大分段小间隔多轮间隔放煤法在坚硬特厚煤层工作面的应用

2022-05-16杜谦

山东煤炭科技 2022年4期

杜谦

（晋能控股煤业集团马道头煤业有限公司，山西大同 037000）

放顶煤开采工艺因其高效、安全、低成本等优点成为我国厚煤层开采的主要技术[1]，而坚硬特厚煤层顶煤煤质坚硬，在放顶煤参数选取不合理的情况下，增加顶煤垮落难度，增大顶煤垮落块度，降低工作面回采率。本文以马道头煤矿8404 工作面为工程背景，根据煤层赋存条件研究确定合理的放顶煤参数，提高工作面回采率。

1 工程概况

8404 工作面开采3#～5#煤，煤层均厚20.5 m，由下方的5#煤层和上方的3#煤层共同组成，煤层倾角1°～12°，普氏系数f=3，煤层结构稳定，内生裂隙较发育。工作面埋深258～292 m，工作面东侧为北四盘区辅运大巷，西侧为铁峰铁路保护煤柱，北侧为规划中8403 工作面（未开采），南侧为8405 工作面（未开采）。表1 为工作面顶底板情况表。

表1 工作面顶底板情况表

8404 工作面属于坚硬特厚煤层工作面，直接顶较薄，若选取不合理的放顶煤参数进行回采，破碎的直接顶易过快落入放煤口，降低经济效益。

2 工作面顶煤放煤方式选择

2.1 8404 工作面顶煤放出规律分析

结合8404 工作面实际情况对其顶煤放出规律进行分析，进而选取合理的方煤方式。8404 工作面顶煤放出过程示意图如图1。

图1 顶煤放出过程示意图

由图1 可知，在工作面单轮和顺序放煤方式下，由于顶煤厚度大，1#支架上方大量顶煤破碎并放出，放煤漏斗体积增大，使3#支架上方顶煤体积减小。当1#支架放煤完毕，在3#支架顶煤放出过程中，放出体与直接顶接触面减少，支架顶梁的反复支撑力对放出体破碎效果大大减少，导致3#支架上方顶煤未完全破碎，放出体体积减小，放煤漏斗收缩，1#与3#支架上方的放出体及剩余顶煤畸形发育。在此情况下放煤，1#和3#支架放煤速度不一，1#支架放煤漏斗见矸后，3#支架放煤漏斗还会存在部分顶煤未放出，会增大含矸率，降低工作面回采率。因此，需选取合理的放煤方式提高工作面回采率[2]。

2.2 放煤方式选取

由8404 工作面顶煤放出规律分析可知，8404工作面在单轮放煤和顺序放煤方式下，放出体及顶煤易畸形发育，影响工作面回采率。因此，8404 工作面采用多轮间隔放煤，并在此基础上提出了大分段小间隔放煤法，其放煤过程如下[3]：

（1）面内大分段。将工作面按照5#～50#、51#～100#、101#～尾支架分为3 大区段，5#～50#支架为头部放煤段，51#～100#支架为中部放煤段，101#～尾支架段为尾部配煤放煤段。

（2）分段大间隔。在每个大分段内，各一级支架之间间隔3 台支架，间隔的3 台支架包括1 个二级和2 个三级支架。一个大间隔内包括2 个一级、1 个二级和2 个三级支架。8404 工作面放煤顺序示意图如图2。

图2 放煤顺序示意图

（3）段内小间隔。工作面支架进行放煤编号，编号规则执行分级、顺序双统一，即1 级支架对应“一”、2 级支架对应“二”、3 级支架对应“三”。如图3 所示，在1#～9#这9 个支架中，1#、5#和9#支架为一级支架，2#、4#、6#和8#支架为三级支架，3#和7#支架为二级支架。放煤顺序由先到后为一级、二级、三级，每两个相邻一级支架放煤结束后，再放二级支架，最后放三级支架。

综上所述，设计确定8404 工作面放煤方式采用大分段小间隔放煤方式，考虑到工作面长度及设备运行情况，头部放煤段及中部放煤段为正常放煤段，尾部为配放煤段，所有支架级数均实行“见矸关窗”的原则，每个区段内按照先放“一”后放“二”再放“三”的顺序放煤，每段小间隔内的放出体皆可充分发育并均匀放出，可有效增大工作面回采率。

3 放顶煤工艺参数分析

8404 工作面采用大分段小间隔放煤方式放煤后，再结合现场工程实际确定工作面的放顶煤工艺参数。

3.1 工作面放顶煤工艺参数

（1）工作面宽度和长度

① 工作面宽度。8404 工作面的2404 巷道和5404 巷道标高变化较大，煤流上山运输高差较大，且工作面所用前后刮板运输机设计长度260 m，考虑设备适应，确定工作面宽度为220 m。

② 工作面长度。受到县级公路保护煤柱的影响，确定8404 工作面长度为4137 m。

（2）采放比。考虑到8404工作面采煤机（SL-500型）及低位放顶煤液压支架（ZF17000/27.5/42D型）情况，确定工作面机采高度3.9 m，煤层厚度14.29～26.70 m，平均厚度16.55 m，因此，8404 工作面放煤高度为10.39～22.80 m，平均放煤高度为12.65 m，采放比为1:3.24。

（3）截深。8404 工作面煤厚14.29～26.70 m，平均16.55 m，基本支架ZF17000/27.5/42D，推移步距为0.8 m，根据已采工作面的开采经验，确定8404 工作面截深为0.8 m。

（4）放煤步距。放煤步距是指相邻两次放顶煤的间隔距离[4]。过大或过小的放煤步距都会影响工作面回采率及含矸率。依据北二盘区8203 工作面和8201 工作面等已开采工作面的情况，发现马道头北四盘区3#～5#煤层可以自行垮落，且“一刀一放”工艺所取得顶煤回采率最高而含矸量最少[5]。因此，根据3#～5#煤层实际抗压强度和煤层结构，并结合以往经验，确定采用“一刀一放”正规循环作业，即放煤步距为0.8 m。

3.2 放煤效果分析

（1）放煤效果预计。根据已确定的放顶煤工艺参数来预计工作面回采率。

工作面回采率计算如式（1）～（3）

式中：Qs为总煤量损失，t；QC为放顶前的损失量，80 707 t；Qm为末采损失量，121 060.5 t；Qf为工艺损失量，712 999.5 t；Qd为端头损失量，1 573 511.4 t；Q采为工作面采出量，t；Q可为可采储量，18 868 120.8 t；C为工作面回收率。

计算得总煤损失量Qs=80 707+121 060.5+712 999.5+1 573 511.4=2 488 283.4 t；Q采=18 868 120.8-2 488 283.4=16 379 837.4 t；工作面回收率C=16 379 837.4/18 868 120.8=86.8%。

（2）实际放煤情况。8404 工作面推进速度由相邻工作面的1 d 割6 刀提高到1 d 割8 刀，增加了工作面单产。矸石混入率为7%，提高洗选煤效率，大块矸石放出量减少，避免卡溜事故。在放煤过程中，各分段大间隔上方的放出体分布均匀，避免矸石过早窜入放煤口的现象，工艺损失量极大减少。8404 工作面动用储量为2 184.1 万t，采出煤量为2 009.4 万t，实际工作面回采率为92%，实际煤损量为174.7 万t。