综采工作面提高放顶煤回采率的分析研究论

综采工作面提高放顶煤回采率的研究分析

摘 要：我国缓倾斜厚煤层使用放顶煤技术开采的工作面,其回采率低是普遍存在的问题,通过对综放面煤量损失构成的原因进行分析, 探讨并提出提高综放面回采率的几种措施。

关键词：综放 回采率 初采 采放工艺

1 概述

煤炭是一种不可再生资源,是国家的宝贵财富。合理开采和利用煤炭资源是我国煤炭工业的一项重要技术政策。我国缓倾斜厚煤层分布广泛,储量丰富,所以,提高其回采率,减少煤炭损失意义非常重大。目前开采这些煤层的方法主要有分层开采,一次采全高和放顶煤开采三种方法。

我国引进综采放顶煤工艺技术20多年以来，取得了较大的经济效益。然而统计资料表明，仍有一些矿井综放工作面的回采率较低，有的不到75%，造成了一定数量的煤炭资源损失。回采率偏低和指标不稳定仍是目前综放开采工艺中需要解决的问题。但是以其高产、高效、掘进率低、成本低、经济效益好等优点,已逐步成为我国厚煤层的主导采煤方法,山西大同、阳泉、潞安、汾西、轩岗、晋城等局采用此方法都取得显著的经济效益。1999年山西共有综放队23个,其中12个超百万吨。回采产量达2072万t,平均工作面18. 54个,平均单产93145 t/个·月,工作面效率42.48 t/工。工作面平均回采率80.35 %,低于国家规定4.65个百分点。

合理开采,充分利用煤炭资源,提高采出率是我国煤炭工业一项重要技术政策。综合机械化放顶煤工艺因其对厚煤层开采具有安全、高效、低消耗,高产出的特点,已成为我国厚煤层开采的主要采煤方法之一。

2 放顶煤工作面回采率的计算

采区和工作面回采率，是综采放顶煤的一项重要技术经济指标，也是评价综合机械化放顶煤开采成功与否的重要尺度。在综采放顶煤工作面，其实际的开采高度一般难以通过实测确定。由于计算参数难以准确测量，采出煤量的准确性也就是很差。因此，在无法测出实际采高和采出煤量时，采用改正后的统计产量来代替计算产量是比较切合实际的计算方法。

2.1 综采放顶煤工作面回采率的计算

1、工作面可采储量（Qs，t）：

Qs?abM?

公

式 （2-1）

式中： a——工作面走向实测长度（不包括切眼），m；

b——工作面实测长度（不包括上、下巷道宽度），m； M——工作面实测平均厚度，m； γ——煤的容重，t/m3。

2、工作面采出煤量的计算：

放顶煤综采工作面的实际采出煤量，在不能测算实际采出煤量时，可以采用统计产量代替，但需要进行水分、灰分和矸石量改正。实际采出煤量（Q1，t）：

Q1?Q2

100?y2?y3?y4????1?y6?1???100?y1?y5?y3?式 （2-2）

公

式中： Q2——统计产量，t； y1——煤样水分，%；

y2——原煤全水分，%； y3——原煤灰分，%； y4——煤样灰分，%； y5——矸石灰分，%； y6——原煤含矸率，%。

3、工作面煤量总损失量（Q3，t）：

Q3?Qs?Q1 公

式 （2-3）

4、工作面回采率的计算： 工作面回采率（ Sf）：

Sf?Q1?100%Qs 公

式 （2-4）

工作面煤炭损失率（Sf`）：

Sf`?1?Sf 公

式（2-5）

2.2 放顶煤综采采区煤炭回采率计算

1、采区回采率（Sp，%）：

Sp?Q1`?100%Qs` 公

式（2-6）

式中： Q1`——改正后的采区产量，t；

Qs`——采区可采储量，t。

2、采区煤炭损失率（Sp`，%）：

S`?1?Sp p

（2-7）

3、采区采出煤量（QT）：

采区采出煤量（QT）为采区内各工作面实测产量与采区巷道掘进煤量的总和，其计算方法如下：

QT??Q1i??Q2ii?1i?1nn公 式

公

式（2-8）

式中： ∑Q2i——巷道掘进出煤量，t；

∑Q1i——采区工作面改正煤量总和，t。

4、巷道掘进煤量可用下式计算：

Q2i?AiLi?

