特厚煤层综放开采顶煤回收率影响因素及措施

2024-11-11刘江江周钰博宋永明

科技创新与应用 2024年32期

摘" 要：为解决特厚煤层综放开采煤炭资源回收率低的问题，以不连沟煤矿6号煤层为研究对象，分析影响特厚煤层综放开采煤炭资源回收率的因素，得出不连沟6号煤冒放性较好，采放高度合理，顶煤夹矸对放煤有一定影响。放煤工艺参数是影响顶煤回收率的主要因素。针对提高顶煤回收率的关键因素，提出优化放煤方式、放煤步距参数和精益化放煤技术措施，并进行现场应用，优化后F6207工作面顶煤回收率比原来提升了2.7%，应用效果良好。

关键词：特厚煤层；影响因素；回收率；顶煤；措施

中图分类号：TD823.49" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）32-0158-04

Abstract： In order to solve the problem of low recovery rate of coal resources in the fully mechanized mining of thick coal seams， the factors affecting the recovery rate of coal resources in the fully mechanized mining of thick coal seams were analyzed in the No. 6 coal seam of Bulian Gou Coal Mine. It was found that the No. 6 coal seam has good caving performance， reasonable mining height， and the presence of top coal gangue has a certain impact on coal mining. The coal discharge process parameters are the main factors affecting the top coal recovery rate. Aiming at the key factors to improve the top coal recovery rate， optimized coal discharge methods， coal discharge step parameters， and lean coal discharge technology measures were proposed and applied on site. After optimization， the top coal recovery rate of F6207 working face increased by 2.7% compared to the original， and the application effect was good.

Keywords： extra thick coal seam; influencing factors; rate of recovery; top coal; measures

特厚煤层综放开采技术发展迅猛，成为特厚煤层高产高效开采的重要方式，并在技术上取得了一系列系统的开创性成果，但对于综放开采一直面临的顶煤资源的回收率与含矸率的矛盾的难题始终未有效解决[1-3]。顶煤回收率高的同时，煤的含矸率相对也会增大，特别是特厚煤层放顶煤时，由于顶煤厚度大，还可能存在夹矸，容易造成工作面顶煤破坏差异，当顶煤硬度大、放顶煤工艺参数选取不合理时，顶煤冒放性变差，可能导致煤炭资源的损失。而过度要求高回收率时，顶煤放出含矸率高，煤质变差，经济效益降低。

针对特厚煤层综放开采顶煤的冒放性、放煤工艺及提高特厚顶煤的回收率并降低含矸率的难题，很多学者进行了研究，张向阳等[4]通过相似模拟试验、理论分析和数值模拟等方法，分析了末采期间顶煤回收率低的原因，并提出了爆破切顶工艺改变末采时的应力集中，有效提高煤炭资源回收效率。贺龙[5]针对综采放顶煤开采工艺的技术特点，提出了有效提高综放工作面回采率的措施。还有学者通过三维试验、数值模拟及现场试验等方法分析了遗煤机理、放煤口和放煤步距等参数对放煤的影响[6-7]。但对影响特厚煤层综放开采顶煤回收率的因素缺乏系统的分析，本文以不连沟煤矿6号煤层为研究对象，详细分析了影响特厚煤层综放开采煤炭资源回收率的因素，针对影响顶煤回收率的关键因素，提出了优化技术措施，并进行了现场应用，提高了顶煤回收率。

1" 工程概况

不连沟煤矿F6212工作面位于矿井二盘区东翼，工作面走向长度1 391 m，倾斜长度240.3 m，煤层倾角平均5°，煤层平均厚度18.5 m，埋深平均260 m。巷道为双巷布置，主运顺槽、辅运顺槽，采用煤层走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤工艺。工作面回采6号煤，煤层夹矸层数为3—22层，夹矸厚度叠加平均达到2.63 m，岩性基本为泥岩、砂质泥岩等，6号煤层夹矸柱状图如图1所示。

