薛曉軍

（太原煤氣化龍泉能源發(fā)展有限公司，山西 太原 030303）

北辛窯煤礦11 采區(qū)煤炭?jī)?chǔ)量總計(jì)110.38 Mt，可開(kāi)采儲(chǔ)量44.76 Mt。采區(qū)南北走向長(zhǎng)度為6.0 km，東西傾向?qū)挾葹?.6 km，開(kāi)采面積為17.9 km2。受地質(zhì)構(gòu)造的影響，采區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，煤層屬于三軟煤層，如果采用傳統(tǒng)的采煤方法，在開(kāi)采過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多不安全因素，且頂煤的回收率較低；由于放頂煤開(kāi)采對(duì)地質(zhì)及煤層賦存條件適用性較強(qiáng)，因此，考慮使用放頂煤開(kāi)采方法，為安全高效開(kāi)采提供基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)概況

北辛窯煤礦2 號(hào)煤層可開(kāi)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(jié)構(gòu)比較復(fù)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(xì)粒、中粗粒砂巖，裂隙比較發(fā)育；偽頂厚度為0～17.25 m，是灰色、灰黑色的泥巖、砂質(zhì)泥巖；老底厚度為2.81～5.25 m，是灰白色的中細(xì)粒、中粗粒砂巖，裂隙比較發(fā)育；偽底厚度為3.11～9.02 m，是灰色、灰黑色的泥巖。

通過(guò)分析2 號(hào)煤層的頂?shù)装鍘r性特征，可以看出頂?shù)装宓膰鷰r強(qiáng)度低，穩(wěn)定性能較差，底板多是泥巖和砂質(zhì)泥巖，遇水會(huì)出現(xiàn)膨脹、泥化現(xiàn)象。

2 放頂煤工藝參數(shù)

對(duì)北辛窯煤礦2 號(hào)煤層進(jìn)行開(kāi)采，根據(jù)開(kāi)采理論及實(shí)際觀測(cè)[1]，從開(kāi)采底煤開(kāi)始，最后到放入工作面，在開(kāi)采頂板壓力作用下，頂煤先出現(xiàn)明顯變形破裂，然后逐漸被壓裂出現(xiàn)裂隙，煤層松動(dòng)垮裂，最后放入工作面4 個(gè)過(guò)程，頂煤破壞見(jiàn)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(jī)破煤后采出的煤量和頂煤放出的煤量。隨著采煤機(jī)采煤高度的不斷增加，放煤高度會(huì)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(yè)時(shí)間的增加，放煤作業(yè)時(shí)間會(huì)相對(duì)減少，從而提高整個(gè)工作面的煤炭產(chǎn)出量。在采煤高度增加的過(guò)程中，礦山壓力顯現(xiàn)逐漸加劇。因此，在開(kāi)采過(guò)程中，要求支架的支護(hù)強(qiáng)度足夠高，達(dá)到支撐頂板的要求[2]。影響采煤高度的關(guān)鍵因素是采煤機(jī)的破煤高度和放煤高度，工藝參數(shù)具體如下。

2.1 破煤高度

在確定破煤高度時(shí)，要充分發(fā)揮采煤機(jī)截割高度和破煤速度性能較好的特點(diǎn)，滿足工作面的通風(fēng)要求，確保開(kāi)采時(shí)有足夠的作業(yè)空間[3]。采煤機(jī)的高度一般在2.5～3.6 m，根據(jù)北辛窯煤礦2 號(hào)煤層的實(shí)際開(kāi)采情況，確定采煤機(jī)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(hào)煤層的平均厚度為5.20 m，計(jì)算出放煤高度為2.20 m。

3 放頂煤試驗(yàn)結(jié)果

3.1 放煤步距

在北辛窯煤礦開(kāi)采期間，2 號(hào)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(jié)果表明，在頂煤煤層厚度小于3 m時(shí)，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(shí)，放煤步距為2 m，見(jiàn)矸層晚，頂煤回收率高。在試驗(yàn)的后期，由于煤層的厚度變薄，這時(shí)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(gè)放煤口之間間隔3～4 m。在頂煤煤層厚度小于3 m 時(shí)，采用這兩種放煤方式放出來(lái)的煤量不相上下；但是在頂煤煤層厚度大于3 m 時(shí)，采用自上而下的放煤方式見(jiàn)矸早，且煤矸混雜，放煤量也較少。因此，北辛窯煤礦2 號(hào)煤層工作面更適合采用自下而上的放煤方式。

對(duì)頂煤煤層厚度大于3 m 時(shí)，采用單輪間隔自下而上的放煤方式，工作面采空區(qū)會(huì)形成一個(gè)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(tài)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(huì)發(fā)生偏移，向上延伸的距離隨著頂煤厚度的增大而增加見(jiàn)圖2。

圖2 煤層傾角對(duì)漏斗的影響

為了確保放煤量達(dá)到最大，采用先大間隔再插放煤口的方式，將工作面最先開(kāi)的兩個(gè)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(zhǔn)確把握。因此，將先開(kāi)的兩個(gè)放煤口之間的間距維持在8～10 m，然后在兩個(gè)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(shí)停止。采用這種放煤方式，頂煤的放出量大大增加，原理見(jiàn)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(kāi)1 號(hào)放煤口，放完煤后，再開(kāi)2號(hào)放煤口進(jìn)行放煤，從示意圖中可以看出，2 號(hào)放煤口的漏斗線與1 號(hào)放煤口的漏斗線不會(huì)相交于點(diǎn)A，只能相交于點(diǎn)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(hào)放煤口和2 號(hào)放煤口之間有足夠的間距，1 號(hào)放煤口的漏斗線和2號(hào)放煤口的漏斗線相交于點(diǎn)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(zhǔn)確地計(jì)算出頂煤回收率，沿工作面煤層走向，每隔5 m 進(jìn)行一次頂煤厚度測(cè)量。根據(jù)實(shí)際的放煤結(jié)果，采用低位放煤口方式，降低了采空區(qū)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(jìn)行放頂煤作業(yè)時(shí)，要進(jìn)行嚴(yán)格管控，不能隨意開(kāi)放煤口，要及時(shí)掌握頂煤的厚度變化，根據(jù)煤厚適當(dāng)調(diào)整放煤步距和放煤方式，以提高頂煤的回收率。

4 結(jié)論

針對(duì)北辛窯煤礦2 號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)程不安全問(wèn)題，根據(jù)煤層工作面地質(zhì)概況，對(duì)工作面進(jìn)行放頂煤開(kāi)采試驗(yàn)，結(jié)果如下：

1）確定開(kāi)采工藝參數(shù)，采煤機(jī)破煤高度為3.0 m，放煤高度為2.20 m。

2）在煤礦開(kāi)采期間進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，結(jié)果表明，在頂煤煤層厚度大于3 m 時(shí)，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(dá)到85.8%，頂煤的回收率顯著提高，確保了工作面安全高效開(kāi)采。