綜采放頂煤工藝研究應(yīng)用

張浩春

（山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

0 引言

綜采放頂煤開(kāi)采工藝具有產(chǎn)量和工效高、成本低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，同時(shí)因放頂煤開(kāi)采避免了厚煤層工作面分層開(kāi)采，減少了礦井掘進(jìn)工程量[3]，因此在我國(guó)厚煤層工作面大多選擇綜采放頂煤工藝技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采。本文以磁窯溝煤礦13101 綜放工作面為工程背景，對(duì)綜采放頂煤工藝在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行研究分析并優(yōu)化，以期為類似條件下礦井采用綜采放頂煤工藝開(kāi)采的工作面提供一定技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

磁窯溝煤礦13101 工作面設(shè)計(jì)可采長(zhǎng)度為1 580 m，工作面長(zhǎng)136 m，煤層平均傾角為3.7°，煤層平均厚度10.25 m，容重1.41 t/m3。工作面蓋山厚度為122～215 m，平均150～160 m，工作面直接頂為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.1 m；老頂為粗、中粒砂巖，平均厚度7.9 m；直接底為泥巖，平均厚度4.8 m，老底為粗粒砂巖，平均厚度為11.3 m。13101 工作面煤層頂?shù)装鍘r層特征見(jiàn)表1。

表1 13101 工作面煤層頂?shù)装鍘r層情況Table 1 Roof and floor strata of coal seam in No.13101 Face

2 采煤工藝

2.1 采煤方式

根據(jù)13101 工作面煤層地質(zhì)條件，結(jié)合工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，工作面設(shè)計(jì)采用大采高綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理采空區(qū)頂板（圖1）。工作面設(shè)計(jì)采高4.2 m，放煤高度6.05 m，采放比為1∶1.44。工作面選用ZFY13600/27/45D 型2 柱放頂煤電液控中間支架69 臺(tái)、ZFYG13600/27/43D過(guò)渡支架4 臺(tái)、ZFP13800/29/45D 排頭支架7 臺(tái)、ZTZ20000/24/45D 端頭支架1 組、ZQ48000/24/45D型回風(fēng)順槽超前液壓支架1 組（4 臺(tái)）、ZH5600/28/42D 滑移超前支架2 組；采煤機(jī)選用MG650/1620-WD 型交流電牽引采煤機(jī)；刮板輸送機(jī)選用 SGZ1000/2 ×1000 型前部輸送機(jī)，SGZ1000/2×1000 型后部輸送機(jī)；轉(zhuǎn)載機(jī)選用SZZ1350/700 型轉(zhuǎn)載機(jī)。工作面回采期間，以液壓支架頂梁為分界線，支架頂梁以下采用采煤機(jī)進(jìn)行割煤，落入前部運(yùn)輸機(jī)運(yùn)出，支架頂梁以上的煤通過(guò)液壓支架后尾梁的放煤窗口放出后落入后部運(yùn)輸機(jī)后運(yùn)出，工作面實(shí)行隨采隨放，跟機(jī)拉架放煤的方式進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

圖1 綜采放頂煤工作面開(kāi)采示意Fig.1 Mining indication of fully mechanized top coal caving face

2.2 生產(chǎn)工藝流程

2.2.1 采煤機(jī)割煤

采煤機(jī)割煤是綜采工作面生產(chǎn)作業(yè)的最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，工作面正常回采期間采用斜切進(jìn)刀方式進(jìn)行割煤。在割煤作業(yè)期間，需控制割煤高度控制在4.2 m±100 mm，采煤機(jī)截深為0.8 m。采煤機(jī)在工作面割煤作業(yè)時(shí)，上滾筒沿頂、下滾筒沿底進(jìn)行割煤，通過(guò)采煤機(jī)滾筒上的擋煤板及滾筒螺旋葉片將采煤機(jī)割下的煤裝入前部運(yùn)輸機(jī)內(nèi)運(yùn)出。采煤機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)方式如圖2所示。

