提高综放工作面回采率技术研究.docx

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提高综放工作面回采率技术研究

肥城矿业集团公司梁宝寺能源有限责任公司

提高综放工作面回采率技术研究

技术研究报告

2013年12月31日

一、前言…………………………………………………1

二、问题的提出…………………………………………1

三、放顶煤工作面回采率的计算…………………………2

四、综放开采工艺煤炭损失分析量及其特点……………5

五、提高综放工作面回采率的研究对策…………………10

六、效益分析………………………………………………14

七、结语……………………………………………………14

一、前言

煤炭是不可再生资源，我国的煤炭资源开发力度较大，放顶煤开采将原来厚煤层需多次分层采出的煤炭一次性开采出来，具有产量高、成本低、投入产出效果好等特点，我国厚煤层很多采用放顶煤开采技术，从可持续发展的角度，在不同的煤层赋存及生产技术条件下，顶煤回收率的问题是目前迫切值得关注的问题。

在实践中研究分析顶煤放出率及其影响因素，对提高放顶煤工作面回采率，减少煤炭损失量，科学指导放顶煤开采具有十分重要的意义。

现在我国已经充分掌握针对厚煤层的采煤方法。

综采放顶煤技术在我国得到了迅速发展，但是综放技术中的瓦斯、煤尘工作面自燃发火及顶煤回收率等问题是制约综放开采技术发展的重要因素。

然而统计资料表明，仍有一些矿井综放回采工作面的回采率较低，有的还不到50%，造成了一定数量的煤炭资源损失。

采煤方法的改革是技术进步的表现，是实现集中生产、高产高效的根本保证。

但回采率问题是综放开采工艺必须研究解决的最为重要的问题之一，研究分析放顶煤开采顶煤放出率的影响因素及提高综放工作面回采率的措施至关重要。

梁宝寺煤矿已成功回采3305、3309、3301、3404、3408、3412、3416综放工作面，放煤回收率仍有待提高，现3418综放工作面引用新型支架、合理的综放工艺，进一步提高了顶煤回收率。

二、问题的提出

采区和工作面回采率，是综采放顶煤的一项重要技术经济指标，也是评价综合机械化放顶煤开采成功与否的重要尺度。

在综放工作面，其实际的开采高度一般难以通过实测确定。

由于计算参数难以准确测量，采出煤量的准确性也就是很差。

综采放顶煤开采具有高产高效、低耗等显著优点，已为采矿界所公认，但其回采率较低，未达到国家规定也是众所周知的。

造成综采放顶煤开采煤炭损失的原因是多方面的，只要合理确定采区参数及巷道布置，加强工作面初末采及工作面端头管理，针对具体条件确定合理的放煤工艺及放煤步距，加强综放面巷道沿空留巷、沿空掘巷等的研究，尽量减少各种煤炭损失，提高回采率，使之达到国家规定的采区回采率指标是完全可能的。