式（2-9）

式中： Ai——煤巷断面积，m2；

Li——各煤巷长度，m。

放顶煤综采采区的煤炭损失主要有：工作面内各类煤炭损失，如工作面初采、末采损失量，工作面端头、端尾损失量，支架放煤口脊背损失量以及其他各种工艺过程中的煤炭损失量等。还有工作面以外的各类煤柱损失，其他不可预见的损失。在实际统计煤量时，往往出现统计产量与计算产量间有严重差别，即采出煤量出现涨吨现象，涨吨量抵消回采中的各类损失，造成工作面回采率偏高。因此，对统计产量一般应除以1.1倍的涨吨系数。

公

3 综采放顶煤的煤炭损失分析

任何开采方法,无论先进程度如何都不可能将井下煤炭资源百分之百地采出来,总要有一部分遗留在井下,造成一定量的损失。国家规定:厚及特厚煤层的采区回采率应≥75%。采区内的煤炭损失可分为二部分:护巷煤柱损失和工作面内的回采失。

3.1 护巷煤柱损失

留设区段煤柱是巷道维护的一种手段,在影响回采巷道稳定的诸因素中,煤柱宽度的影响十分突出,煤柱宽度太大,固然对区段平巷维护有利,但资源浪费却十分严重,煤柱尺寸太小,区段平巷难以维护,生产很不安全,对此,各矿应结合具体条件确定。

3.2 综放工作面内的回采损失

综采放顶煤是一种特殊的采煤工艺,其回采工作面内的煤碳损失与传统的分层开采相比,除了相同的部分外,还有以下几项不同的部分。 3.2.1 初采损失量

综放工作面的顶煤冒落是依靠矿山压力和支架的反复支撑作用来实现的。煤层的可放性是由顶煤的破碎度来衡量的,顶煤的初次垮落要等到顶板岩石垮落以后才开始进行,是被动等待矿山压力的作用,这样会造成从开切眼到顶板初次垮落的这段距离的顶煤的丢失。为了使直接顶及时冒落,自开切眼开始就应放出顶煤,但是为防止直接冒落对采场支架造成冲击危害,应控制顶煤的放出量。其方法是在掘进开切眼时,沿开切眼全长铺设顶网,宽约6~7m,防止开切眼顶煤冒落,冲击支架。这一部分煤由于金属网的阻挡,仍不能从天窗放出而丢弃在采空区。密度设计和现场施工。

在顶煤初次垮落以前，高度为h1的顶煤全部丢失。当顶煤初次垮落步距为s1时，其损失量按下式计算：

N1?s1*l*h1*?

公

式（3-1）式中： N1——顶煤初次垮落前的损失量，t； s1——顶煤初次垮落步距，m； L——工作面长度，m； h1——顶煤厚度，m； γ——煤体的容重，t/m3。

在顶煤全部垮落而直接顶尚未垮落的情况下，当支架移动一个放煤步距s后，高为h1的顶煤，垮落后其横截面积可以表示为h1*s。由于直接顶尚未垮落，顶煤垮落后按安息角呈自然堆积，此时冒落的顶煤尚未形成放落漏斗，只能放出堆积体积线以上的落煤，其下部分全部丢失。其损失量按下式计算：

N2?l*?*?s2?s1?*sin?*?b?b2?2h1s??

公

式（3-2）

式中： N2——顶煤初次垮落后至直接顶垮落前的顶煤损失量，t； L——工作面长度，m； γ——煤体的容重，t/m3； s1——顶煤初次垮落步距，m；

s2——直接顶初次垮落步距，m；

b——支架掩护梁长度，m； h1——顶煤厚度，m； α——散煤自然安息角；

则工作面的初采损失为：

Nc?N1?N2

图1 顶煤初采损失计算图

为了给支架安装创造条件，防止开切眼顶煤冒落，掘进时就铺设顶网，其长度等于开切眼的长度，宽度6-7m。这一部分煤由于金属网的阻挡，不能从天窗放出而丢弃。其损失量占采区总损失，最大为4.66%，最小为2.48%，平均为4%；占采区回采率的1%左右。 3.2.2 末采损失量

终采损失即工作面收尾时的顶煤损失。综放工作面的收尾方法有二种,一种是在距停采线一定距离内(一般10~25m),顶煤不再放出,以便保证设备回撤区内的顶板及顶煤稳定;另一种是爬顶板回收,即使工作面以8°~10°的坡度由煤层底板爬到顶板岩层下方,并到达停采线(该法在顶板松软条件下使用)。无论那种方式,都会造成顶煤的一定损失,且其损失量与工作面长度成反比例关系。

末采损失量与顶煤的物理特性无关，只与顶煤的厚度和工作面长度有关：

Nm?l*h1*s3*?