圖2 綜采放頂煤工作面現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)Fig.2 Field operation of fully mechanized top coal caving face

（1） 割煤方式。

采煤機(jī)單向割煤，采煤機(jī)下行重刀割煤，滯后采煤機(jī)4～6 架跟機(jī)移架至刮板輸送機(jī)機(jī)頭。采煤機(jī)上行空刀清理浮煤，滯后采煤機(jī)10～15 架推移刮板輸送機(jī)。重刀割煤時(shí)，前滾筒割頂煤、后滾筒割底煤。空刀返回時(shí)，前后滾筒均落至底板清煤。

（2） 采煤機(jī)進(jìn)刀方式。

采用不留三角煤端部斜切進(jìn)刀的方式，其工藝流程為：①采煤機(jī)向刮板輸送機(jī)機(jī)尾返空刀時(shí)，刮板輸送機(jī)機(jī)尾段約30 m 未推移；②采煤機(jī)向刮板輸送機(jī)機(jī)頭方向斜切進(jìn)刀；③采煤機(jī)完全切入煤壁后，刮板輸送機(jī)機(jī)尾段全部推直；④采煤機(jī)返向刮板輸送機(jī)機(jī)尾割三角煤并清理端頭浮煤；⑤采煤機(jī)反向離開(kāi)刮板輸送機(jī)機(jī)尾駛向機(jī)頭，刮板輸送機(jī)機(jī)尾段及時(shí)移架，工作面正常割煤。

2.2.2 推移前部輸送機(jī)

隨采煤機(jī)割煤過(guò)后，滯后采煤機(jī)10 架左右操作支架推移油缸開(kāi)始推移運(yùn)輸機(jī)，推移時(shí)遵循自下而上或自上而下順序依次推移的原則，推移不能出現(xiàn)死彎，防止運(yùn)輸機(jī)出現(xiàn)急彎損壞鏈條、鏈環(huán)、齒軌等其他部件，每次推移步距800 mm。在推移時(shí)，要使各千斤頂協(xié)調(diào)推移，不得一部分強(qiáng)行推移，推移后刮板運(yùn)輸機(jī)保證成一條直線。

中國(guó)農(nóng)資流通體制改革經(jīng)歷三個(gè)節(jié)點(diǎn)，即1998年以前計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下的專營(yíng)模式；1998年至2008年計(jì)劃經(jīng)濟(jì)模式和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)模式并存；2008年以后步入全流通時(shí)代。從計(jì)劃配額到市場(chǎng)配置、從肩扛手提到現(xiàn)代化流通、從單一產(chǎn)品到產(chǎn)業(yè)多元融合，化肥流通行業(yè)不斷深化發(fā)展，積極調(diào)整化肥供需關(guān)系，推動(dòng)流通渠道和模式不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，引領(lǐng)傳統(tǒng)農(nóng)資經(jīng)銷(xiāo)商不斷向服務(wù)商轉(zhuǎn)型，保障多元化綠色高效的肥料產(chǎn)品投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，構(gòu)建起新時(shí)期化肥流通新格局，順應(yīng)了綠色高效的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展趨勢(shì)，不斷助力鄉(xiāng)村蓬勃振興。

2.2.3 移架

從刮板輸送機(jī)機(jī)尾往機(jī)頭或從機(jī)頭向機(jī)尾順序移架。在頂板破碎或采高超過(guò)4.2 m 移架時(shí)要1 人移架、1 人監(jiān)護(hù)安全。移架時(shí)要帶壓擦頂移架，液壓支架要一次移到位，不準(zhǔn)反復(fù)升降、頻繁調(diào)架。

2.2.4 拉移后部刮板運(yùn)輸機(jī)

通過(guò)操作拉后溜油缸操作手把拉移后部運(yùn)輸機(jī)，拉移時(shí)遵循從上向下或從下向上順序依次拉移，每次拉移步距為800 mm，拉移后確保后部運(yùn)輸機(jī)成1 條直線。

