降低煤柱留設量 提高頂煤回收率

       平均煤厚12.5米、普氏硬度系數達3.6的特厚堅硬煤層時?!鞍l威”——不是頂煤難垮落,就是垮落塊度過大,直接導致頂煤采出率不高、采場頂板難以控制……日前,這些困擾官板烏素煤礦多年的放頂煤開采難題終被攻克。

    “采區預留的安全煤柱由原來設計的33米減至11米?!痹摰V董事長周曉路欣喜于創新為企業帶來的變化,僅2個工作面就多回收60萬噸煤炭資源,增加收入4億元。

       確定沿空掘巷位置及煤柱寬度

       官板烏素煤礦是冀中能源張礦集團投資收購地方民營企業、實施股份重組后成立的國有控股企業。經過10余年的持續生產,礦井煤炭賦存量日漸萎縮,難以支撐企業后續發展。

       怎么辦?一方面,他們眼界向外,積極申請資源擴界;另一方面,刀刃向內,瞄準現有開采地區深挖內潛,調整和優化生產組織方式。

       令他們頭疼的是,6號特厚堅硬煤層帶來的綜放作業面頂煤難垮落、垮落塊度大、頂煤采出率低、采場頂板難以控制等問題。

       周曉路說,官板烏素煤礦井田面積不足3.5平方公里,生產地區布置于井田深部6號煤層。井田地質條件多變,煤層傾角擾曲部位超過15度,煤層開采厚度大,且覆巖運移破斷范圍廣、不同層位的頂板破碎特征及礦壓作用機制差異較大,造成大空間覆巖應力分布及采場礦壓顯現復雜。

      “采用以往回采工藝、人員組織、預留大區段安全煤柱的方法,對于平均厚度為12.5米的特厚煤層來說,煤炭采出率、礦井綜合效益都不太理想?!敝軙月氛f。

       從2019年開始,該礦與科研院校合作,針對611綜放工作面6號煤層綜合機械化放頂煤開采,展開了項目攻關。

       從特厚煤層綜放工作面實體煤側覆巖運動規律入手,該礦總工程師朱貴禎掌握了特厚煤層綜放工作面支承壓力演化規律、工作面穩定后采空區側向支承壓力分布等第一手資料,模擬出工作面采空區穩定后的數值,確定了沿空掘巷位置及煤柱留設量。

      “為最大限度地減小煤柱損失,我們沿破碎區將掘巷位置布置在圍巖完整程度較好、遠離側向支承應力集中的塑性區?!敝熨F禎說,從煤柱內應力場分布規律、采空區防火、煤炭資源回收率等方面考慮,煤柱合理寬度應維持在11米左右,“雖然33米大煤柱的承載力更強,但11米窄煤柱仍具有相當承載力,能保持巷道圍巖穩定?!?/p>

       據測算,與之前2個工作面區段間留設的33米煤柱相比,優化后707米長的工作面煤柱回采率提升至88%。

       運用大直徑鉆孔頂煤預裂技術

       指揮移架、推溜,熟練操作采煤機往復作業……在井下工作了20余年,綜采區班長張春林習慣了各種地質條件下的煤層開采工作。但對于12.5米的特厚堅硬煤層,放頂煤不易垮落、頂板難管理經常令他力不從心。

       張春林表示,綜放工作面放頂煤開采可使采煤機可采高度和頂部的煤炭同時采出?!绊斆褐饕诘V壓作用下發生變形后破壞性垮落。因此,放頂煤回采關鍵是頂煤的破碎、垮落和放煤工藝?!睆埓毫终f。

       煤層強度直接影響頂煤冒放性。綜采區技術員張明家對此了如指掌:“軟煤最容易冒落,可放性好;中硬煤次之;硬煤的冒放性最差?!?/p>

       據了解,官板烏素煤礦6號煤層煤體屬硬煤層,煤層強度對頂煤冒放性影響明顯?,F場支架后部常有懸頂的頂煤,且冒落塊度較大。

      “611特厚煤層綜放回采工作面機采高度3.5米,放頂煤最大厚度10米、平均厚度9米,采放比為1∶2.6,頂煤厚度較大。中部頂煤很難得到充分松動,導致頂煤難以冒落?!睆埫骷艺f。這不僅造成了資源浪費,還會引發采空區遺煤自然發火。

