煤礦8234工作面頂煤冒放性分析結果，結合礦井實際開采經驗，確定8234工作面采用多輪順序放煤工藝，如圖1所示。

圖1 放煤工藝示意

4 工程應用

塔山煤礦8234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、143架ZF15000/27.5/42D型放頂煤液壓支架，8234工作面平均煤厚11.95 m，采煤高度3.8 m，放煤高度8.15 m，采放比1∶2.14，循環步距0.8 m，放煤步距0.8 m.

在塔山煤礦8234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2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%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

塔山煤礦8234工作面開采3～5號煤層，開采范圍煤層平均厚度11.95 m，屬特厚煤層，采用隸屬度評價方法分析工作面頂煤冒放性。分析認為，塔山煤礦8234工作面頂煤冒放性一般。基于此，設計了塔山煤礦8234工作面相關參數。8234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8234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。