厚煤層工作面采出率提高技術探究

李曉林

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

壽陽礦區15#煤層位于太原組下部，上距9#煤層60.77～88.29m，平均79.85m。煤層結構簡單～復雜，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，為三采區北翼第五個工作面，15310工作面地面相對位置工作面對應地面在棗林頂以東，雙眼頂以西，羊腦頂以南、白旗山以北的山梁、溝谷地帶，工作面地面標高為+1168.9～+1057.6m，井下標高為+782～+744m，埋藏深度為313.6～386.9m；工作面東部為15308設計工作面實體煤，西部為15312設計工作面實體煤，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、煤體強度、頂煤裂隙發育程度等，參考相關的研究成果，初采損失可通過下式進行計算[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，為了保證兩側回采巷道與工作面交接點圍巖的穩定性，通常工作面兩端的液壓支架不進行放煤，且回采巷道上方的煤體也未進行開采，同樣造成了資源的浪費。造成綜放工作面端頭煤炭資源浪費的因素有很多，煤層傾角比較大時，刮板輸送機和支架易上下竄動，所以至少需要留兩架過渡支架不放煤；輸送機的機頭（尾）需要抬高，導致進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，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

綜放工作面回采結束后，為確保支架、采煤機等設備安全的撤出，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，二是末采期間正常回采，但是不進行放煤。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工作面不放煤推進的長度，15310工作面末采階段不放煤推進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 支護解除提高初采采出率

根據上文分析結果可知，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]，隨著開采技術的進步，支護解除技術也同樣能夠用來減少綜放工作面初采損失。支護解除是指工作面回采后將巷道或切眼內的錨桿、錨索等支護裝置回收，正常回采條件下，工作面回采后，巷道頂板狀態如圖1（a）所示，在錨桿、錨索的作用下，巷道頂板不會及時垮落，而是逐漸回轉下沉產生離層，最終發生垮落，支護解除后巷道頂板狀態如圖1（b）所示，工作面回采后巷道頂板及時垮落，因此支護解除能夠解決綜放工作面頂板懸而不冒的問題。根據支護解除位置的不同可分為切眼支護解除和區段平衡支護解除。切眼支護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。區段平巷支護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工作面進行了切眼支護解除應用實驗，錨索采用TMQ15-300/6退錨器進行支護解除，錨桿采用液壓錨尾剪斷器進行支護解除。

圖3 支護解除原理

3.2 切頂卸壓提高末采采出率

工作面停采后，為確保對應區段大巷圍巖的穩定性，必須留設一定寬度的停采線煤柱，當煤柱寬度過大時，將造成嚴重的資源浪費，當煤柱寬度過小時，對工作面前方的大巷造成超前支承壓力，將嚴重影響大巷的穩定性，通過水力壓裂方式，可使工作面上方頂板的“懸臂梁”結構破斷，減小超前支承壓力對大巷的影響，從而實現較小停采線煤柱的留設。15310工作面設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 應用效果分析

根據現場應用試驗結果可知，15310綜放工作面進行切眼支護解除后，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）進行計算，通過切眼支護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。現場礦壓監測結果表明，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可以滿足支護要求。

5 結 論

為進一步提高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，由此設計采用支護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，現場應用結果表明，通過支護解除可增加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，取得了很好的經濟效益。