含夹矸厚煤层综采工作面托夹矸回采工艺优化.pdf

第 7 期 山 西 焦 煤 科 技 No.72023 年 7 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologyJul.2023技术经验收稿日期:2023-03-10作者简介:吴小斌(1977),男,山西武乡人,2014 年毕业于山西大同大学,高级工程师,主要从事煤炭开采技术工作(E-mail)603596504 含夹矸厚煤层综采工作面托夹矸回采工艺优化吴小斌(山西焦煤集团有限责任公司 官地煤矿,山西太原030022)摘要以官地矿 18502 含夹矸厚煤层工作面为研究对象,针对跟直接顶回采时存在的回采效率低、丢煤多、煤质差、矸石量大等问题,按照“分层分段、先托后放”的调整策略及正规循环作业顶板控制思路,提出托夹矸回采工艺优化技术。实施该技术后,煤质灰分降低了 3.4%,含矸率降低了5.7%,硫分降低了 20%,该工作面多回收原煤 22 万 t,达到了安全、环保的目标。关键词含夹矸厚煤层;托夹矸回采工艺;顶板控制中图分类号:TD823.9文献标识码:B文章编号:1672-0652(2023)07-0029-03当厚煤层存在夹矸现象时,根据巷道围岩控制原则与相关技术研究,往往采用破夹矸跟煤层直接顶掘送方式1-2,尽管这种方式对巷道控制较为有利,但在工作面回采期间,夹矸对煤壁稳定性影响较大,易造成煤壁片帮现象3-5.同时回采夹矸后对煤质影响明显、造成大量矸石需筛选处理,影响经济效益,特别对于一些老旧矿井,受运输条件制约,大采高设备无法投入使用,导致工作面回采时不得不选择留少量底煤回采,与煤矿安全规程第九十八条相违背,亟需对该回采工艺进行优化。1工程背景官地矿 18502 工作面是南五采区下组煤采区首采工作面,回采 8#煤层,工作面可采长度 665 m,采长239 m,可采储量 72 万 t.该工作面煤层为复杂结构煤层,全工作面稳定可采,8#煤层含一层夹矸,厚度0.43.0 m,平均厚度为 1.70 m,普氏系数为 1.52,其岩性为厚度变化较大、较软弱且无稳定层面的炭质泥岩,含硫分大,回采中易随采随落,控制难度极大。8#上厚度为 0.51.45 m,平均厚度 0.98 m,8#下厚度为 2.34.0 m,平均厚度 3.15 m,煤层柱状图见图 1.该工作面使用 ZY9600/25.5/55D 掩护式支架,支撑高度 2.555.5 m,最大有效支撑高度 5.3 m.工作面于 2022 年 5 月 1 日开始初采,采用跟 8#上直接顶开采的方式回采,夹矸厚度 2 2.5 m,受支架支撑高度制约,导致工作面留底煤约 11.5 m.18502 工 作 面 5 月 跟 直 接 顶 回 采 期 间 产 量144 666 t,原 煤 含 矸 率 高 达 36.6%、灰 分 高 达33.19%、硫分高达 3.0%,回采效率低、煤质差、矸石量大等问题突显,严重影响工作面产能释放。2工艺优化技术方案2.1托夹矸调整策略为解决上述问题,需将工作面由跟直接顶回采调整为托夹矸回采6-7,调整示意图见图 2.根据顶板安全为最高优先级原则,制定了“分层分段、先托后放”的总体调整方案,即:1)通过控制采机滚筒截割高度,每个循环托夹矸 150 mm 左右,预计推进约 12 m(约 15 刀煤)后将夹矸全部托住回采,原则上按从两头向中间的顺序逐段分层将夹矸托住。若由于压力过大或夹矸破碎,无法顺序将夹矸托住,可以在该段范围内选择一处顶板相对较为完整的地段将夹矸托住,然后以此为基础向两边扩展,逐渐将顶板破碎处或煤帮片帮严重地段的夹石托住。2)调整前,运输机保持平推,待夹石基本托住后,且采高降至 3.2 3.5 m 时,开始逐步下放运输机,直至跟 8#煤底板进行回采。图 118502 工作面煤层柱状图图 2工作面托夹矸调整示意图2.2两端头管理由于 18502 工作面两巷沿 8#上直接顶掘送,因此工作面两端头需过渡垂直落差 3 m,按照支架错茬不超过支架侧护板的 1/3 要求,每个支架控制错茬为150 mm,计算可得两端头各需过渡 20 架。2.3具体调整方法1)割 煤 时 必 须 将 前 滚 筒 距 顶 板 距 离 调 整 在300400 mm,确保采煤机割煤后煤帮顶部留有 200300 mm 厚的夹矸。采煤机通过后,滞后采煤机前滚筒 23 架超前拉架,用顶梁将夹矸支护,按照这种方法,循环推进,直至将夹矸全部托住。2)调整期间,严格控制采煤机割煤速度,割煤速度要与移架速度匹配。