提高东峰矿井放顶煤回采率的技术研究

庞东林

(山西兰花煤层气有限公司，山西　晋城　048000)



·技术经验·

提高东峰矿井放顶煤回采率的技术研究

庞东林

(山西兰花煤层气有限公司，山西晋城048000)

摘要放顶煤工作面回采率较低一直是放顶煤开采技术的难题，本文以东峰煤矿一采区3105放顶煤工作面为工程背景，针对该矿回采工作面回采率低、原煤含矸量较大的问题，结合实际，分析了影响工作面放顶煤回采率和煤质的主要因素。提出了加长工作面长度，减少初采和末采的放煤距离，同时采用3种放煤步距对3105工作面进行试验，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。采用几种方法相结合的技术措施，工作面回采率可提高至85.7%，可为该矿以及周边矿井实际生产提供参考。

关键词矿井；放顶煤；初、末采；放煤步距；回采率

我国能源主要以煤炭为主，80%的煤炭都来自井工煤矿开采。井工煤矿受地质条件的限制，资源回采率通常较低，造成了资源浪费。特别是我国近些年大力推广的放顶煤采煤法，虽然解决了厚煤层开采的难题，但是顶煤回收率较低，工作面回采率较低，导致资源浪费较多[1],是一个急需解决的问题。

东峰煤矿位于山西省高平市境内，批准开采3～15号煤层，井田面积为15.51 km2，生产规模为1.2 Mt/a，该矿目前在一采区布置有1个综放工作面和2个综掘工作面，采高2.6 m，放煤3.36 m，采放比1∶1.3.

1井田概述

该矿井田位于沁水煤田野川精查区，地层倾角1°～7°，井田内断裂构造较发育，地表及三维地震勘探发现有11条断层，27个陷落柱，地质构造简单，水文地质条件中等，瓦斯等级是高瓦斯矿井。

该矿主采的3号煤层赋存于山西组下部，煤层厚度4.63～6.62 m，平均5.96 m，是低灰、特低硫、高热值的无烟煤，是我国特有的稀有煤种，市场销售较好，经济效益较高，因此，有必要提高工作面的回采率，避免浪费资源。

3号煤层伪顶是黑色薄层状砂质泥岩或泥岩，厚0.10～0.30 m.直接顶板是灰白色中厚层状中粒砂岩，局部为粉砂岩或细粒砂岩，厚1.50～16.07 m，平均厚7.26 m，结构松软，吸水易软化，强度较低。老顶多为粉砂岩，灰白色，质较坚硬，厚3.53～17.70 m，平均7.54 m，不规则裂隙发育。煤层直接底板以泥岩、砂质泥岩为主。含植物根茎化石及炭质碎屑，平均厚3.62 m.

该矿一采区的3101、3102、3103和3104工作面已回采结束，目前正在回采3105工作面，根据对工作面的回采储量和实际采出煤量的分析，该矿工作面实际的回采率仅有75.8%，远低于国内厚煤层平均85%的回采率。鉴于目前煤炭市场不景气，为提高经济效益，该矿提出了提高回采率和原煤煤质的要求。

各工作面放顶煤回采率见表1.

23号煤层放顶煤开采条件分析

2.1煤层埋藏深度

根据放顶煤的回采经验，开采深度对顶煤的冒放性有重要影响，顶煤随开采深度的增加冒放性提高，该矿一采区3号煤层埋藏深度处于150～200 m，该埋藏深度较低，会降低该矿的顶煤冒放性。

表1　回采工作面放顶煤回采率统计表

2.2开采煤层厚度和硬度

根据放顶煤的回采经验，结合最新的回采设备，煤层厚度在5～15 m时，采用放顶煤技术，会取得较高的回采率。该矿3号煤层平均厚度5.96 m，采用放顶煤方法开采，有利于顶煤的冒放[2].