三、放顶煤工作面回采率的计算

采区和工作面回采率计算中，在无法测出实际采高和采出煤量时，采用改正后的统计产量来代替计算产量是比较切合实际的计算方法：

综放工作面回采率的计算

（1）工作面可采储量（Qs，t）：

γ

式中a——工作面走向实测长度（不包括切眼），m；

b——工作面实测长度（不包括上、下巷道宽度），m；

M——工作面实测平均厚度，m；

γ——煤的容重，t/m³。

（2）工作面采出煤量的计算

放顶煤综采工作面的实际采出煤量，在不能测算实际采出煤量时，可以采用统计产量代替，但需要进行水分、灰分和矸石量改正。

实际采出煤量（Q1，t）：

式中Q2——统计产量，t；

y1——煤样水分，%；

y2——原煤全水分，%；

y3——原煤灰分，%；

y4——煤样灰分，%；

y5——矸石灰分，%；

y6——原煤含矸率，%。

（3）工作面煤量总损失量（Q3，t）：

（4）工作面回采率的计算

工作面回采率（Sf）：

工作面煤炭损失率（Sf`）：

2．放顶煤综采采区煤炭回采率计算

采区回采率（Sp，%）：

式中Q1`——改正后的采区产量，t；

Qs`——采区可采储量，t。

采区煤炭损失率（Sp`，%）：

采区采出煤量（QT）为采区内各工作面实测产量与采区巷道掘进煤量的总和，其计算方法如下：

式中∑Q2i——巷道掘进出煤量，t；

∑Q1i——采区工作面改正煤量总和，t。

巷道掘进煤量可用下式计算：

式中Ai——煤巷断面积，㎡；

Li——各煤巷长度，m。

放顶煤综采采区的煤炭损失主要有：

工作面内各类煤炭损失，如工作面初采、末采损失量，工作面端头、端尾损失量，支架放煤口脊背损失量以及其他各种工艺过程中的煤炭损失量等。

还有工作面以外的各类煤柱损失，其他不可预见的损失。

在实际统计煤量时，往往出现统计产量与计算产量间有严重差别，即采出煤量出现涨吨现象，涨吨量抵消回采中的各类损失，造成工作面回采率偏高。

因此，对统计产量一般应除以1.1倍的涨吨系数。

四、综放开采工艺煤炭损失分析量及其特点

综放开采时煤炭回收率偏低主要是由以下几方面的因素引起的：

（1）放顶煤开采决定的损失

（2）放煤工艺造成的煤炭损失

而这些损失有的是可以避免和减少的，有的则是不可避免的。

任何井工开采方法都不可能将井下煤炭资源百分之百地采出来，总是有一部分损失。

采煤方法不同，其损失量的构成也不同。

综采放顶煤是一种特殊的采煤工艺，它的损失量的构成与传统的开采方法不同，有以下几种：

1.初采顶煤损失量

初采损失为顶煤初次垮落以前顶煤无法回收以及直接顶垮落前顶煤只能回收一部分所造成的损失。

初采损失由两部分组成：

一是顶煤在工作面离开切眼后不能及时垮落而丢失的部分；二是顶煤开始垮落后、直接顶垮落前有一部分顶煤落在采空区里无法回收而丢失的部分。

在顶煤初次垮落以前，高度为h1的顶煤全部丢失。

当顶煤初次垮落步距为s1时，其损失量按下式计算：

式中N1——顶煤初次垮落前的损失量，t；

s1——顶煤初次垮落步距，m；

l——工作面长度，m；

h1——顶煤厚度，m；

γ——煤体的容重，t/m3。

在顶煤全部垮落而直接顶尚未垮落的情况下，当支架移动一个放煤步距s后，高为h1的顶煤，垮落后其横截面积可以表示为h1*s。

由于直接顶尚未垮落，顶煤垮落后按安息角呈自然堆积，此时冒落的顶煤尚未形成放落漏斗，只能放出堆积体积线以上的落煤，其下部分全部丢失。

其损失量按下式计算：

式中N2——顶煤初次垮落后至直接顶垮落前的顶煤损失量，t；

s2——直接顶初次垮落步距，m；

b——支架掩护梁长度，m；

α——散煤自然安息角。

则工作面的初采损失为：

；

图1顶煤初采损失计算图

为了给支架安装创造条件，防止开切眼顶煤冒落，掘进时就铺设顶网，其长度等于开切眼的长度，宽度6-7m。

这一部分煤由于金属网的阻挡，不能从天窗放出而丢弃。

其损失量占采区总损失，最大为4.66%，最小为2.48%，平均为4%；占采区回采率的1%左右。

2.末采顶煤损失量

末采损失量与顶煤的物理特性无关，只与顶煤的厚度和工作面长度有关：

式中s3——工作面停采前不放煤的推进距离，m。

工作面到达停采线以前，为了保证支架拆除时的顶煤完整性，距停采线12m时，开始铺顶网，不放顶煤，直到停采线止，这一部分煤也不能采出。

其损失量占采区总损失的4.01%，占采区回采率的1%以上。

3．工作面两端顶煤损失量

综放工作面两端一般各有2架过渡支架不放煤，所造成的顶煤损失量可按下式计算：

式中s0——工作面走向推进长度，；

β——顶煤放落角；

n1——工作面端头不放煤支架数。

为维护工作面上下端头和运输设备的安全，工作面两端各有两架不放顶煤。

按每端2.5m计，共有5m不放顶煤，其损失量平均占采区总损失的7%左右，占采区回采率的2%左右。

图2端头损失计算图

4．工作面上、下顺槽顶煤损失量

为了保持巷道顶板的完整性，掘进顺槽时，在支架与顶板之间铺有一层金属网，为强化工作面端头支架创造条件。

因此，两巷顶煤全部损失。

5．脊背损失量

在相邻两支架的天窗之间，有一个类似三角状的煤带，煤带大小与支架结构有关，这部分煤不易从天窗中放出，被遗弃在采空区中。

因放煤工艺，该项损失是不可避免的，其损失量约占采区总损失的1%左右，占采区回采率的0.5%。

6．工作面放煤工艺损失量

放煤工艺造成的顶煤损失构成比较复杂，主要有脊背损失、矸石混入过多而失去采出意义造成的损失、大块煤矸卡口造成的损失等。

其影响因素有煤层硬度、采放比、顶煤节理裂隙发育程度、煤层上覆岩层结构、工作面仰俯斜角度、选用架型、循环放煤步距、放煤方式、后部输送机高度、放煤工的熟练程度和责任心等。