公 式（3-3）

式中： Nm——末采损失量，t；

L——工作面长度，m；

h1——顶煤厚度，m；

（7）实行采、放平行作业和利用采煤机工艺性停割间隙放顶煤的方式,保证充足的放煤时间把顶煤放净。

4.6 健全计量管理,加强监督检查

放顶煤的计量管理是提高采出率途径的重要部分,也是难度大、人为因素多的一项工作。因为其实际采高与储量无法丈量,顶煤是否放净又看不见,所以健全计量管理、加强监督检查尤为重要。

1)要有健全的准确探煤厚度。阳泉矿务局的做法是掘进顺槽巷道时,10 m~15 m探一次煤厚,工作面每推进10 m~ 15 m再探一次,以确定真实储量,为回采率计量提供依据。

2)采出量在丈量进度测算的同时,使用核子称和出车数计量,三个方面的结合,能有效保证采出量的真实性。

3)放煤管理方面,一是地测部门配备专人现场跟班监督检查;二是制定调动放煤工积极性的经济政策,如以放煤量计算工资等;三是配备高素质的放煤工。 4)加强回采率的测算与分析管理,保证回采率数据的真实性,并及时发现问题,予以纠正。

5)制定回采率考核制度,做到责任明确,奖罚分明,促进综放回采率的管理工作。

5 提高综放面回采率的措施

针对以上情况,要想使厚及特厚缓及倾斜煤层的采区回采率达到国家规定的≥75%的要求,就必须对上述的一些煤炭损失进行严格控制。建议采取以下主要措施来提高综放面的回采率：

5.1 改善采区设计，合理布置巷道

适当加大工作面走向长度和工作面长度，减少区段煤柱，减少端头损失及初、末采损失。从而减少采区煤柱损失，提高回采率。条件允许的情况下,采用无煤柱开采技术(如沿空留巷和沿空掘巷)可提高采区回采率。在条件允许的情况下,尽可能加大工作面的长度和推进长度,这样可使端头支架不放煤及首、末采不放煤损失所占比例下降,相对提高综放面的回采率。

5.2 合理的选择综放架型

支架架型对放顶煤工艺及顶煤回收率有较大的影响。综放面液压支架的结构类型按输送机的数目可分为设单输送机和双输送机的液压支架;按放煤口的位置,又可分为高位放煤、中位放煤和低位放煤的液压支架。根据煤矿的煤层赋存情况选择结构合理的支架,可大大降低放煤口之间的脊背损失,有利于提高顶煤回收

率。如大屯煤电公司姚桥矿在其7509、7513等综放面使用了ZFSB4400型的插板式低位放顶煤支架,取得了较好的效果。

5.3 减少工作面端头损失

减少端头损失是提高综放工作面回采率的主要途径之一。前面提到在综放面为了二端头的维护,管理安全,二端头的2~3架不放顶煤,或放顶煤不够充分,再加上顺槽上方顶煤不能回收,造成了端头损失。研究和实现端头放煤可减少端头损失,提高顶煤回收率。其方法是：加强工作面两端头支护。在确保安全的情况下，将采面支架延长到风巷、输送机尾，过渡支架安装在顺槽中，尽可能将工作面两端头顶煤放下来，两顺槽应沿底板掘进，不丢底煤，并注意采面浮煤的清理。或可在综放面的端头配置可放的端头支架,使工作面的放煤长度和割煤长度相同,并想办法提高端头支架和过渡支架的顶煤放出量。如潞安矿业集团王庄矿在一些工作面采用了可放煤的端头过渡支架,使顶煤回收率提高了2%~3%左右。

5.4 减少工作面初采、终采损失

初采时, 加强初次放顶煤管理。坚持工作面推出开切眼后，就开始放顶煤，初采久放，首次放煤，采取多轮长时间放煤，尽可能使顶煤及周边煤体充分垮落，尽量减少丢煤损失。也可采用在切眼打顶眼及刷帮眼深Zm爆破使顶煤拉沟，以利顶煤尽早冒落。可采取如下措施:

1、切眼支护材料全部回收,有利于切眼内顶煤的放出,减少切眼内顶煤损失; 2、放慢推进速度,将相邻支架同时降落以增加顶煤空顶面积和空顶时间; 3、反复升降支架,迫使顶煤破碎;

