北辛窯煤礦放頂煤開采工藝參數應用探索

薛曉軍

（太原煤氣化龍泉能源發展有限公司，山西 太原 030303）

北辛窯煤礦11 采區煤炭儲量總計110.38 Mt，可開采儲量44.76 Mt。采區南北走向長度為6.0 km，東西傾向寬度為2.6 km，開采面積為17.9 km2。受地質構造的影響，采區內斷層發育，煤層屬于三軟煤層，如果采用傳統的采煤方法，在開采過程中會出現很多不安全因素，且頂煤的回收率較低；由于放頂煤開采對地質及煤層賦存條件適用性較強，因此，考慮使用放頂煤開采方法，為安全高效開采提供基礎。

1 地質概況

北辛窯煤礦2 號煤層可開采總厚度為2.55～9.65 m，煤層有3°～17°的傾角，煤厚為2.25～7.61 m，平均厚度5.20 m。煤層結構比較復雜，局部含有矸石，平均夾矸厚度為1.06 m。煤層的老頂厚度為1.10～22.81 m，是灰白色的中細粒、中粗粒砂巖，裂隙比較發育；偽頂厚度為0～17.25 m，是灰色、灰黑色的泥巖、砂質泥巖；老底厚度為2.81～5.25 m，是灰白色的中細粒、中粗粒砂巖，裂隙比較發育；偽底厚度為3.11～9.02 m，是灰色、灰黑色的泥巖。

通過分析2 號煤層的頂底板巖性特征，可以看出頂底板的圍巖強度低，穩定性能較差，底板多是泥巖和砂質泥巖，遇水會出現膨脹、泥化現象。

2 放頂煤工藝參數

對北辛窯煤礦2 號煤層進行開采，根據開采理論及實際觀測[1]，從開采底煤開始，最后到放入工作面，在開采頂板壓力作用下，頂煤先出現明顯變形破裂，然后逐漸被壓裂出現裂隙，煤層松動垮裂，最后放入工作面4 個過程，頂煤破壞見圖1。

圖1 頂煤破壞分布

影響煤炭采出量的主要因素有采煤機破煤后采出的煤量和頂煤放出的煤量。隨著采煤機采煤高度的不斷增加，放煤高度會逐漸降低，從而增加頂煤的冒放，提高頂煤的回收率；隨著采煤作業時間的增加，放煤作業時間會相對減少，從而提高整個工作面的煤炭產出量。在采煤高度增加的過程中，礦山壓力顯現逐漸加劇。因此，在開采過程中，要求支架的支護強度足夠高，達到支撐頂板的要求[2]。影響采煤高度的關鍵因素是采煤機的破煤高度和放煤高度，工藝參數具體如下。

2.1 破煤高度

在確定破煤高度時，要充分發揮采煤機截割高度和破煤速度性能較好的特點，滿足工作面的通風要求，確保開采時有足夠的作業空間[3]。采煤機的高度一般在2.5～3.6 m，根據北辛窯煤礦2 號煤層的實際開采情況，確定采煤機的破煤高度為3.0 m 為最佳。

2.2 放煤高度

放煤高度是煤層總厚度減去破煤高度后的剩余高度，2 號煤層的平均厚度為5.20 m，計算出放煤高度為2.20 m。

3 放頂煤試驗結果

3.1 放煤步距

在北辛窯煤礦開采期間，2 號煤層工作面采用一采一放和兩采一放的放煤方式[4]，放煤步距分別為2 m 和1 m。結果表明，在頂煤煤層厚度小于3 m時，放煤步距為1 m，頂煤的回收率較高；在頂煤煤層厚度大于3 m 時，放煤步距為2 m，見矸層晚，頂煤回收率高。在試驗的后期，由于煤層的厚度變薄，這時要減小放煤步距。放煤方式采用單輪間隔方式，一種自上而下放頂煤，另一種為自下而上放頂煤，每個放煤口之間間隔3～4 m。在頂煤煤層厚度小于3 m 時，采用這兩種放煤方式放出來的煤量不相上下；但是在頂煤煤層厚度大于3 m 時，采用自上而下的放煤方式見矸早，且煤矸混雜，放煤量也較少。因此，北辛窯煤礦2 號煤層工作面更適合采用自下而上的放煤方式。

對頂煤煤層厚度大于3 m 時，采用單輪間隔自下而上的放煤方式，工作面采空區會形成一個向上方傾斜的放煤漏斗。受煤層傾角的影響，放煤漏斗的形態也有所不同。隨著煤層傾角的增大，沿著煤層迎山的傾斜方向，放煤漏斗會發生偏移，向上延伸的距離隨著頂煤厚度的增大而增加見圖2。

圖2 煤層傾角對漏斗的影響

為了確保放煤量達到最大，采用先大間隔再插放煤口的方式，將工作面最先開的兩個放煤口間距放大，一般比放煤漏斗的范圍大；由于放煤漏斗的范圍不好準確把握。因此，將先開的兩個放煤口之間的間距維持在8～10 m，然后在兩個放煤口中再加放煤口，直到放煤口的間距維持在1.5～2.0 m時停止。采用這種放煤方式，頂煤的放出量大大增加，原理見圖3、圖4。

圖3 單輪間隔放煤漏斗

圖4 先大間隔再插放煤口放煤漏斗

在圖3中，先開1 號放煤口，放完煤后，再開2號放煤口進行放煤，從示意圖中可以看出，2 號放煤口的漏斗線與1 號放煤口的漏斗線不會相交于點A，只能相交于點B，這樣就造成了煤矸混雜，影響頂煤的放出量。在圖4中，由于1 號放煤口和2 號放煤口之間有足夠的間距，1 號放煤口的漏斗線和2號放煤口的漏斗線相交于點A，避免了煤矸混雜，可以最大限度的放出頂煤。

3.2 回收率

為了準確地計算出頂煤回收率，沿工作面煤層走向，每隔5 m 進行一次頂煤厚度測量。根據實際的放煤結果，采用低位放煤口方式，降低了采空區三角煤的損失，工作面的回采率為85.8%，比使用普通綜采方式的回收率約提高10%。

在工作面進行放頂煤作業時，要進行嚴格管控，不能隨意開放煤口，要及時掌握頂煤的厚度變化，根據煤厚適當調整放煤步距和放煤方式，以提高頂煤的回收率。

4 結論

針對北辛窯煤礦2 號煤層開采過程不安全問題，根據煤層工作面地質概況，對工作面進行放頂煤開采試驗，結果如下：

1）確定開采工藝參數，采煤機破煤高度為3.0 m，放煤高度為2.20 m。

2）在煤礦開采期間進行實際驗證，結果表明，在頂煤煤層厚度大于3 m 時，采用先大間隔再插放煤口的單輪間隔放煤方式，工作面的有效回采率達到85.8%，頂煤的回收率顯著提高，確保了工作面安全高效開采。