邢台矿人工假顶下较薄厚煤层轻放开采实践

摘  要：本文介绍了金牛能源邢台矿针对所采2#煤顶分层开采后，人工假顶下赋存较厚底分层，采用先进的轻型放顶煤技术，充分回收资源的开采实践，使得综合回收率达到91%以上，并总结出切实可行的放煤参数和人工假顶管理经验。

关键词：轻放开采；人工假顶； 较薄厚煤层；综放工作面

随着近年来科学技术的飞速发展，采掘机械化水平逐渐提高，综合机械化放顶煤开采工艺通过近十几年的发展，已基本成熟。但煤炭作为不可再生资源，经过长时期高强度的开采，众多老矿区特别是象邢台矿区邢台矿这样一个开采37年的老矿井，资源日益减少。只有依靠科技进步和技术创新，优化采煤方法，加强资源管理力度，充分回收有限的煤炭资源，不断提高资源回收率，才能实现矿井的高产高效发展。

该矿7610工作面由于受断层构造影响，煤层较厚，在分层开采顶分层后，底分层仍剩平均近4m的煤厚。为充分回收煤炭资源，通过优化传统开采方法，采用轻型放顶煤工艺回收底分层资源。从优化放煤参数，加强人工假顶下顶板管理入手，使工作面回收率相比综采分层提高16个百分点，经济技术效果非常明显。

1、工作面概况及煤层特征：

7610工作面倾斜长100m，走向长630m；标高在-200—-300m水平之间，煤厚3.6～4.6m，平均3.94m，单斜构造，平均倾角12°；煤层上部有一层厚约0.25m的夹矸把煤层分为上、下两层，上分层平均厚约0.95m，下分层厚约2.94m。煤层顶板是原顶分层开采后形成的人工假顶，为一层金属网和碎矸石构成，强度较小，且局部无顶网，顶板松软破碎。底板为砂质泥岩和砂岩。工作面选用ZFQ2400—16/24型四柱单摆杆低位放顶煤支架及其配套设备进行回采，切眼内布置综放支架80架，设计采高2.2m，工作面设计回采煤量49.9万t。

2、人工假顶下轻放开采底分层可行性分析

2.1、轻放支架对软弱顶板复杂条件下开采的适应性分析

邢台矿应用ZFQ2000—21/28低位轻放支架及其配套回采设备，近几年先后成功开采

图.2.1   7610工作面支架和煤层结构示意图

了7713、7505、22205三个全煤厚工作面及平均4.2m煤厚的7800煤柱工作面，通过开采实践证明，该支架对于软弱煤层顶板条件适应性较强，具有支撑力大，护顶效果好，稳定性强，并且人工假顶在割、放煤后顶板为整体柔性下降，因而完全能够满足顶板的支护需要，加上轻放支架后尾梁伸缩摆动灵活，对采空区的煤矸封闭性好，顶煤的可控性灵活，对轻放开采底分层局部顶网铺质量差，顶板胶结质量差破碎等情况有很强的适应性：

2.2、邢台矿有着多年人工假顶下综采分层开采的成熟经验

由于邢台矿近二十几年应用ZY3200—14/34型综采支架及其配套设备、合理的综采分层开采工艺，先后成功开采了上百个工作面，总结出了一套成熟的软弱人工假顶控制、支护经验，积累了丰富的综采分层开采技术措施和安全技术经验，锻炼了一支较高素质的施工队伍。

2.3、本矿有一支成熟的地质勘探队伍，设备齐全为精确掌握工作面的底分层煤层复杂地质构造情况提供了可靠的地质保障；能够及时、准确的掌握底分层煤厚变化情况，为工作面放煤参数确定和阶段限厚放煤管理提供了准确技术依据。

2.4、工作面上覆人工假顶胶结质量较好

7610工作面所采煤层覆岩，含有隔水性较强的泥质粉砂岩、铝土岩，夹杂在钙质胶结的细中粒砂岩之中，与泥质胶结的细中粒砂岩及粉砂泥质岩形成一个软弱破碎的岩体，顶分层开采冒落后有利于和预铺顶网形成一层胶结质量好完整的人工假顶，且顶分层回收相隔时间仅两年，假顶金属网没有生锈失效，顶板完整有一定强度，使得煤、矸形成鲜明分界，为底分层应用轻放开采工艺、确保端面顶板完好和分离、阻隔采空区矸石及放煤控制、降低顶煤含矸率方面都有积极意义。

3、优化人工假顶下薄煤放顶煤参数

3.1、放煤厚度下限的确定

任何放顶煤工作面都存在一个顶煤损失问题，当放煤间距一定时，顶煤损失量为一确定值，与顶煤厚度、放煤方式关系较大，因此，7610底分层工作面人工假顶下利用轻放设备回收，其放顶煤厚度不应低于某一高度值。根据《放顶煤开采理论基础》，顶煤厚度下限：