3)调整期间,每日测量运输机的直线,杜绝出现由于亏循环引起的倒架和运输机明显窜动现象;每班测量每 5 个架的采高、夹矸厚度、运输机下山倾角,方便及时调整。3工作面托夹矸回采期间顶板控制3.1总体原则无论是调整期间还是调整后,顶板控制都是最重要的管控内容,总原则是工作面坚持正规循环作业,防止运输机异常窜动及支架由于亏循环而发生的倒架现象,从而进一步引发的各类顶板问题8-9.3.2控制方法为更好地控制运输机直线,采取运输机量偏差法,具体做法为:1)利用每个支架两根立柱与运输机挡煤板的距离差来判断工作面是否亏循环。其原理是:当工作面不亏循环时,工作面支架应和工作面运输机垂直,两立柱与挡煤板的距离应相等,距离差为零。2)当工作面出现亏循环时,工作面的支架与运输机不再垂直,而是斜交。此时,同一支架上的两根立柱与挡煤板的距离不再相等,距离差也不再为零。当亏循环越严重,斜交的角度越大,两立柱到挡煤板的距离差也越大,见图 3.图 3偏差法测量原理示意图3)根据以上原理,可以量取每个支架两根立柱至挡煤板距离差,通过累加计算,可以得出每节运输机槽的相对位置。4)将每一节运输机槽子的相对位置绘制在曲线图上,即可得到整个运输机直线图,见图 4,可以直观准确地分析工作面的整体状况,对于亏循环段,极易造成运输机的异常窜动及支架倒架现象,因此要及时进行补循环作业,始终保证运输机有较好的直线度。4现场实施及相关经验4.1现场实施情况在工艺调整期间,要实时动态掌控工艺调整和现场顶板情况,及时调整运输机直线度和下山倾角、工作面采高、托夹矸厚度、跟底情况。工作面自 6 月 1303山 西 焦 煤 科 技2023 年第 7 期日早班开始调整,至 15 日夜班除两端头过渡段外,其余均顺利实现托夹矸回采,累计使用 3 个圆班,15刀煤。图 4偏差法测量运输机直线图4.2技术经验1)托夹矸分段作业时,过渡段必须平缓过渡,液压支架不挤、不咬、不歪,相邻支架错茬不得超过支架侧护板高度的 1/3.2)顶板破碎或有滚帮现象时,要将支架超前移出,并及时打出护帮板。滚帮超过两架以上,必须停机处理,采取上梁、打超前锚杆护顶、注浆等方式进行维护,相关维护工序和要求在专项措施中明确。3)顶板破碎流渣时,必须采用铺设金属网措施,铺设网的材质、规格、方式在专项措施中明确。4)调整期间不允许出现空顶超标现象,根据现场情况选择合适的支护方法,保证顶板安全的同时确保推进度。在维护顶板过程中做好敲帮问顶、停机闭锁和观顶监护工作。5)每班验收液压支架的工作情况,包括初撑力、倒架、仰俯角等,不允许出现歪斜倒架等现象。液压支架的初撑力达标,控制夹矸与直接顶不离层,防止局部漏顶。加强工作面的顶板管理,确保工作面支护状态良好。5现场实施效果分析5.1矿压观测通过顶板在线监控系统对工作面托伪顶回采后矿压现象进行观测,观测结果见图 5,可以看出:工作面调整回采工艺后,机尾来压较机头与中部剧烈,与现场观测情况基本一致,工作面平均每 6 天来压一次,周期来压步距为 25 27 m,且周期来压期间来压较为平缓,工作面未出现剧烈矿压显现现象。5.2经济效益调整工艺后,采煤机截割速度由 1.5 m/min 提升至 2.53.0 m/min,每班节约人工处理大块矸石 2 h,设备开机率提升约 10%,回采工效提高了 50%;煤炭资源回收率提高了 25%,原煤硫分由 3%降至 2%,煤价增加 25 元/t,多回采 11.5 m 厚底煤,累计增加煤炭资源约 22 万 t,共创造经济效益约 1.28 亿元。图 5工作面支架工作阻力图5.3煤质提升对比 7 月份(调整后)与 5 月份(调整前)煤质情况,见 表 1,灰 分 降 低 了 29.5%,含 矸 率 降 低 了68.3%,硫分降低了 33%,煤质得到了明显改善。5.4安全环保效益通过托夹矸调整工艺优化,有效控制了采高,减少了煤壁发生滚帮伤人的风险,提高了工作面作业安全性与可靠性,给安全生产提供了技术保障。同时,通过实施该工艺,工作面累计减少矸石排放量约 70万 t,节省了大量矸石治理费用。表 118502 工作面煤质对比情况表月份产量/t灰分/%含矸率/%硫分/%5 月份144 66633.1936.63.07 月份177 22723.411.62.0增减比+22.5%-29.5%-68.3%-33%5.5管理经验1)将 8#煤托夹矸回采顶板提级管理,按照 3#、9#煤近距离煤层顶板进行管控,采机割煤后及时拉架,严格按正规循环进行作业,保证运输机直线,同时合理控制采高。