厚煤層工作面采出率提高技術(shù)探究

李曉林

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

壽陽礦區(qū)15#煤層位于太原組下部，上距9#煤層60.77～88.29m，平均79.85m。煤層結(jié)構(gòu)簡單～復(fù)雜，含0～3層夾矸，煤層厚度6.50～8.65m，平均7.27m。15310工作面煤層厚度為6.5～8.65m，平均厚度為6.8m，為三采區(qū)北翼第五個工作面，15310工作面地面相對位置工作面對應(yīng)地面在棗林頂以東，雙眼頂以西，羊腦頂以南、白旗山以北的山梁、溝谷地帶，工作面地面標(biāo)高為+1168.9～+1057.6m，井下標(biāo)高為+782～+744m，埋藏深度為313.6～386.9m；工作面東部為15308設(shè)計工作面實體煤，西部為15312設(shè)計工作面實體煤，南部為15#煤層主要大巷，15310工作面停掘位置距礦界20m。15310工作面總體為單斜構(gòu)造，北高南低，煤層傾角2～6°工作面順槽長1173m，開切眼長232m，總儲量為1227022t。15#煤層采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，目前存在資源利用率低，工作面采出率低的問題，為解決該問題本文以15310工作面的回采為例展開研究。

2 綜放工作面開采損失分析

煤炭資源開采期間必然要面臨各種各樣的損失，主要損失包括工藝損失（架間損失、人為損失等）、初采損失、末采損失、端頭損失[1]，工藝損失是降低工作面采出率的重要因素，采用綜合機(jī)械化放頂煤回采工藝時，煤體與上覆巖層交替冒落，形成一個煤矸混合體，為了減少放煤口冒落矸石的量，不得不在煤體冒落完畢前關(guān)閉放煤口，不可避免的損失掉一部分煤體，同時放煤步距不合理、支架之間的煤體均是由于工藝引起的不可避免的損失。而初采損失、末采損失、端頭損失同樣大大降低了工作面的采出率，其損失量可定量計算。

2.1 初采損失

初采損失指綜放工作面從切眼開始推進(jìn)到正常放頂煤期間的頂煤損失，綜放工作面初采期間，由于工作面上方煤體懸露面積小，煤體冒放性差，導(dǎo)致該部分煤體無法正常放出造成損失。初采損失的影響因素眾多，包括煤層厚度、煤體強(qiáng)度、頂煤裂隙發(fā)育程度等，參考相關(guān)的研究成果，初采損失可通過下式進(jìn)行計算[2]：

其中：Q1為初采損失，單位：t；L為工作面長度，15310工作面切眼長度為232m；h頂煤厚度，15310工作面采煤機(jī)割煤高度為2.6m，頂煤厚度為4.2m；L1為初采期間不放煤的長度，工作面切眼寬度我7.5m，液壓支架長度為5.85m，液壓支架保留2.5m的放煤空間，因此 L1=16m；ρ 為煤體容重，為1.4t/m3；將以上參數(shù)代入式（1）計算可得，15310綜放工作面初采損失約為21826.56t，工作面原有采出率為78%，煤炭總損失量為269944.9t，初采損失占總損失的8.1%。

2.2 端頭損失

端頭損失指工作面兩側(cè)端部附近無法放出的煤體，綜放工作面回采期間，為了保證兩側(cè)回采巷道與工作面交接點圍巖的穩(wěn)定性，通常工作面兩端的液壓支架不進(jìn)行放煤，且回采巷道上方的煤體也未進(jìn)行開采，同樣造成了資源的浪費(fèi)。造成綜放工作面端頭煤炭資源浪費(fèi)的因素有很多，煤層傾角比較大時，刮板輸送機(jī)和支架易上下竄動，所以至少需要留兩架過渡支架不放煤；輸送機(jī)的機(jī)頭（尾）需要抬高，導(dǎo)致進(jìn)入后方溜槽的煤體減少，同樣造成煤炭損失；端頭損失計算公式為：

其中：Q2為端頭損失量，單位：t；L為工作面回采長度，15310工作面共推進(jìn)1170m；ρ為煤體容重，為1.4t/m3；d為端頭支架寬度，為1.76m；n為端頭處不放煤支架的總數(shù)，15310工作面排頭處有四組液壓支架不放煤，排位架三組不放煤，故n=7；h為頂煤厚度，為4.2m；將以上參數(shù)代入式（2）計算可得，15310工作面端頭損失量為84756.67t，占總損失的31.4%。

2.3 末采損失

綜放工作面回采結(jié)束后，為確保支架、采煤機(jī)等設(shè)備安全的撤出，工作面必須要保留一部分空間，末采階段無法進(jìn)行正常的放煤，綜放工作面末采通常有兩種方式，一是工作面末采期間逐漸爬高，工作面停采時上方直接為巖層頂，二是末采期間正?；夭?，但是不進(jìn)行放煤。15310工作面采用留頂煤末采工藝，末采損失量計算公式：