煤层硬度是影响顶煤冒放性的关键因素，该矿3号煤层单轴抗压强度13.7 MPa，单轴抗拉强度0.84 MPa，属中等硬度煤层，煤层节理、裂隙发育，顶煤呈圆拱式冒落，椭柱体放出，顶煤垮落角67°，放出率75.8%，根据现场记录，顶煤容易冒落。

2.3夹矸对放顶煤开采的影响

3号煤层含0～3层泥岩及炭质泥岩夹矸，硬度比较小，厚0～0.8 m，平均0.15 m，不会形成大块煤堵塞放煤口，只要选择合适的采放比，夹矸对顶煤开采影响不大。

2.4顶板条件对顶煤冒放性影响

3号煤层的直接顶和老顶是影响顶煤冒放性的主要因素。直接顶为3 m左右的粉砂岩、砂质泥岩，单轴抗压强度为30.3 MPa，单轴抗拉强度为4.8 MPa，在回采中会随采随落，对顶煤冒落没有影响。老顶为粉砂岩、细砂岩及中粒砂岩，厚度为2.5～7.69 m，经岩样力学分析测试，老顶的单轴抗压强度为92.0 MPa，单轴抗拉强度为9.5 MPa，属中等坚硬顶板，对顶煤的冒放会产生不利因素。

3影响顶煤回收率的因素分析

3.1工作面设计尺寸及设备选型的影响

影响综采工作面回采率的另一个因素是采区内部的煤柱的大小。采区内部的煤柱主要有巷道保护煤柱和村庄保护煤柱。因此，合理调整工作面长度，可以减少保护煤柱的尺寸，增大回采储量，提高整个矿井的回采率[3].

3.2工作面初、末采及端头的影响

1) 初采和末采顶煤损失量分析。

该矿在工作面回采时期，由于顶煤悬露面积小，为保证工作面人员设备安全，防止顶板垮落对采煤工作面造成威胁，回采面推进12 m后才开始初次放煤，造成了初采阶段顶煤的损失。

在工作面推进至回采工作面附近时，为保证回采设备能够安全撤出，该矿在至停采线15 m范围内不采放顶煤。

该矿初采末采阶段，顶煤损失按下式计算，得每一个工作面初末采损失0.02 Mt.

式中：

Q—顶煤初末采损失量，t；

d1—初次放煤距离，m，取12；

d2—末采时留顶煤距离，m，取15；

l—工作面放顶煤长度，m，取140；

γ—煤体容重，t/m3，取1.42；

H—顶煤高度，m，取3.36.

2) 工作面端头顶煤损失量分析。

回采工作面的上下端头处有大量机械设备，同时也是工人工作的主要地点，为了保证安全，回采工作面上下端头不放顶煤。

上下端头损失量可按下式计算，通过计算，端头损失煤量是0.05 Mt.

式中：

Q—工作面上下端头顶煤损失，t；

L—工作面走向推进距离，m，取1 200；

γ—煤体容重，t/m3，取1.42；

l—端头不放煤距离，m，取5；

h—顶煤高度，m，取3.36；

β—顶煤垮落角，(°)，取60.

单个工作面的平均回采储量是1.52 Mt，单个工作面初采、末采和端头顶煤损失量是0.07 Mt，占回采储量的4.6%，占比较大，导致工作面回采率降低。

3.3现场管理对回采率的影响

综放工作面的原煤生产与普通的综采工作面不同，技术性较强，同时还需要各工种的配合。因此，工作人员需要提前培训，在保证安全的前提下最大量放出顶煤。

3.4放煤步距对回采率的影响

放煤步距的大小，影响顶煤的回收量和回采工作面的总体煤质，在实际生产中，如果放煤步距太小，采空区后方的矸石和顶煤一起进入放煤口，造成原煤含矸量过大，影响煤质，从而影响经济效益。

放煤步距太大，采空区上部的矸石首先到达放煤口，使顶煤留下较大的三角煤很难放出，导致回采率降低，同时采空区遗煤还容易自燃，给安全管理带来较大的隐患。不同放煤步距对顶煤冒落的影响见图1.