      “頂煤高效回收,取決于頂煤破碎機理和散體頂煤流動規律2個關鍵因素?!敝熨F禎深諳降低頂煤強度的各類手段,卻止步于深孔爆破、超前注水軟化等傳統方法給工作面帶來的危險和隱患。

       直到大直徑鉆孔頂煤預裂技術的出現,他們從根本上找到了既弱化特厚堅硬頂煤,又安全高效的方法?!跋蝽斆褐惺┕ご笾睆姐@孔,對堅硬頂煤實施預裂?!敝熨F禎說。此工藝簡單,受煤層條件影響小,有利于工作面連續生產,可節約大量生產和技術成本。

       在接下來的實驗中,張明家發現,隨著大直徑鉆孔在煤體中的開挖,煤體的應力場平衡狀態被打破,在重新分布的應力作用下發生彈塑性變形,并從孔壁向煤體深部發展,由孔壁向煤體深處依次形成了破裂區、塑性區和彈性區3個區域。

      “增大鉆孔直徑,塑性區便會擴大?!睂嶒炛?,張明家逐步擴大了鉆孔直徑。在減少鉆孔巷道圍巖變形量、綜合考慮技術因素和經濟因素的情況下,他最終將鉆孔直徑尺寸確定為150毫米。

       優化工作面回采工藝設計

       在實施大直徑鉆孔工藝后,特厚堅硬頂煤逐步弱化,破碎為具有冒放性的流動散體煤?!吧Ⅲw煤的高效回收,仍然受制于放煤方式、放煤步距等因素?!敝熨F禎接下來的任務,是結合放煤工藝,采取合理有效的放煤步距,提高頂煤放出量、減少放煤損失。

       在611工作面3.5米采高條件下,朱貴禎和技術人員分別實驗了不同放煤步距、放煤方式對頂煤放出規律的影響。他們進而得出結論:煤矸混雜區形成時間和空間形態、頂板冒落形式和塊度、支架選型和放煤步距等是造成放煤損失的主要因素。

       在確定放煤步距方面,他們分別實驗了0.6米、1.2米、1.8米和連續單輪多輪、間隔單輪多輪放煤工藝,分別模擬煤矸流場動態變化的過程,分析頂煤損失特征、采出率和含矸率。

       朱貴禎發現,當放煤步距為0.6米時,頂煤放出量呈“少—多—少”循環形式,放煤口放出的矸石以“采空區矸石—頂部矸石—采空區矸石”循環形式出現,頂煤回收率達76.13%,含矸率6.76%;當放煤步距為1.2米時,采空區內矸石和頂板矸石同時冒落至放煤口。相比0.6米放煤步距,頂煤損失較小,總體回收率達到79.88%,含矸率5.75%;而放煤步距增大至1.8米時,采空區附近矸石留置于采空區內,頂煤損失加大,頂煤回收率僅為74.57%,含矸率6.74%。

      “放煤步距為1.2米時,頂煤回收率較高,含矸率最低?!敝熨F禎說。

       在優化放煤工藝方面,張明家先后對特厚煤層頂煤在“兩放一采”工藝條件下的單輪順序、雙輪順序和三輪順序工藝的頂煤損失規律進行了實驗。

      “單輪順序放煤原煤回收率為74%至78%,雙輪間隔原煤回收率79%至82%?!睆埫骷艺f。三輪間隔放煤的頂煤損失最少,回收率能達到82%至84%。

      “隨著放煤輪次的增加,頂煤回收率依次增高,同時也伴隨著工藝復雜程度的提升。工作面放煤方式的選擇,還要考慮兩者間的平衡?!敝軙月氛f。間隔多輪放煤是611工作面較為合適的高效放煤方式,“采用‘兩放一采’、三輪放煤工藝,頂煤回收率達到82.27%,較以往提升近45%。                            (中國煤炭報)


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