H=（L/m0.5）2/(2+n)

式中，  H--------顶煤厚度下限，m；

L--------放煤间距,m；

m、n-----理论实验常数，m=0.985-1，n=-0.85～-1。

工作面放煤时采取顺序逐架放煤，放煤间距在1.25m时，即L=1.25m时，

H=（1.25/m0.5）2/(2+n)=1.49m；

采取隔架放煤，放煤间距在2.5m时，即L=2.5m时，

H=（2.5/m0.5）2/(2+n)=4.986m（显然不符合该面实际）；

可见采取轻放工作面放煤时逐架放煤，即放煤间距控制在1.25m，放顶煤厚度不应不低于1.49m。试验7610工作面应用轻放工艺开采，顶煤厚度在1.74～2.4m之间，逐架顺序放煤，理论上是可行的。

3.2、放煤步距的确定

放顶煤工艺合理地选择放煤步距，对提高煤炭回采率、降低含矸率是至关重要的，它与工作面顶煤的厚度、破碎、松散程度及放煤过程有关，同时也应考虑支架结构、放煤口位置、大小和顶煤冒落的垮落角。

根据《放顶煤开采理论基础》，放煤步距的计算公式：

d=(0.15～0.21)h

式中，d------放煤步距，m；h------放煤高度，m。

7610工作面最厚顶煤厚为2.4m。带入公式计算得：d=0.36～0.504m，考虑到顶分层开采对底分层煤体破坏，放煤步距取0.5m是比较符合要求的，加上顶煤在人工假顶和顶板压力的作用下，能够充分冒落，故人工假顶下较薄厚煤层采用一采一放煤步距。

3.3、放煤方式的确定

传统上，邢台矿应用此套轻放设备开采2#煤全煤厚工作面，即开采6.2m煤层，顶煤厚度平均4m时，根据本矿所采2#煤层埋藏深度、顶板岩性、煤体破碎成度和放煤工序所需时间及以往综放和轻放的开采经验等因素，工作面采用分段双轮逐架顺序的放煤方式。而76120工作面人工假顶下煤厚仅剩3.6～4.6m，并且顶煤受顶分层采动影响，煤体破碎，冒落性强，显然仍旧采用原有放煤方式是不合适宜的。因此7610工作面回采期间，科学分析本工作面顶板压力，煤体破碎程度及人工假顶将煤矸分开等特点，且顶煤较薄，一次就可以将顶煤放净，考虑到工作面缩短放煤工序时间，增加开机率等因素，确定采用分段单轮逐架顺序式的放煤方式。

4、现场实践效果

通过试验工作面开采现场应用情况来看，坚持正规循环和切实可行的放煤步距和放煤方式，确保工作面支架切顶线直率，使支架放煤口的人工假顶下的顶煤在矿山压力作用下冒落充分、彻底，且正常放煤地段平均每架放煤1～4min，极大的缩短了放煤工序时间，增加了开机率；并且由于人工假顶和胶结层柔性、整体性降低了顶板来压强度，减少了顶板事故对生产的影响。同时顶煤损失和放煤工的责任心有很大关系，这部分丢失的顶煤随意性很大，无法准确计算，现场统计估算在6～20%之间。因此放煤管理重点落实在施工单位现场监督、提高放煤工的责任意识及有效的顶煤考核计量和有关的奖罚制度上。

5、强化现场管理，实现高产高效

5.1、 充分利用工时 合理安排工序

为增加工作面推进速度，增加开机率，必须减少两端头停留准备时间，视各工序先后顺序、相互联系和占用时间多少，合理地对工时、人员进行有效利用，科学地组织生产。对循环作业每一工序的使用人员进行合理配置，在符合作业规程要求的前提下，深化多种工序平行作业管理，利用移架架前、架间掉煤和放顶煤相结合，严格放煤方式和放煤工序时间管理，最大限度地提高工时利用率和工作面开机率。根据7610工作面两端头工作量大和放煤工序繁忙等原因，除增加两端头和支架工作人员外，并且在机组到达端部之前，把两端头和工作面顶板维护、改移长梁、回柱放顶等准备工作提前做好。