2)加强工作面托夹矸回采期间顶板支护质量管理,保证支架无跑冒滴漏、歪斜扭架现象,且初撑力达标。回采过程中发现两个架以上出现煤壁滚帮、顶板破碎现象时,必须停机维护,严格按照专项措施要求管理顶板。3)依靠顶板在线监测管理系统,加强工作面矿压监测,做好周期来压预测预报,为工作面托夹矸回采期间顶板管理提供有效技术指导。6结语在官地矿 18502 工作面应用(下转第 56 页)132023 年第 7 期吴小斌:含夹矸厚煤层综采工作面托夹矸回采工艺优化断裂构造不发育,地层走向为北北东南南西向与构造线方向基本一致。受印支期、燕山期、喜山期等多期构造长期的构造应力伸展挤压作用,地层褶曲形态发育,尤其在软弱岩层及煤层中,揉褶现象普遍存在。煤层形态松软破碎,无结构性,属构造挤压改造煤层。从 2-1201 工作面顺槽揭露情况来看,煤层及其顶、底板中叠瓦状构造普遍发育,煤层中微小型揉皱、层间滑动面密集发育。在煤层顶底板中可见明显的密集微小型断层落差 10 50 cm,发育密度达 3 条/m.受构造影响,整个煤层糜棱化严重,呈粉末状,煤层变的暗淡、松软,煤层原生沉积结构(条带状、微薄层状)全部破坏。副巷虽未揭露较为明显的较大落差断层,但微小型断层十分发育,煤层的无结构性以及普遍存在的煤层层间滑动,使 2#煤呈现明显构造煤迹象。煤层做为一种生物化学沉积岩,在长期的构造应力伸展挤压作用下很容易增厚、变薄,在小的褶曲轴部受挤压增厚,翼部受拉伸变薄。有些地段煤层在长期高温、高压作用下,经过复杂的物理、化学变化,煤中有机质大部流失,致使整个煤层缺失,仅保留煤层层位。在该矿井 2#煤层位上明显可见被严重糜棱化的极薄层及煤线,呈现构造煤迹象5.由上述分析可知,金能井田 2#煤层厚度变化主要受构造作用影响,且煤层的增厚及变薄区的分布范围受构造作用控制,其延伸方向、范围与构造延伸的方向、范围有着密切的相关性。5结论通过对煤层形态和厚度变化的综合成因分析,排除了聚煤期由于聚煤坳陷基底沉降影响而引起的煤层厚度变化,也排除了成煤后期由于煤层受到冲蚀的影响而造成的煤层厚度变化。通过对已揭露煤层的厚度变化特点及煤岩层中展现的构造特征综合分析,结合区域构造发育规律,分析解释了井田内 2#煤层厚度变化主要受构造作用影响,且煤层的增厚及变薄区的分布范围受构造作用控制。参考文献1秦秋红.华北盆地典型煤矿区中高阶煤储层物性表征研究D.阜新:辽宁工程技术大学,2022.2李 剑.韩城区块水文地质条件对煤层气开发的影响D.北京:中国矿业大学(北京),2019.3杨天荣,高永红.大同煤田王村井田 14-3 煤层厚度变化原因分析J.太原科技,2003(1):31-33.4史启磊.大同盆地构造热演化特征研究D.北京:中国地质大学(北京),2019.5张浩.构造煤层掘进工作面区域性顺层水力造穴强化瓦斯抽采机制与工程应用D.徐州:中国矿业大学,2020.(上接第 31 页)优化的托夹矸回采工艺后,原煤灰分降低了 29.5%,含矸率降低了 68.3%,硫分降低了33%,工作面多回收原煤 22 万 t,减少排矸量约 70 万t,取得良好的经济效益。通过项目的实施及后期顶板管理经验,形成托夹矸回采技术方案及顶板控制技术,为下一步类似条件工作面回采提供有益经验。参考文献1裴孟松,鲁岩,郭卫彬,等.含夹矸厚煤层沿空巷道围岩稳定性及支护技术研究J.采矿与安全工程学报,2014,31(6):950-956.2黄庆享,赵萌烨,张强峰,等.含软弱夹层厚煤层巷帮外错滑移机制与支护研究J.岩土力学,2016,37(8):2353-2358.3杨敬轩,刘长友,吴锋锋,等.煤层硬夹矸对大采高工作面煤壁稳定性影响机理研究J.采矿与安全工程学报,2013,30(6):856-862.4陈亮,孟祥瑞,高召宁,等.大采高综采工作面煤壁片帮机理分析J.煤炭科学技术,2011,39(5):18-20,24.5刘虎生,栾恒杰,乔金林,等.含夹矸煤巷帮部失稳机理与强化支护技术J.采矿与岩层控制工程学报,2022,4(3):38-49.6伍永平,汤业鹏,解盘石,等.含煤线夹矸岩体力学特性及变形破坏特征的数值实验J.采矿与安全工程学报,2022,39(6):1198-1209.7贾俊英.含夹矸顶煤破碎机理及控制技术研究J.山东煤炭科技,2021,39(2):66-68.8张顶立,王悦汉.含夹矸顶煤破碎特点分析J.中国矿业大学学报,2000(2):160-163.9周涛,刘长友,杨伟.煤层夹矸对采场应力分布的影响J.煤炭技术,2011,30(9):106-107.65山 西 焦 煤 科 技2023 年第 7 期