F6212工作面直接顶为泥岩、砂质泥岩，平均厚度为2.76 m，基本顶为粗砂岩，平均厚度3.18 m，直接底为泥岩，平均厚度为1.0 m，基本底为粗砂岩，平均厚度为9.13 m。通过对煤岩层力学参数实验室测试，6号煤层单轴抗压强度为10.13 MPa、单轴抗拉强度为0.66 MPa，煤层抗拉强度、抗压强度均比较低，煤层偏软，易破碎并冒落，泥岩或砂质泥岩夹矸层的单轴抗压强度7.7～29 MPa，比煤层稍硬或接近，有利于放顶煤开采工艺。

2" 特厚煤层综放开采煤炭回收率影响因素

影响特厚煤层综放开采煤炭资源回收率的因素较多，整体上可以将其归纳分为两大类，一类为煤岩体固有属性及赋存条件影响因素，另一类为综放工作面开采参数及技术影响因素。第一类影响因素属于地质赋存因素，是煤岩体的固有属性，基本无法改变，主要是通过分析煤岩体物理力学特性，判断煤层的冒放性，确定合理的开采参数。而第二类影响因素主要涉及放煤参数和开采工艺，可以通过人为干预改变，其是提高特厚综放开采煤炭回收率的关键因素。

2.1" 煤岩体固有属性及赋存条件影响因素

2.1.1" 煤体强度

煤体强度是煤层本身的固有属性，单轴抗压强度是岩体抵抗单向压力的能力，一定程度反映了抗破碎的能力，将其应用于顶煤的冒放性上，则煤层单轴抗压强度越大，冒放性越差，顶煤资源回收率越低。

煤体单轴抗压强度（Rc=f/10，f为普氏系数）对顶煤的破坏过程和破碎程度与煤体的垮落角有密切的联系，根据综放工作面开采现场实测，顶煤的单轴抗压强度越大，即普氏系数越大，煤体的垮落角越小，对顶煤的放出越不利，煤体单轴抗压强度与垮落角的关系如图2所示。

不连沟煤矿6号煤层单轴抗压强度为10.13 MPa，即煤体的普氏系数大约为1.0。由图2可知，6号煤层顶煤垮落角约为100°，因此6号煤层顶煤冒放性较好。

2.1.2" 煤层赋存深度

综采放顶煤工作面顶煤的破碎放出主要依靠煤体超前支承应力的作用，而煤层赋存深度直接影响着原岩应力的大小，同时也会对工作面回采期间的超前支承应力大小产生影响。由于顶煤在矿山压力及支架作用下变形破碎效果越好，冒放性越好，当煤层埋藏深度越大时，顶煤的临界破碎条件越容易达到。根据6号煤层顶煤单轴抗压强度和煤层埋深条件，基本满足综放开采顶煤破碎的要求，但放顶煤时可能存在不充分破碎、大块现象，对顶煤回收率会产生一定的影响。

2.1.3" 顶煤节理裂隙

一般岩体都会存在天然的节理和裂隙，而这些弱面和构造的存在对顶煤冒放性有很大的影响。不连沟煤矿煤层脆性差，强度低，结构复杂、夹矸层数较多，但夹矸强度低。在顶板压力作用下，节理裂隙发育，顶煤主弱面与压力相互垂直、平行或斜交，从现场巷道及煤壁来看，煤层裂隙发育好，具有良好的冒放性，工作面顶煤垮落较充分。

2.1.4" 顶煤夹矸

顶煤夹矸对冒放性的影响主要体现在夹矸层位、夹矸厚度、夹矸层数及夹矸岩性及强度等。夹矸层位对顶煤冒落的影响较大，在受到上覆载荷作用时，夹矸层对其下部的煤体具有一定的保护作用，夹矸层位于顶煤层的下位时，顶煤受矿山压力作用裂隙较发育，在实际生产过程中，应通过加大支架反复支撑破碎顶煤及夹矸。