2.2.5 放頂煤

放頂煤作業(yè)是通過(guò)操作支架放煤油缸控制支架后尾梁放煤插板來(lái)回收縮并配合尾梁擺動(dòng)將支架頂梁上方的煤炭放入后部刮板運(yùn)輸機(jī)內(nèi)運(yùn)出，該作業(yè)工序?qū)ぷ髅嫔a(chǎn)效率和安全起著關(guān)鍵影響作用，在放煤作業(yè)時(shí)要嚴(yán)格按照制定工藝標(biāo)準(zhǔn)操作，根據(jù)頂煤厚度、頂煤破碎狀況、工作面瓦斯?jié)舛茸兓惹闆r合理調(diào)整放煤步距和同時(shí)放煤窗口數(shù)量。放煤作業(yè)與采煤機(jī)割煤作業(yè)間隔距離大于10 架。放煤時(shí)，操作人員站在本架的后排立柱前的底座上操作支架的放煤手把，緩慢收回插板，使頂煤流入后部運(yùn)輸機(jī)，適當(dāng)擺動(dòng)尾梁，促使頂煤破碎下滑，每輪要放出頂煤量的1/3～1/2，反復(fù)操作將煤按標(biāo)準(zhǔn)放完，盡量使頂煤保持均勻下降，以減少混矸提高煤質(zhì)。放煤過(guò)程中，操作人員時(shí)刻觀察后部刮板運(yùn)輸機(jī)煤的流量，控制好放煤量，均勻放煤，防止因放煤過(guò)多而壓死后部刮板運(yùn)輸機(jī)。

3 13101 工作面放頂煤工藝確定

3.1 合理確定放煤步距確定

放煤步距是影響放煤效果的重要參數(shù)。若放煤步距太大，則采空區(qū)側(cè)留有三角煤放不出來(lái)，造成大量丟煤；放煤步距太小時(shí)，采空區(qū)破碎頂板矸石易混入放煤口。

13101 綜放工作面自放煤開(kāi)始，初期放煤步距定為0.8 m，存在的主要問(wèn)題是放出的煤大塊比較多，放煤效果差，經(jīng)常出現(xiàn)后溜堵死、后溜頭卸料口卡住大塊煤矸等現(xiàn)象。后期通過(guò)不斷嘗試改變放煤步距最終將放煤步距調(diào)整在0.6 m，放煤效果為最佳，生產(chǎn)期間能有有效地減小塊度，并在相等推進(jìn)范圍內(nèi)增加了支架對(duì)頂板的升降次數(shù)，破碎效果明顯，有利于頂煤放出，放煤效果顯著。

3.2 放煤方式確定

目前綜放工作面放頂煤方式有單輪順序、多輪順序、單輪間隔、多輪間隔、分段間隔等方式，其選擇的依據(jù)是根據(jù)工作面頂煤厚度和頂煤硬度及破壞程度確定的，其中頂煤厚度小于5 m 時(shí)，一般選擇一刀一放、單輪間隔放煤方式；頂煤厚度為5～8 m 時(shí)，選擇一刀一放多輪間隔或多輪順序放煤，放煤輪數(shù)2～3 輪；當(dāng)頂煤厚度大于8 m 時(shí)，選擇一刀一放或兩刀一放，多輪間隔或多輪順序放煤，放煤輪數(shù)為3～4 輪。

