1、专题部分提高综放工作面采出率的理论与技术研究摘要：综合机械化放顶煤开采技术是厚煤层开采的有效方法之一，20多年来在我国得到了迅速展，取得显著的经济效益和技术效果。但是该技术煤损大，采出率低，严重制约着技术的发展。本文通过对综放工作面的煤炭损失的各种因素研究，对提高综放采出率的各项技术措施进行了一一分析，提出能提高综放工作面采出率行之有效的技术措施，具体重大的科学和工程意义。关键词：综放工作面；煤炭损失；采出率Increase the rate of recovery of fully mechanized sub level caving face theory and technology
2、researchAbstract: comprehensive mechanized caving mining thick coal bed mining technology is one of the effective ways, more than 20 years in our country to get the quick exhibition, achieve significant economic benefits and technical effects. But the technology coal loss is big, recovery rate is lo
3、w, severely restricts the development of the technology. This article through to the fully mechanized top-coal caving face coal losing of all kinds of factors research, to improve the technology of the fully-mechanized sublevel caving recovery rate and the measures for them are analyzed, and can imp
4、rove the recovery rate of fully mechanized sub level caving face of effective technical measures, and the specific important scientific and engineering significance.Key words: fully mechanized sub level caving face ；Coal losing ； Recovery rate0 引言 煤炭是我国最主要的一次能源，也是不可再生的有限资源。长期以来，煤炭在我国一次能源的生产与消耗构成中占70
5、%以上的比重，保证了国民经济快速发展的需要。未来几十年世界能源与中国能源需求都将持续增长，从能源安全与经济合理的角度看，国内能源缺口还主要依靠煤炭来解决。这是由我国富煤，缺油，少气的资源赋存客观条件所决定的。即使是相对丰富的煤炭，我国人均占有量也仅为世界平均水平的一半，矿井的煤炭资源采出率只有发达国家的二分之一。因此，提高煤炭资源采出率和利用效率，使珍贵的不可再生能源资源得到最充分的利用，对于保证我国国民经济的持续健康发展有着十分重要的意义，也将是我国的长久国策，因此，如何提高综放工作面采出率是我国煤炭资源开发面临的一个关键问题。综放开采是我国厚煤层尤其是10m 左右厚煤层开采的主要方法，综放