这一煤量尚无办法计算，但在某一个工作面的实际回采率确定后，工作面总损失量中减去上述几种损失为工艺损失。

沿工作面长度方向上任意处都能够进行放煤，因此存在着放煤顺序和放煤口同时开启的数目问题。

一般常用的方式有：

单轮、多口、顺序、不等量放煤方法，多轮、分段、顺序、等量放煤方法和多轮、间隔、顺序、等量放煤方法等几种。

这几种方法基本上都能使煤岩接触面保持沉降均匀。

最佳的放煤工艺应是回采率高、含矸率低，而改进放煤工艺使之更合理，可以提高回采率、降低含矸率。

梁宝寺煤矿在选择放煤方式时主要是应根据煤层的厚度来确定，经实践证明，单轮间隔顺序放煤效果最好，而且这种方法工人既比较容易掌握，脊背损失相对又小。

放煤顺序是按1号、3号、5号……支架顺序进行放煤，放完后再以2号、4号、6号……支架顺序放煤，见矸关门。

为了加强放煤速度，也可以两个放煤工相隔一定距离同时放煤，一人放单号支架，另一个人迟后放双号支架。

这种放煤工艺适用于放采比不大的工作面。

由于放煤速度快，回采率较高，矸石混入量也较少，所以实际采用效果较多。

经实际观测，顶煤在放出过程中，顶板岩石和煤层接触面并不总是截然分开的，而是发生了混合，形成了一个煤、岩混合段。

这个混合段的厚度现还无法测定，且与顶煤的可冒性、直接顶的厚度以及放煤操作方法有关。

这项损失量是放顶煤的重要损失量，对回采率的影响极大。

其损失量平均占采区总损失量的35%左右，占采区回采率的11%。

因此，如何降低工作面放顶煤工艺损失量是提高放顶煤回采率的关键。

5、提高综放工作面回采率的研究对策

1.减少工作面煤炭损失、提高回采率

造成工作面煤炭损失的因素较多，损失量也较大，采取以下技术措施降低各部分煤炭损失量，是提高综采放顶煤开采煤炭回采率之重要途径。

（1）减少初末采煤炭损失措施。

工作面开切眼沿煤层底板掘进，并尽量减少不放顶煤的距离是减少工作面初采损失的重要途径。

工作面末采时，取消爬坡收尾方法，坚持在顶煤下收尾；同时尽量减少末采段不放顶煤的长度；切眼支护材料全部回收,有利于切眼内顶煤的放出,减少切眼内顶煤损失。

（2）减少两端头损失的技术措施。

工作面两端头不放顶煤是为了安全和巷道布置不合理而造成的。

减少这部分损失的措施有二：

一是合理布置巷道，将巷道沿底板掘进，消除端头顶底三角煤损失；二是使用端头支架和过渡支架，将工作面刮板输送机的机头和机尾安装在巷道支架下，并试验支架顶铺金属网及其它端头管理措施，尽可能将工作面端头顶煤放出来。

2.合理确定放煤工艺及放煤步距

放煤工艺的选择应考虑顶煤厚度、煤层硬度、煤层倾角、支架架型、放煤口间距等因素，一般说来，多轮顺序放煤的顶煤回采率最高，单轮间隔放煤次之，单轮顺序放煤最差。

在放煤口间距一定的情况下，当顶煤厚度较小时，采用间隔单轮放煤，可以收到较好的效果，且工艺简便；当顶煤厚度较大时，应采用多轮顺序放煤工艺。

综放工作面放煤工艺主要有单轮顺序放煤，单轮间隔放煤和多轮顺序放煤三种。

支架架型对放煤工艺及顶煤回采率都有一定影响。

放顶煤支架主要有高、中、低位放煤口三种类型。

高位放煤口允许顶煤冒落松散的空间高度较小，不利于顶煤破碎和放出；低位放煤口允许顶煤冒落松散的空间高度较大，有利于顶煤冒落和放出。

放煤步距也是影响顶煤回采率的重要因素。

合理的放煤步距必须与支架架型、顶煤厚度、顶煤断裂角、松散煤岩体运动规律等相适应。

放煤步距太大，顶部煤岩分界面先于采空区侧到达放煤口，致使采空区侧部分顶煤不能放出；放煤步距太小时，采空区侧的矸石先于顶煤到达放煤口，使顶部煤炭不能放出。

因此，只有顶部及采空区侧矸石同时到达放煤口的放煤步距才是最佳的，顶煤回采效果最好。

3.合理确定倾斜长壁综放面推进方向

由于倾斜长壁采煤法具有巷道布置和生产系统简单，工程量小，生产费用低等优点，因此在许多开采缓倾斜煤层的矿井中得到应用。

当采用放顶煤开采倾斜厚煤层时，仍广泛采用倾斜长壁巷道布置系统，煤层倾角确定了松散体的流向，必须合理选择工作面推进方向及放煤步距，以减少顶煤损失。

4.新型设备应用与推广

我矿3418综放工作面3418综放工作面选用69组支架对顶板进行全支护法管理，全部采用新型支架，其中基本液压支架ZF10000/19/36D型低位放顶煤支架63架，ZFG10000/22/34D型放顶煤端头支架6架。