13101 綜放工作面放頂煤初期，采取的放煤方式為“雙輪間隔兩口”方式放煤，一刀一放，回采期間發(fā)現(xiàn)存在放煤時(shí)間較長(zhǎng)，煤機(jī)需停機(jī)等待放煤工全部放完煤后才能開(kāi)始割下一刀煤，循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，不利于提高工作面單產(chǎn)，對(duì)回采產(chǎn)量影響較大，故在對(duì)放煤工藝進(jìn)行了調(diào)整，起初采用了“單輪順序兩口”方式放煤，生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)增加了回采效率，但是存在鄰架竄矸，局部出現(xiàn)丟煤的現(xiàn)象，通過(guò)施工經(jīng)驗(yàn)及學(xué)習(xí)其他礦井經(jīng)驗(yàn)，后又對(duì)放煤工藝又進(jìn)行了調(diào)整，采用“單輪間隔”方式放煤，即割一刀一放，配備2 個(gè)放煤工，第一個(gè)放煤工滯后移架2 個(gè)支架放單號(hào)，第二個(gè)放煤工滯后第一個(gè)放煤工4 個(gè)支架放雙號(hào)，為確保正規(guī)循環(huán)放煤作業(yè)及確保頂板可控，放煤時(shí)要求做到“見(jiàn)矸關(guān)窗”，帶班班長(zhǎng)或跟班隊(duì)長(zhǎng)為放煤工長(zhǎng)，跟后檢查、補(bǔ)放。

3.3 頂板壓力小，頂煤難放時(shí)采取措施

13101 工作面推進(jìn)至720～860 m 時(shí)，工作面因蓋山厚度較小（平均厚度140 m 左右），工作面壓力顯現(xiàn)不明顯，生產(chǎn)期間頂煤自然垮落不及時(shí)，且放出大塊煤較多，出現(xiàn)頂煤難放的現(xiàn)象，針對(duì)這種情況，及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)改變放煤方式，確保頂煤放干凈，具體施工如下。

（1） 由原來(lái)的單架放煤，改為每2 架同時(shí)收后尾梁，并且反復(fù)收打尾梁，對(duì)后溜上方每塊造成反復(fù)擠壓破壞，使頂煤垮落。

（2） 保證支架初撐力，每架必須保證將支架升到最緊，并縮短放煤步距，通過(guò)反復(fù)升降支架破壞頂板完整性。

（3） 保證工作面采高，將工作面采高保證在4.4 m，通過(guò)增大采高調(diào)整頂板下沉量，促進(jìn)頂板垮落。

4 應(yīng)用效果分析

13101 工作面于2020年11月5日完成安裝工作，2020年11月17日開(kāi)始回采，工作面推進(jìn)至60 m 后少量放頂煤，老頂來(lái)壓后正式放頂煤，截止2021年5月31日，工作面已平均推進(jìn)1 415 m，共計(jì)出煤321.9 萬(wàn)t，其中2021年5月出煤量最高為57.98 萬(wàn)t。為保證工作面回收率計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)13101 工作面每周探測(cè)一次頂煤厚度，經(jīng)計(jì)算目前13101 綜放工作面回收率、頂煤回收率見(jiàn)表2。

表2 13101 工作面各月煤炭回收率統(tǒng)計(jì)Table 2 Monthly coal recovery rate statistics of No.13101 Face

由表2數(shù)據(jù)分析可知，工作面煤炭回收率和頂煤回收率均達(dá)到90%以上，其中工作面煤炭回收率最高達(dá)到93.15%，頂煤回收率最高達(dá)到91.64%，回收率均超過(guò)厚煤層回收率規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)磁窯溝煤礦13101 工作面綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)的介紹和分析，闡明了放頂煤開(kāi)采工藝的各個(gè)流程，并結(jié)合工作面煤層地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，確定了放頂煤工藝中的放煤步距和放煤方法，并分析了在頂板壓力較小，頂煤不易放出時(shí)需采取的措施，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐，工作面煤炭回收率和頂煤回收率均達(dá)到90%以上，達(dá)到了放頂煤開(kāi)采工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，且工作面最高月產(chǎn)達(dá)到57.98 萬(wàn)t，應(yīng)用結(jié)果表明，綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)安全高效開(kāi)采的目的，為中厚煤層工作面采用放頂煤開(kāi)采工藝技術(shù)提供了技術(shù)參考。