夹矸层厚度越大，对顶煤冒落越不利。根据夹矸对顶煤冒放性影响，可以将夹矸层厚度分为3类，即小于0.5 m为薄夹矸层；0.5～1 m为中厚夹矸层；大于1 m为厚夹矸层。通过现场观测证明，一般薄夹矸层比较容易冒落，而厚度大于1 m的夹矸，冒落的矸石为块状，当直径大于1 m时，容易堵塞放煤口，影响放煤效率和顶煤的放出率。

虽然不连沟煤矿6号煤层结构较为复杂，夹矸平均达9层，平均厚度2.63 m，夹矸的岩性多为泥岩、砂质泥岩、黏土岩，但夹矸层的强度与煤层接近或稍硬，稳定性较差，从现场放煤情况来看，夹矸破碎充分，不易形成大块，对上部顶煤的放落没有造成显著影响。

2.1.5" 顶板条件

根据勘探钻孔揭示的6号煤层顶板赋存情况，6号煤层顶板以细砂岩、砂质泥岩和中砂岩为主，且单层厚度大，最大182.65 m，厚岩层距离6号煤层约10 m，因此，直接顶厚度不能满足最低充填要求。但直接顶强度不大，砂质泥岩6.5～48.9 MPa，中砂岩17～29.6 MPa，细砂岩18～33.7 MPa，属于软-中硬岩层，基本能够及时冒落。但直接顶为泥岩、砂质泥岩，强度低，破碎充分会造成放煤时含矸率增加。

2.2" 综放开采参数及技术影响因素

综放开采参数及技术影响因素主要有采放比、工作面尺寸参数、放煤方式、推进度和放煤步距等，而对于技术而言，放煤方式和生产组织是关键因素。

2.2.1" 采放比

不连沟煤矿综放工作面采煤高度为4 m，采用低位支架放煤，放煤口距底板高度为0.3 m，结合煤的松散系数，以1.25计算，得出综放工作面的采煤和放煤的高度比最大不超过3.7。目前不连沟煤矿综放工作面6号煤层厚度为6.25～35.50 m，平均为16.54 m，采放比为1∶3.14，采放高度较合理。但针对局部煤层厚度超过20 m的区域，采放高度比突破理论值3.7，为了避免上位顶煤不能及时破碎放落至放煤口，需根据煤厚分类采取特定的放煤工艺模式，以提高资源回收率。

2.2.2" 放煤方式

放煤方式对顶煤的放出率至关重要，是在同一循环进尺内放煤支架的放煤轮次和顺序，目前主要方式有单轮顺序、单轮间隔、2轮顺序和2轮间隔4种放煤模式，根据现场统计单轮顺序和单轮间隔2种模式下，顶煤放出率和含矸率见表1。

2轮顺序放煤与单轮顺序放煤比较相似，只是放煤次数增加一次。但2轮间隔放煤是通过每个放煤口见矸的时间差异，关闭相应的放煤口，并进行下一组支架的放煤工作。对比2轮顺序放煤和2轮间隔放煤，回收率及含矸率统计情况见表2。

通过以上4种放煤方式的对比分析，采用多轮放煤和间隔放煤对于提高顶煤回收率和降低含矸率有益，不连沟煤矿特厚煤层综放开采时，最佳放煤方式为多轮间隔放煤。

2.2.3" 放煤步距

按工作面宽度240.3 m，煤体容重1.35 t/m3，在推进长度1.6 m条件下，放煤步距0.8 m比1.6 m理论计算多回收煤炭资源694 t。可见，不连沟煤矿特厚煤层综放开采，放煤步距1.6 m比放煤步距0.8 m存在更多的脊背煤损失，损失率约8.9%。根据现场实际试验观测，采用“一刀一放”工艺时，跟踪放煤过程未发现采空区矸石大量进入后部刮板输送机现象。特厚煤层综放开采同样采用“一刀一放”工艺，现场应用较好，因此，建议不连沟煤矿采用“一刀一放”工艺，循环放煤步距0.8 m。