新型支架在我矿得到了很好的推广与应用，取得了可观的成效，对该面煤炭回收率的提高起到了不可替代的作用。

5.加强工作面煤层注水,使煤体软化,促使顶煤及时冒落,提高放煤效果

煤层注水对软化煤体，降低煤层硬度，缩小顶煤垮度的块度，提高回采率有较为明显的作用，同时，又能减少生产过程中的煤尘浓度。

因此，在放顶煤工作面，煤层硬度较大时，应实行煤层预注水措施：

非采动区静压注水或采动影响区内注水。

在煤岩层的生成过程中，由于各种地质力学和地球化学的作用，在煤岩体内部产生节理裂隙等许多弱面。

煤岩体注水技术是通过钻孔向煤岩体预注高压水，压力水进入煤体后沿弱面流动，起到压裂和冲刷作用，以及水对裂隙尖端的楔入作用（水楔作用），使煤岩体扩大了原有裂隙，产生了新的裂隙，破坏了煤岩体的整体性，降低了强度，从而改变煤岩体的物理力学性质，提高综放工作面顶煤的冒放性。

图3残煤高度与残煤粒度

6.加强放煤管理,减少采放工艺损失

（1）煤矿生产单位应根据煤层赋存特点、矿压大小、顶煤断裂状态和松散煤岩运动规律并采用实验室模拟、现场实测与理论分析相结合等方法,来确定合理的放煤步距和采放比。

（2）加强放煤操作工的技术培训，提高放煤技术，增强放煤工的责任感，严格执行规定的放煤步距和放煤顺序。

同时加强对放顶煤工作的有效监督，坚持跟班跟架检查的放顶制度。

要制定合理的激励措施，提高工人对放煤和回收煤的责任心。

（3）加强储量监督管理，健全计量管理。

工作面煤层厚度计算要准确，工作面正常情况下每推进一定距离（如10~12m）探1次煤厚。

如遇到地质变化，适当减小探煤距离。

每个探点必须探到顶、底板并丈量采高，保证储量计算的准确性;准确测算综放面的回采产量，保证回采率数据的准确性，为顶煤放出提供科学依据。

（4）工作面放煤执行分组单轮顺序间隔放煤，采用采一放一，先放1#、3#、5#、……，后放2#、4#、6#、......，严格按照放煤工艺进行放煤，放煤时随时观察尾梁、插板、尾梁喷雾情况，发现问题处理好后方可放煤。

放煤工在分段放煤时，不得超过3处，每段间距要大于20m，严格控制放煤量，专人监护放煤，见矸即停，以防煤量过大压死后部刮板输送机及矸石进入运输系统影响煤质。

（5）工作面两端头的端头放顶煤支架，可用摆动尾梁或插板插破网的方法将煤放出。

摆动尾梁及插板插网时，后部刮板输送机必须停电闭锁，并专人监护，相邻4个支架严禁操作。

六、效益分析

1、通过各项措施，提高综放工作面的回采率，2013年3416综放工作面、3316综放工作面、3312综放工作面、3418综放工作面，按面长100m计算，每个循环多放出煤0.5m，则每循环多采出煤炭57吨，按2个综放工作面，每面每天5个循环，吨煤利润150元计算，每天多采出煤炭570吨，盈利8.55万元，每月多盈利256.5万元，2013年创造经济效益3078万元。

2、随着我国煤矿放顶煤开采的扩大应用，通过提高综放工作面的回收率，多采出煤炭资源的同时，可创造较为可观的经济效益，减少了资源的浪费，取得可观的社会效益。

七、结语

综采放顶煤开采具有高产高效、低耗等显著优点，已为采矿界所公认，但其回采率较低，未达到国家规定也是众所周知的。

造成综采放顶煤开采煤炭损失的原因是多方面的，只要合理确定采区参数及巷道布置，加强工作面初末采及工作面端头管理，针对具体条件确定合理的放煤工艺及放煤步距，加强综放面巷道沿空留巷、沿空掘巷等的研究，尽量减少各种煤炭损失，提高回采率，使之达到国家规定的采区回采率指标是完全可能的。