6、开采技术具有工作面单产高，能源和材料消耗少，巷道掘进率低，生产成本低及对地质条件适应性强等优点，但也存在一定的问题，其中核心问题是采出率偏低。在浅埋坚硬特厚煤层条件下，由于煤层埋藏浅，采动支承压力峰值低，影响范围小，对顶煤的作用时间短，坚硬厚顶煤往往难以冒放，有关学者采用顶煤动压注水，预爆破等手段对难放顶煤进行弱化，并取得了一定的效果，但上述措施势必增加吨煤生产成本，内蒙，甘肃，新疆等西部矿区受限于煤价低，矿区缺水，从经济因素考虑采用上述方式提高采出率的可行性不高，必须从分析综放顶煤的损失组成入手，在确保吨煤成本基本不增加的情况下，实施一系列提高综放采出率的措施，实现综放面高采出率回采。1 概
7、述1.1 综放采煤的发展与现状综合机械化放顶煤开采工艺是20多年来在我国迅速发展起来的一种开采厚煤层的安全，高产高效新技术。施工的主要工艺是在开采过程中沿厚煤层的底板布置一个采煤工作面，由液压支架进行支护，工作面煤壁由采煤机等进行开采，采落的煤装入前部刮板输送机，而上部煤体则在矿山压力等作用下在工作面支架后方冒落并通过支架放煤口放入到工作面后部刮板输送机上。据2003年统计，我国综放工作面采出率平均为8183。根据煤炭行业政策，厚煤层回采工作面的采出率必须达到93以上，因此提高综放工作面采出率是急需解决的一个重要课题。我国先后在辽源矿务局，乌鲁木齐矿务局，平庄矿务局，平顶山矿务局，阳泉矿务局，
8、潞安矿务局，晋城矿务局，郑州矿务局，兖州矿务局等应用放顶煤开采。目前大多数采用综放开采的矿井都取得了良好的技术经济效果。1.2 厚煤层综放回采率分析1.2.1 初末采损失初采时，工作面推出开切眼后可进行放煤。为避免直接顶压坏尾梁，在顶板初次垮落前，一般不放或不将顶煤放净，让散落的顶煤作为保护支架的垫层。采空区煤岩垫层一般要超过支架高度，沿工作面推进方向，一般有5m 左右的顶煤不能放出，但损失煤量不多，占工作面总损失的1%左右。工作面回采临近结束时，为了安全撤出工作面液压支架等设备，一般有10m左右不放煤，煤量损失占工作面总煤量的1%2%。1.2.2 端头损失工作面在回采过程中，为了维护工作面上
9、下两个安全出口，且由于工作面两端过渡支架下方设备体积庞大，靠近机尾一侧的端头支架下方没有运输设备等原因，上下两端各有23支架不放顶煤，煤量损失占工作面总损失的5%以上。放顶煤工艺损失开采时的放顶煤工艺损失为综放工作面的主要损失。因为放顶煤是在矿压作用下垮落破碎后自然放出的，顶煤放出量受多种因素影响，包括自然因素，如顶煤厚度，顶煤硬度，节理裂隙发育情况，夹研情况，直接顶产状，埋藏深度等。也包括人为因素，如支架架型，支撑强度，放煤机构，放煤口大小，放煤工艺参数与操作经验等。煤量损失一般为工作面总煤量的10%12%。1.2.3 放顶煤工艺损失开采时的放顶煤工艺损失为综放工作面的主要损失。因为放顶煤是
10、在矿压作用下垮落破碎后自然放出的，顶煤放出量受多种因素影响，包括自然因素，如顶煤厚度、顶煤硬度、节理裂隙发育情况、夹研情况、直接顶产状、埋藏深度等。也包括人为因素，如支架架型、支撑强度、放煤机构、放煤口大小、放煤工艺参数与操作经验等。煤量损失一般为工作面总煤量的10%12%。1.3 综放采煤的工艺流程长壁放顶煤采煤法：开采缓斜厚煤层时，先采出煤层底部长壁工作面的煤，随即放采上部顶煤的采煤方法。或在缓斜厚煤层的底部（或煤层上部某一范围的底部）布置长壁工作面用常规方法进行采煤，随该工作面推进，利用矿山压力或人工破碎方法，将顶煤破碎，而后将顶煤放出，由采面运出。放顶煤采煤工艺基本特点： （1）采煤工
11、作面采煤：同综采，普采，炮采。 （2）增加了放顶煤工艺。（3）采煤循环完成采，放全部工序过程。 图1-1 顶煤破坏区域分布1.3.1 顶煤破坏过程初始破坏区A：在支承压力作用下，煤壁前方较远处顶煤由弹性变形进入塑性变形，原生裂隙扩展，顶煤初始破坏。支承压力峰值大小与工作面长度有关。破坏发展区B：受顶板回转作用，煤壁前方附近顶煤发生破坏，裂隙扩展，位移增大。 裂隙发育区C：支架反复支撑，控顶区内的顶煤形成发育的裂隙。支架反复支撑，形成交变应力，破碎效果提高。垮落破碎区D：顶煤完全破坏，失支连续性，在支架后方垮落放出，见图1-1。1.3.2 顶煤放出规律椭球体放矿理论认为：矿石在采场破碎后，是按近