2.2.4" 推进速度

工作面推进速度越快，越有利于工作面矿压控制，有利于顶板管理，同时加快工作面的推进速度，也可以有效防止采空区遗煤的自然发火。支架循环末阻力与工作面推进速度的关系如图3所示。

由图3可知，随着工作面日推进度的增大，支架循环末阻力逐渐减小，即推进度越大，矿压越小，越有利于顶板控制，但同时对顶煤破碎作用减弱。根据统计采用一采一放、多轮顺序放煤，酸刺沟煤矿综放工作面最小日进尺5.5刀，最大12.5刀，平均日进尺8.8刀。不连沟煤矿统计F6107工作面日进尺3.5～8.7刀，平均6.2刀。不连沟煤矿综放工作面推进速度偏慢，通过优化放煤工艺和调整放煤工数，可确定合理的推进速度。

3" 提高煤炭资源回收率的技术措施及应用

3.1" 提高煤炭资源回收率的技术措施

3.1.1" 合理放煤方式的优化

不连沟煤矿6号煤层厚度变化大，最小厚度6.25 m，最大厚度35.50 m，平均厚度16.54 m，割煤高度4 m，但不同工作面、同一工作面不同开采阶段和同一工作面不同支架位置的采放比均有不同程度的变化。采用等量、多轮放煤方式能够有效提高顶煤回收率，并降低煤的含矸率。根据不连沟煤矿顶煤特性及顶煤冒放性影响因素，提出将原来的割2刀煤，放一轮煤的放煤工艺，改为割1刀煤，多轮放煤的放煤工艺。

3.1.2" 放煤步距参数优化

从提高顶煤资源回收率的角度考虑，减小顶部脊背煤的损失，将放煤步距由原来的1.6 m调整为0.8 m。根据以往现场放煤口关闭，煤流中的矸石含量比例过大，放煤口的关闭偏晚，提出优化放煤工关门时机，将放煤口关闭时机调整为在煤流中见矸比例不超过50%，有效降低含矸率。

3.1.3" 精益化放煤

现场放煤工艺及技术过于保守，提出精益化采煤，一是采取初采分时段放煤技术，即在直接顶初次垮落后到基本顶初次垮落前这一段放出顶煤厚度的1/2，限后放顶煤，之后再进行正常放煤，增加煤炭回收率。同理，在末采阶段采用限厚放煤方式，将原来50 m不放顶煤改为末采阶段50～30 m进行限厚放煤，剩余30 m不放煤。同时建立完善班组放煤制度，严格执行放煤工艺参数进行操作，进行精益化采放煤。

3.2" 现场应用

将提高煤炭资源回收率的技术措施应用于F6207综放工作面现场，实施割1刀煤，多轮放煤的放煤工艺，并严格按制度放煤，控制放煤过程中采空区矸石进入后溜，优化后F6207工作面顶煤回收率由69%提高为101.5%，含矸率为21.2%，纯煤炭资源回收率为81.7%，比原来提升了2.7%，应用效果良好。

4" 结论

将影响特厚煤层综放开采煤炭资源回收率的因素归纳分为2大类，一类为煤岩体固有属性及赋存条件影响因素，另一类为综放工作面开采参数及技术影响因素。

通过分析影响特顶煤回收率的影响因素，得出不连沟6号煤冒放性较好，采放高度合理，顶煤夹矸对放煤有一定影响。放煤工艺参数是影响顶煤回收率的主要因素，并可通过优化提高放煤回收率。

针对提高顶煤回收率的关键影响因素，提出了优化放煤方式、放煤步距参数和精益化放煤技术措施，并进行了现场应用，优化后F6207工作面顶煤回收率比原来提升了2.7%，应用效果良好。

参考文献：

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