其中：Q3為末采損失量，單位：t；h為頂煤厚度，為4.2m；L2工作面不放煤推進(jìn)的長度，15310工作面末采階段不放煤推進(jìn)12m；L工作面長度，為232m；ρ 為煤體容重，為 1.4t/m3；代入式（3）計算可得，15310工作面末采損失量為16369.92t，占總損失量的6.1%。

3 多方面提高綜放工作面采出率

3.1 支護(hù)解除提高初采采出率

根據(jù)上文分析結(jié)果可知，綜放工作面初采損失是降低工作面采出率的重要因素，減少初采損失能夠有效的提高煤炭資源的利用率，提高工作面初采期間采出率的方法主要有打眼放炮、煤層注水、深孔爆破等[3～4]，隨著開采技術(shù)的進(jìn)步，支護(hù)解除技術(shù)也同樣能夠用來減少綜放工作面初采損失。支護(hù)解除是指工作面回采后將巷道或切眼內(nèi)的錨桿、錨索等支護(hù)裝置回收，正?；夭蓷l件下，工作面回采后，巷道頂板狀態(tài)如圖1（a）所示，在錨桿、錨索的作用下，巷道頂板不會及時垮落，而是逐漸回轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生離層，最終發(fā)生垮落，支護(hù)解除后巷道頂板狀態(tài)如圖1（b）所示，工作面回采后巷道頂板及時垮落，因此支護(hù)解除能夠解決綜放工作面頂板懸而不冒的問題。根據(jù)支護(hù)解除位置的不同可分為切眼支護(hù)解除和區(qū)段平衡支護(hù)解除。切眼支護(hù)解除可使頂煤提前垮落，提高頂煤的冒放性，且能夠減小懸頂面積，有利于工作面頂板的管理。區(qū)段平巷支護(hù)解除能夠使工作面兩端巷道頂板及時垮落，且附近端頭支架能夠放出更多頂煤。首先在15310工作面進(jìn)行了切眼支護(hù)解除應(yīng)用實驗，錨索采用TMQ15-300/6退錨器進(jìn)行支護(hù)解除，錨桿采用液壓錨尾剪斷器進(jìn)行支護(hù)解除。

圖3 支護(hù)解除原理

3.2 切頂卸壓提高末采采出率

工作面停采后，為確保對應(yīng)區(qū)段大巷圍巖的穩(wěn)定性，必須留設(shè)一定寬度的停采線煤柱，當(dāng)煤柱寬度過大時，將造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，當(dāng)煤柱寬度過小時，對工作面前方的大巷造成超前支承壓力，將嚴(yán)重影響大巷的穩(wěn)定性，通過水力壓裂方式，可使工作面上方頂板的“懸臂梁”結(jié)構(gòu)破斷，減小超前支承壓力對大巷的影響，從而實現(xiàn)較小停采線煤柱的留設(shè)。15310工作面設(shè)計采用水力壓裂切頂來減小末采損失，超前工作面120m完成壓裂工作，水力壓裂鉆孔布置在停采線前方5m處，工作面兩側(cè)回采巷道各布置一個，鉆孔長度為106m，開口位置距離巷道底板2.0m，施工仰角為8°，鉆孔直徑為56mm，注水壓力為10.0MPa，壓裂時間為10h，水力壓裂鉆孔布置詳情如圖2所示。

圖2 15310工作面水力壓裂鉆孔布置示意圖

4 應(yīng)用效果分析

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用試驗結(jié)果可知，15310綜放工作面進(jìn)行切眼支護(hù)解除后，頂煤初次垮落步距縮短了8m，因此增加了8m頂煤可以放出的空間，參考式（1）進(jìn)行計算，通過切眼支護(hù)解除可增加煤炭采出量為10913.29t，初采損失可減少50%，提高工作面0.85的采出率；15310工作面末采期間通過水力壓裂切頂技術(shù)將停采線煤柱減小10m，增加煤炭采出量為22086.4t，提高了15310綜放工作面1.8%的采出率?，F(xiàn)場礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，與以往工作面相比，水力壓裂切頂后，停采線前方回采巷道圍巖的變形量未明顯增大，且巷道圍巖變形時間縮短，將停采線煤柱由80m縮減為70m可以滿足支護(hù)要求。

5 結(jié) 論

為進(jìn)一步提高15310綜放工作面的采出率，通過理論分析計算表明，造成工作面采出率較低的主要因素有初采損失、端頭損失及末采損失，由此設(shè)計采用支護(hù)解除的方法來減少初采損失，通過水力壓裂切頂卸壓的方式來減少末采損失，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，通過支護(hù)解除可增加10913.29t的采出量，通過切頂卸壓可增加22086.4t的采出量，共提高了15310工作面2.65%的采出率，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。