12、似椭球体形状向下自然流动下来的，即原来所占的空间形状为一个旋转椭球体，放煤椭球体表面上的颗粒将大体同时到达放煤口。 见图1-2。图1-2 椭球体理论放煤口间距l大小影响放煤效果，当l 2时，脊背煤损失大；l 越大，损失越大；对于低位收尾梁放顶煤支架而言l=0，应注意放煤工艺的改进，减少顶煤混矸量。当l 2时，脊煤损失小，煤矸石混杂；支架选取后，l是确定的，要求合理放煤工艺，减少煤损，不增加混矸。见图1-3图1-3 放煤口间距大小不同效果1.3.3 放煤步距的确定 放煤步距是指两次放煤工序之间，综采面推进方向的前进距离，其值为采煤机截深的整数倍。通常有：一刀一放；二刀一放；三刀一放。合理选择放煤
13、步距，对提高煤炭采出率，降低含矸率是至关重要的。放煤步距与顶煤厚度，顶煤冒放性，顶煤冒落时的垮落角，煤层的顶板条件及采煤机截深等有关。2 影响综放采出率的因素2.1 综放工作面的煤炭损失构成综采放顶煤开采的工作面损失一般由4部分组成：初采损失，上下端头损失，末采损失和工作面内部工艺损失。据统计各种损失占总损失的百分比分别为：初采损失占3，上下端头损失占11，末采损失占6，工作面内部工艺损失损失占80。其中除工艺损失外， 其余损失都可以根据顶煤损失几何形状进行理论计算。随着放顶煤工艺的发展，各类煤炭损失逐步减小。初采和末采损失和工作面长度有密切的关系，随着工作面走向长度的增长，初采和末采损失将减
14、小。解决端头支架和改进过渡支架后，使其具备了放煤功能，可将上下端头损失进一步下降。在目前的装备和技术条件下，欲进一步降低初采和末采损失，上下端头损失已经没有多少潜力。但是降低放顶煤损失的潜力较大。放顶煤损失与液压支架架型，放煤步距，放煤工艺及顶煤的冒放性有密切关系。见图2-1。图2-1 综放工作面煤炭损失示意2.1.1 初采损失初采期间由于顶煤悬露面积小，支承压力峰值低，故顶煤破碎极不充分，一般冒落不及时，冒落块度大，甚至坚硬难冒，这部分顶煤均丢失在采空区内。初采损失的大小与煤的强度直接相关，也与顶板的稳定性相关，实践证明：软煤条件下，当支架进入切巷煤帮后即可开始放顶煤，损失部分主要是切巷上部
15、的顶煤，一般宽6 7 ；中硬煤条件下，在采取必要措施后，顶煤损失宽度10 15，即相当于直接顶的初次垮落步距的宽度；硬煤条件下， 在采取预松动弱化措施后，顶煤损失宽度为15 20 ，因为此时切巷宽度一般不少于7，支架控顶宽度5以上，后部放煤空间2 左右，因此只有15后才有放煤条件。根据初采工作面开切眼在煤层中的位置，初采损失可分为两种情况一种情况是工作面开切巷沿煤层底板布置，另一种情况是工作面开切巷沿煤层顶板布置。工作面开切巷沿煤层底板布置情况下，初采损失可分为以下3个阶段，第1阶段为顶煤初次垮落以前的顶煤损失，在顶煤垮落前， 顶煤全部不能回收；第阶段为直接顶垮落以前的顶煤损失，顶煤垮落后，直接顶垮落以前由于顶板压力较小，顶煤垮落不充分，随着矿山压力的增大，顶煤垮落越来越高，根据现场观测和相似材料模拟，该阶段顶煤的损失率为50；第阶段为老顶垮落以前的顶煤损失，该阶段在直接顶垮落后随着工作面的继续推进，矿山压力逐渐增大在接近老顶初次垮落以前顶煤基本达到充分垮落，该阶段顶煤的平均损失率约为25。因工作面开切巷沿煤层底板布置生产的初采损失率为 式中： 为初采损失率；M 为煤层厚度， ；为工作面采煤机割煤高度，； 为夹矸厚度，； ， ，为分别为顶煤，直接顶，老顶的初次垮落步距，。工作
