厚煤层工作面采出率提高技术探究_李晓林.pdf

厚煤层工作面采出率提高技术探究 李 晓 林 （山西新元煤炭有限责任公司 ， 山西 阳泉 045000 ） 摘要 为解决 15 煤层综放工作面回采率较低的问题， 通过理论分析计算研究表明， 造成工作面回 采率较低的主要因素有初采损失、 端头损失及末采损失， 故设计采用支护解除法降低初采损失， 通过 水力压裂切顶减少末采损失， 现场应用结果表明， 切眼支护解除可增加煤炭采出量为 10913.29t， 通过 切顶卸压可增加 22086.4t 的采出量， 提高了 15310 工作面 2.65的采出率， 取得了很好的经济效益。 关键词 综放工作面 ； 支护解除 ； 水力压裂 中图分类号 TD823文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0033- 03 Research on 15 Coal Seam in Coal Industry LI Xiaolin （Shanxi Xinyuan Coal Co., Ltd. , Yangquan 030600 , China ） Absrtact In order to solve the problem of low recovery rate at the 15 coal seam fully- mechanized caving face in Coal Mine, theoretical analysis and calculation studies showthat the main factors that cause the lower recoveryrate ofthe workingface are the initial miningloss, end loss and final mining loss. The design adopts the support release to reduce the initial mining loss, and reduces the final mining loss through hydraulic fracturing and cutting. The field application results showthat the removal of the support can increase the coal production to 10913.29t, and the pressure can be increased by 22086.4. The recovery of t has improved the recovery rate of 2.65 in the 15310 working face, and achieved good economic benefits. Key words Fullymechanized cavingface ; support removal ; hydraulic fracturing 1工程概况 寿阳矿区 15 煤层位于太原组下部，上距 9 煤层 60.77～88.29m， 平均 79.85m。 煤层结构简单～ 复杂， 含 0～3 层夹矸， 煤层厚度 6.50～8.65m， 平均 7.27m。15310 工作面煤层厚度为 6.5～8.65m， 平均 厚度为 6.8m， 为三采区北翼第五个工作面， 15310 工 作面地面相对位置工作面对应地面在枣林顶以东， 双 眼顶以西， 羊脑顶以南、 白旗山以北的山梁、 沟谷地 带， 工作面地面标高为 1168.9～1057.6m， 井下标 高为 782～744m，埋藏深度为 313.6～386.9m； 工 作面东部为 15308 设计工作面实体煤， 西部为 15312 设计工作面实体煤， 南部为 15 煤层主要大巷， 15310 工作面停掘位置距矿界 20m。 15310 工作面总体为单 斜构造，北高南低，煤层倾角 2～6工作面顺槽长 1173m， 开切眼长 232m， 总储量为 1227022t。15 煤 层采用综合机械化放顶煤开采， 目前存在资源利用 率低， 工作面采出率低的问题， 为解决该问题本文 以 15310 工作面的回采为例展开研究。 2综放工作面开采损失分析 煤炭资源开采期间必然要面临各种各样的损 失， 主要损失包括工艺损失 （架间损失、 人为损失 等） 、 初采损失、 末采损失、 端头损失[1]， 工艺损失是 降低工作面采出率的重要因素， 采用综合机械化放 顶煤回采工艺时， 煤体与上覆岩层交替冒落， 形成 一个煤矸混合体，为了减少放煤口冒落矸石的量， 不得不在煤体冒落完毕前关闭放煤口， 不可避免的 损失掉一部分煤体， 同时放煤步距不合理、 支架之 间的煤体均是由于工艺引起的不可避免的损失。