5.2、 强化现场管理力度

7610工作面地质条件复杂，加上放煤工序繁多，为确保各工序减少相互影响，降低工时浪费，增加工时利用率，加快工作面推进速度，就必须强化现场管理。

5.2.1、深化放顶煤管理：

a、放煤工严格遵循轻放正规循环作业，精确掌握放煤口人工假顶和煤矸混合比例，严格控制放煤口，确保煤炭含矸率≤20%；工作面正常情况下，保证沿底回采，严禁丢底煤和破底回采；断层附近必须按规程措施割平割直尽量少破底，减少断层三角煤的丢失，最大限度的回收煤炭资源；当顶煤较坚硬不易冒落放出时，可在放煤的同时反复升降支架，破碎顶煤以利放出；加强工作面顶板管理，尤其是断层附近及假顶无网且胶结质量差的地段，加强顶板支护和放煤管理，防止流碴冒顶事故发生，减少矸石量对煤质的影响；工作面两端头人工下卧，确保工作面全部沿底回采，减少两端头三角煤的丢失。

b、加强区队现场管理力度，各班组相互监督检查，严格班评估制度；职能科室主管人员经常深入现场一线检查、进行技术指导。

5.2.2、 工作面机电设备管理：

工作面回采过程中，生产单位严格制定相关机电设备维修保养措施，有计划地对各种机电设备维护保养和定期检修，对于采煤机、运输机等重点设备除每日必检外，还定期解体检修。各种保护装置班班试验，确保其动作灵敏可靠。

5.2.3、  两巷及安全出口采取单体支柱穿铁鞋以减少其钻底量，增加初撑力。并使用两根4m长π型长钢梁配合铰接顶梁共同维护两端头。当巷道顶板压力大、底鼓严重时，增加一排单体并合理使用双楔顶梁，扁肖齐全有效。

5.2.4、控制割、放煤量，防止运输机压死及断链：

工作面为避免运输机被压死和断链等恶性事故事发生，回采过程中严格执行正规循环作业，推溜在机组后滚筒12～15m，严防运输机弯死弯，及时支护顶板并打出护帮板，提高支架初撑力以防止煤壁压酥片帮；每次交接班必须把溜子开空后再停机。放顶煤、移架期间，运输机保持运转，以减少单位时间内溜子内的煤量，特别是在工作面外段，工作面面长达到90m以上时，放煤时严格控制单位时间内工作面放煤量。来压期间，防止长时间停运输机，保证空运输机交接班。

5.2.5、  工作面顶板管理：

①、初采期间，工作面割煤保证“三直一平”，及时调整伪倾角度和支架支护状态，顶板破碎片帮严重时，支架必须及时支护暴露顶板并随时根据顶板情况，利用支架侧护板和单体支柱辅助调整其支护状态，避免出现支架倾倒挤咬和出现台阶等现象；合理控制初采期间放煤量50%，顶空严重减少放煤量。

②、正常回采期间，严格遵循综放回采工艺，坚持正规循环作业，合理掌握机组的割煤速度，使移架推溜速度保持协调一致，避免出现顶板长时间大面积暴露。假顶破碎无网、煤壁片帮严重地段支架要超前支护并打出护帮板，必要时在顶梁上穿工字钢背大板维护。同时要准确地掌握工作面来压步距，来压期间，提高支架初撑力，除及时维护顶板外还要加快工作面推进速度，减少顶板来压对工作面的影响。

③、对于工作面两巷顶板维护超前支护长度按规程要求挑够。当实际回采过程中两巷顶板压力较大，变形严重时，超前支护长度适当延长并且单体液压支柱全部穿鞋，对巷道进行下帮扩帮卧巷处理。

④、加强液压支架的检修工作，及时更换损坏部件和高压管路。合理配比乳化液浓度，确保支架初撑力达到规程要求

6、主要结论：

⑴7610工作面人工假顶下较薄厚煤层轻放开采成功实践，相比综采分层可多回收煤炭8.96万t，综合回收率达到91%；原煤回份较全煤厚放顶煤开采，降低了7个百分点。为今后类似条件下资源充分回收提供成功范例：顶分层采用预铺金属网综采开采，底分层采用轻型放顶煤工艺开采。

⑵人工假顶下轻放工作面的回收率与工作面的采放工艺密切相关，要根据具体的煤层厚度、顶板性质、煤体破碎程度确定合理的采放比、放煤步距、放煤方式、放煤顺序。对于平均近4m厚的人工假顶下较薄厚煤层采用一采一放、分段单轮逐架顺序放煤的采放工艺是比较合理的，取得了显著成效。

⑶放顶煤工作面的顶煤回收率与放煤工的责任意识、施工单位现场监督力度、有效的顶煤考核计量和奖罚制度有很大关系，因此必须制定严格的顶煤回收管理制度，加强现场监督力度和实行重奖重罚，并严格放煤考核手段，以保证工作面综合回收率。

参考文献：

[1] 于海勇 . 放顶煤开采基础理论 [ M ] . 北京：煤炭工业出版社 . 1995.