4、利用架间空隙向架上的顶煤打眼放震动炮,迫使顶煤冒落。终采时,可想办法采用一定技术(如用锚网联合支护技术)锚固顶煤,缩短工作面收尾时不放顶煤的距离,以减少其煤炭损失。如提高顶煤冒放性的深孔预裂爆破技术，经综放面采空区残煤分布形态的研究结果表明，综放面采空区残煤的赋存高度与顶煤冒落块度有如图4残煤高度与残煤粒度的关系。因此，减少综放面采空区残煤损失，提高工作面回采率，必须改善顶煤的破坏破碎条件，提高顶煤的冒放性，减少顶煤的冒落粒度。深孔预裂爆破是提高顶煤冒放性、减小顶煤冒落块度的有效方法之一。

末采尽可能在合理位置停放，减少末采不放造成的损失量，提高综放工作面回采率。

5.5 加强工作面煤层注水,使煤体软化,促使顶煤及时冒落,提高放煤效果

煤层注水对软化煤体，降低煤层硬度，缩小顶煤垮度的块度，提高回采率有较为明显的作用，同时，又能减少生产过程中的煤尘浓度。因此，在放顶煤工作面，煤层硬度较大时，应实行煤层预注水措施：非采动区静压注水或采动影响区

内注水。

在煤岩层的生成过程中，由于各种地质力学和地球化学的作用，在煤岩体内部产生节理裂隙等许多弱面。煤岩体注水技术是通过钻孔向煤岩体预注高压水，压力水进入煤体后沿弱面流动，起到压裂和冲刷作用，以及水对裂隙尖端的楔入作用（水楔作用），使煤岩体扩大了原有裂隙，产生了新的裂隙，破坏了煤岩体的整体性，降低了强度，从而改变煤岩体的物理力学性质，提高综放工作面顶煤的冒放性。

图4 残煤高度与残煤粒度

5.6 加强放煤工艺管理,减少采放工艺损失

煤矿生产单位应根据煤层赋存特点、矿压大小、顶煤断裂状态和松散煤岩运动规律并采用实验室模拟、现场实测与理论分析相结合等方法,来确定合理的放煤步距和采放比。

5.7 选择科学合理的综放工艺

（1）从技术角度人手尽量降低安息角差丢煤。主要是选择合理的放煤步距，顶煤的冒落步距是确定放煤步距的依据。要提高回采率应尽量做到放煤步距与顶煤冒落步距一致，因为这时冒落角度值差最小。否则，如果顶煤冒落步距过大或过小，均不利于顶煤回收和降低研石混人率。采用等量放矿的原理，并且经过反复实验生产而选择一刀一放煤，提高了煤炭回采率。

（2）采用合理的放煤工序。根据多口放矿理论与实际，坚持多轮、顺序、均匀放煤，研石含量超过1/3时关门的原则。主要应注意:①多轮放煤，当顶煤厚度较大时，垮落的顶煤不要一次放完，分2~3次放完;②工作面的放煤顺序从一端或中部依次向另一端进行;③均匀放煤，在每一轮放煤工序里，控制各支架的一次放出量相近。

（3）解决好放顶煤厚度与回采率的关系。采放比控制在合理的范围之内，

其效果较好。

（4）合理的放煤步距是提高回采率，降低含研率的重要因素之一。根据有关资料:放顶步距基本上与放煤口的投影水平长相等，回采率最高，含研率最小，若放煤步距大于放煤口的投影水平长度或大于支架切顶线放煤口外缘的水平距离时，将会有大量煤炭落到放煤口之外，即落在采空区中，降低煤炭回收率。

（5）支架放煤口高度与回采率有直接关系。根据直接顶厚度、研石充填采空区程度来确定放煤口的放煤高度。

（6）放煤口边缘造成的放煤死角三角煤损称脊背损失。放煤顺序对脊背损失有较大的影响，采用多轮顺序均匀放煤或单轮间隔折返顺序均匀放煤，对减少脊背损失有一定积极作用。

5.8 加强放煤管理

（1）加强放煤操作工的技术培训，提高放煤技术，增强放煤工的责任感，严格执行规定的放煤步距和放煤顺序。同时加强对放顶煤工作的有效监督，坚持跟班跟架检查的放顶制度。要制定合理的激励措施，提高工人对放煤和回收煤的责任心。

（2）加强储量监督管理，健全计量管理。工作面煤层厚度计算要准确，工作面正常情况下每推进一定距离(如10~12m)探1次煤厚。如遇到地质变化，适当减小探煤距离。每个探点必须探到顶、底板并丈量采高，保证储量计算的准确性;准确测算综放面的回采产量，保证回采率数据的准确性，为顶煤放出提供科学依据。

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