年產(chǎn)1500萬噸綜放工作面高資源回收率保障關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

研發(fā)起止時(shí)間：2018.3～2019.10

完成單位：大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）

成果水平：國際領(lǐng)先

1 項(xiàng)目背景

特厚煤層綜放開采的核心問題是如何提高資源回收率、降低含矸率、減少初末采損失、端頭損失、工藝損失、架間損失等，建立“高煤低矸”的頂煤回收模式。因此，為實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)1 500萬噸綜放工作面安全高效生產(chǎn)，有必要對(duì)特厚煤層綜放開采頂煤放出規(guī)律進(jìn)行深入研究。

該項(xiàng)目的研究不僅能實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)1 500萬噸綜放工作面安全開采，也會(huì)給類似煤層的回采提供理論依據(jù)和成功經(jīng)驗(yàn)，能夠進(jìn)一步提升高強(qiáng)度厚煤層安全高效開采技術(shù)水平。

2 研究內(nèi)容

（1）通過特厚頂煤由連續(xù)→非連續(xù)漸進(jìn)破壞過程的耦合模擬，揭示了采動(dòng)后頂煤中最大主應(yīng)力向采空區(qū)旋轉(zhuǎn)的特征；理論分析了煤體裂隙擴(kuò)展模式及應(yīng)力場(chǎng)條件，揭示了特厚頂煤裂隙場(chǎng)以“拉-剪混合型”為主的應(yīng)力擴(kuò)展機(jī)制；研究了裂隙分布對(duì)頂煤破碎塊度的影響，并開展了特厚頂煤破碎塊度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，繪制了年產(chǎn)1 500萬噸綜放工作面頂煤破碎塊度分布曲線。不同裂隙傾角下頂煤破碎塊度分布特征如圖1、2所示，特厚煤層綜放工作面頂煤破碎塊度分布級(jí)配曲線圖如圖3所示。

圖1 煤體破碎塊度統(tǒng)計(jì)方式

圖2 煤體破碎塊度分布

圖3 8404工作面頂煤破碎塊度級(jí)配曲線

（2）研制了特厚煤層三維精細(xì)化放煤模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了群組多輪放煤方式下頂煤放出體為“小偏心率切割變異橢球體”；研究了頂煤破碎塊度、放煤口尺寸、掩護(hù)梁傾角等因素對(duì)頂煤放出規(guī)律的影響，建立了基于相對(duì)塊度的頂煤回收率預(yù)測(cè)模型；開發(fā)并應(yīng)用了新一代便攜式頂煤運(yùn)移跟蹤儀，實(shí)現(xiàn)了回收率觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸及可視化。頂煤回收率預(yù)測(cè)模型對(duì)比如圖4所示，頂煤運(yùn)移跟蹤儀現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及測(cè)量回收率如圖5所示。

圖4 頂煤回收率預(yù)測(cè)模型對(duì)比

圖5 頂煤運(yùn)移跟蹤儀現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及測(cè)量回收率

（3）研究了端頭放煤頂煤放出規(guī)律，揭示了不同放煤工藝下端頭頂煤回收率及巷道穩(wěn)定性變化特征；研發(fā)了特厚煤層“分段逆序、群組多輪”放煤工藝及逆序段合理長度的確定方法，提高了工作面中部高位及端頭頂煤的采出率，保障了年產(chǎn)1 500萬噸綜放工作面的高資源回收率。

為提高特厚煤層綜放開采工作面頂煤回收率，提出了適用于特厚頂煤的“分段逆序、群組多輪”放煤工藝（如圖6所示），并基于工作面放煤量增長率給出了逆序段合理長度的確定方法，為現(xiàn)場(chǎng)使用該工藝提供了依據(jù)；對(duì)比分析了普通順序放煤方式和分段逆序放煤方式下頂煤放出規(guī)律（如圖7所示），結(jié)果顯示該放煤方式可提高特厚煤層工作面中部高位頂煤以及端頭頂煤的采出率（如圖8所示），實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)1 500萬噸綜放工作面高資源回收率保障。

圖6 分段逆序放煤示意圖

圖7 正逆交接處放出體形態(tài)對(duì)比

圖8 不同試驗(yàn)方案各架放煤量

3 主要研究成果

（1）通過特厚頂煤由連續(xù)→非連續(xù)漸進(jìn)破壞過程的耦合模擬，闡明了特厚頂煤裂隙擴(kuò)展的“拉-剪混合型”應(yīng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)制，揭示了采動(dòng)后頂煤中最大主平面外法線向采空區(qū)旋轉(zhuǎn)的特征；開展了特厚頂煤破碎塊度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，繪制了綜放工作面頂煤破碎塊度分布曲線，為改進(jìn)放煤工藝、提高頂煤放出率奠定了基礎(chǔ)。

（2）研制了特厚煤層三維精細(xì)化放煤模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和新一代便攜式頂煤運(yùn)移跟蹤儀，分析發(fā)現(xiàn)群組多輪放煤方式下頂煤放出體為“小偏心率切割變異橢球體”，據(jù)此建立了頂煤回收率預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)了頂煤破碎塊度、放煤口尺寸、掩護(hù)梁傾角等因素對(duì)頂煤放出規(guī)律的影響。

（3）揭示了不同放煤工藝下端頭頂煤回收率及巷道穩(wěn)定性變化特征；研發(fā)了特厚煤層“分段逆序、群組多輪”放煤工藝及逆序段合理長度的確定方法，提高了工作面中部高位及端頭頂煤的采出率，保障了年產(chǎn)1 500萬噸綜放工作面的高資源回收率。

4 應(yīng)用效益

研究成果在馬道頭煤礦、塔山煤礦特厚煤層綜放工作面得到了成功應(yīng)用，共多回收頂煤118萬噸，頂煤回收率提高了5%。該成果的應(yīng)用，對(duì)工作面優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高頂煤破碎程度、保障工作面高回收率、降低含矸率等有重要意義，實(shí)現(xiàn)了特厚煤層工作面安全高效開采，最大限度地提高了大同礦區(qū)礦井資源回收率。

本項(xiàng)目于2020年6月通過中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的專家鑒定，研究成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

（供稿：大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心：臧歡歡）