1，2，3—放煤步距引起的三角煤损失图1　放煤步距与煤炭损失示意图

4提高顶煤回收率的技术措施

4.1工作面走向长度的改进措施

该矿井回采工作面长度现为150 m，目前，我国许多大型矿井回采工作面长度都在200 m左右，因此，该矿回采工作面可以优化，加大单个工作面长度，减少工作面个数，以减少巷道保护煤柱，增加矿井回采率。结合该矿井的生产能力和设备装配情况，下一工作面长度定为200 m.

该矿端头支架和过渡支架，目前采用的是不放顶煤的支架，可以选用机头过渡快、高度低的侧卸式后部刮板输送机，同时取消现有的过渡支架，配备可以放出顶煤的端头液压支架。该方式具有易实现、见效快、投资少、改动小等优点[4].

4.2工作面初、末采改进措施

根据矿井实际生产经验，回采过后，直接顶呈悬臂梁状态，随支架前移，能够顺利垮落，根据相邻工作面记录数据，直接顶跨落步距平均为10 m，老顶初次来压步距为20 m，老顶周期来压为11～13 m.

工作面初采时，顶煤受矿压影响较小，顶煤欲裂程度较差，在该阶段回采，可以采取深孔爆破或者提前预注水措施[5].对开切眼附近的煤层和顶板实施软化工作，使顶煤提前破碎冒落，通过改进初次放煤距离可以减少到5 m.

工作面回采结束时，加强矿压观测、顶煤破裂和冒落特征，尽量减少末采时不放顶煤距离。

4.3选择合理的放煤步距

目前，该矿采取“一采一放”的方式放顶煤，原煤的含矸量较大。本文分别采取“一采一放”“两采一放”和“三采一放”技术方案，通过分析平均产量、含矸量和回采率指标，确定矿井最佳的放煤步距[6].

本次选取3105工作面为研究对象，工作面走向长度200 m，推进长度1 000 m，放顶煤长度190 m，采高2.6 m.分别以0.6 m、1.2 m和1.8 m步距放煤，回采率见表2.

表2　回采工作面放顶煤回采率统计表

5结论

基于东峰煤矿目前主采3号煤层的资源条件，在矿井现有回采设备的基础上，通过减少初采放煤距离和末采放煤距离，加大工作面长度，优化工作面合理放煤步距，提高顶煤回收率。得出该矿初采放煤距离最少可留设5 m，减少初采遗煤；改进后部刮板输送机，换用可放煤的端头支架，减少端头的遗煤；采用1.2 m的放煤步距，能够提高工作面回采率，降低原煤含矸量。根据试验，工作面回采率可提高至85.7%，达到国内平均水平。

参考文献

[1]赵志强，高洋，汪昕,等.我国煤炭资源开采回采率问题研究[J].煤矿现代化,2011(1):5-7.

[2]闫卫国.提高放顶煤工作面回采率的技术实践[J].洁净煤技术,2013,19(4):122-124.

[3]侯庆凯.提高放顶煤开采回采率的主要途径[J].煤炭技术，2005,24(4):71-72.

[4]商铁林.综放工作面放顶煤采出率研究[D].西安:西安科技大学,2009.

[5]尹振云,王春林.综放工作面深孔爆破强制放顶的实践[J].煤炭科技,2010(2):49-50．

[6]赵辉.赵庄二号井大采高钻式综采工作面矿压显现规律研究[D].焦作:河南理工大学,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

中图分类号：TD823.4+98

文献标识码：A

文章编号：1672-0652(2016)02-0016-04

作者简介：庞东林(1962—)，男，山西泽州人，2014年毕业于河南理工大学，工程师，主要从事煤矿、煤层气管理工作(E-mail)841600247@qq.com

收稿日期：2016-01-26