而 初采损失、 末采损失、 端头损失同样大大降低了工 作面的采出率， 其损失量可定量计算。 2.1初采损失 初采损失指综放工作面从切眼开始推进到正 常放顶煤期间的顶煤损失，综放工作面初采期间， 由于工作面上方煤体悬露面积小，煤体冒放性差， 导致该部分煤体无法正常放出造成损失。初采损失 的影响因素众多， 包括煤层厚度、 煤体强度、 顶煤裂 隙发育程度等， 参考相关的研究成果， 初采损失可 通过下式进行计算[2] Q1hL1Lρ（1） 其中 Q1为初采损失， 单位 t； L 为工作面长度， 15310 工作面切眼长度为 232m； h 顶煤厚度， 15310 工作面采煤机割煤高度为 2.6m， 顶煤厚度为 4.2m； L1为初采期间不放煤的长度，工作面切眼宽度我 7.5m， 液压支架长度为 5.85m， 液压支架保留 2.5m 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 33 ChaoXing 的放煤空间，因此 L116m； ρ 为煤体容重， 为 1.4t/m3； 将以上参数代入式 （1） 计算可得， 15310 综 放工作面初采损失约为 21826.56t， 工作面原有采出 率为 78， 煤炭总损失量为 269944.9t， 初采损失占 总损失的 8.1。 2.2端头损失 端头损失指工作面两侧端部附近无法放出的 煤体， 综放工作面回采期间， 为了保证两侧回采巷 道与工作面交接点围岩的稳定性， 通常工作面两端 的液压支架不进行放煤， 且回采巷道上方的煤体也 未进行开采， 同样造成了资源的浪费。造成综放工 作面端头煤炭资源浪费的因素有很多， 煤层倾角比 较大时， 刮板输送机和支架易上下窜动， 所以至少 需要留两架过渡支架不放煤； 输送机的机头 （尾） 需 要抬高， 导致进入后方溜槽的煤体减少， 同样造成 煤炭损失； 端头损失计算公式为 Q2dnhLρ（2） 其中 Q2为端头损失量，单位 t； L 为工作面回 采长度， 15310 工作面共推进 1170m； ρ 为煤体容 重， 为 1.4t/m3； d 为端头支架宽度， 为 1.76m； n 为端 头处不放煤支架的总数， 15310 工作面排头处有四 组液压支架不放煤，排位架三组不放煤，故 n7； h 为顶煤厚度， 为 4.2m； 将以上参数代入式 （2） 计算可 得， 15310 工作面端头损失量为 84756.67t，占总损 失的 31.4。 2.3末采损失 综放工作面回采结束后， 为确保支架、 采煤机 等设备安全的撤出，工作面必须要保留一部分空 间， 末采阶段无法进行正常的放煤， 综放工作面末 采通常有两种方式，一是工作面末采期间逐渐爬 高， 工作面停采时上方直接为岩层顶， 二是末采期 间正常回采， 但是不进行放煤。 15310 工作面采用留 顶煤末采工艺， 末采损失量计算公式 Q3hLL2ρ（3） 其中 Q3为末采损失量， 单位 t； h 为顶煤厚度， 为 4.2m； L2工作面不放煤推进的长度， 15310 工作 面末采阶段不放煤推进 12m； L 工作面长度， 为 232m； ρ 为煤体容重， 为 1.4t/m3； 代入式 （3） 计算可 得， 15310 工作面末采损失量为 16369.92t，占总损 失量的 6.1。 3多方面提高综放工作面采出率 3.1支护解除提高初采采出率 根据上文分析结果可知， 综放工作面初采损失 是降低工作面采出率的重要因素， 减少初采损失能 够有效的提高煤炭资源的利用率， 提高工作面初采 期间采出率的方法主要有打眼放炮、煤层注水、 深 孔爆破等[3～4]， 随着开采技术的进步， 支护解除技术 也同样能够用来减少综放工作面初采损失。支护解 除是指工作面回采后将巷道或切眼内的锚杆、 锚索 等支护装置回收， 正常回采条件下， 工作面回采后， 巷道顶板状态如图 1 （a ） 所示， 在锚杆、 锚索的作用 下， 巷道顶板不会及时垮落， 而是逐渐回转下沉产 生离层， 最终发生垮落， 支护解除后巷道顶板状态 如图 1 （b） 所示， 工作面回采后巷道顶板及时垮落， 因此支护解除能够解决综放工作面顶板悬而不冒 的问题。根据支护解除位置的不同可分为切眼支护 解除和区段平衡支护解除。切眼支护解除可使顶煤 提前垮落， 提高顶煤的冒放性， 且能够减小悬顶面 积， 有利于工作面顶板的管理。区段平巷支护解除 能够使工作面两端巷道顶板及时垮落， 且附近端头 支架能够放出更多顶煤。首先在 15310 工作面进行 了切眼支护解除应用实验，锚索采用 TMQ15- 300/6 退锚器进行支护解除， 锚杆采用液压锚尾剪断器进 行支护解除。 （a） 正常条件下（b） 支护解除后 图 3支护解除原理 3.2切顶卸压提高末采采出率 工作面停采后， 为确保对应区段大巷围岩的稳 定性， 必须留设一定宽度的停采线煤柱， 当煤柱宽 度过大时， 将造成严重的资源浪费， 当煤柱宽度过 小时，对工作面前方的大巷造成超前支承压力， 将 严重影响大巷的稳定性， 通过水力压裂方式， 可使 工作面上方顶板的 “悬臂梁” 结构破断， 减小超前支 承压力对大巷的影响， 从而实现较小停采线煤柱的 留设。15310 工作面设计采用水力压裂切顶来减小 末采损失， 超前工作面 120m 完成压裂工作， 水力压 裂钻孔布置在停采线前方 5m 处，工作面两侧回采 巷道各布置一个， 钻孔长度为 106m， 开口位置距离 巷道底板 2.0m，施工仰角为 8，钻孔直径为 56mm， 注水压力为 10.0MPa， 压裂时间为 10h， 水力 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 34 ChaoXing （上接第 32 页） 5结论 宇昌煤业 550m 水平材料大巷 II 段成巷后， 围 岩出现明显的变形现象， 通过现场围岩位移观测及 顶板钻孔窥视分析其围岩变形特点， 根据巷道围岩 的变形和破碎情况对材料大巷进行分段， 设计对围 岩破碎段和严重变形段采用围岩注浆 锚网索联 合支护技术进行返修， 对于顶板轻微下沉段采用锚 杆 强力锚索进行支护， 应用过程中进行围岩位移 监测， 返修后的材料大巷围岩稳定性很好， 该方法 可用于该区域各个大巷的返修。 参考文献 [1] 冯腾飞. 软岩顶板特厚煤层回采巷道支护技术研究[D]. 太原理工大学,2019. [2] 蔡勇. 淮北矿区深部大断面软弱岩巷合理支护参数及掘 进工艺研究[D].安徽建筑大学,2019. [3] 孙春生. 高应力破碎围岩巷道耦合让压支护技术研究[J]. 煤炭与化工,2019,420232- 3337. [4] 张红旗. 大埋深破碎围岩巷道掘进支护优化设计研究[J]. 煤炭与化工,2019,420234- 37. 作者简介 梁小龙 （1973-） ， 男， 山西省阳城县人， 1997 年 7 月毕业 于辽宁工程技术大学采矿工程系采矿工程专业 （第一学历） ， 2015 年 12 月毕业于中国矿业大学矿业工程领域工程专业 （第二学历） ， 采矿工程师， 现从事工作 山西阳城阳泰集团宇 昌煤业有限公司生产副矿长。 （收稿日期 2019- 9- 6） 压裂钻孔布置详情如图 2 所示。 （a）平面图 （b）剖面图 图 215310 工作面水力压裂钻孔布置示意图 4应用效果分析 根据现场应用试验结果可知， 15310 综放工作 面进行切眼支护解除后， 顶煤初次垮落步距缩短了 8m，因此增加了 8m 顶煤可以放出的空间，参考式 （1） 进行计算， 通过切眼支护解除可增加煤炭采出 量为 10913.29t， 初采损失可减少 50， 提高工作面 0.85 的采出率； 15310 工作面末采期间通过水力压 裂切顶技术将停采线煤柱减小 10m， 增加煤炭采出 量为 22086.4t， 提高了 15310 综放工作面 1.8的采 出率。现场矿压监测结果表明， 与以往工作面相比， 水力压裂切顶后， 停采线前方回采巷道围岩的变形 量未明显增大， 且巷道围岩变形时间缩短， 将停采 线煤柱由 80m 缩减为 70m 可以满足支护要求。 5结论 为进一步提高 15310 综放工作面的采出率， 通 过理论分析计算表明， 造成工作面采出率较低的主要 因素有初采损失、 端头损失及末采损失， 由此设计采 用支护解除的方法来减少初采损失， 通过水力压裂切 顶卸压的方式来减少末采损失，现场应用结果表明， 通过支护解除可增加 10913.29t 的采出量， 通过切顶 卸压可增加 22086.4t 的采出量， 共提高了 15310 工作 面 2.65的采出率， 取得了很好的经济效益。 参考文献 [1] 徐森茂. 常村矿 2206 综放工作面提高采出率技术研究 [D].中国矿业大学,2019. [2] 李晨,郑志新,李家.提高煤炭采出率的技术措施[J].山西 焦煤科技,2019,430212- 14. [3] 王宏.提高综放工作面顶煤采出率的技术措施[J].能源技 术与管理,2018,430495- 96. [4] 庞义辉,王国法.坚硬特厚煤层顶煤冒放结构及提高采出 率技术[J].煤炭学报,2017,4204817- 824. 作者简介 李晓林 （1986-） ， 男， 采煤工程师， 硕士， 毕业于中国矿业 大学采矿工程专业， 现任阳泉煤业有限责任公司新元公司主 任工程师， 长期从事煤矿安全生产与管理方面的工作。 （收稿日期 2020- 3- 10） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 35 ChaoXing