特厚煤层综放开采放煤工艺参数研究

2020-08-20 07:42王雍昌
同煤科技 2020年4期
关键词:综放椭球煤层

王雍昌

(山西同煤集团虎龙沟煤业有限公司 山西朔州036010)

上述学者大多通过模型实验和数值模拟优化放煤工艺提高采出率,而对综放开采放煤工艺参数的理论机理研究尚有不足。本文以虎龙沟煤矿81505工作面为工程背景,采用理论计算的方法分析综放开采顶煤高度范围,确定合理采放比,通过放煤步距对采出煤体的影响机理得出最佳放煤步距,最终结合地质条件给出合理的放煤工艺。

1 工程概述

虎龙沟煤矿81505工作面位于东盘区,地面标高1 421 m~1 585 m,井下标高1 062 m~1 094 m;工作面倾向长180 m,倾角3°~5°。

工作面开采煤层为3~5#煤,赋存稳定、结构复杂,总厚度28.73 m~36.39 m;上部受火成岩顺层侵蚀,下部可采煤层平均厚度12.73 m,含9~12层夹石(累厚3.38 m~3.81 m)。煤层直接顶为泥岩,平均厚度1.9 m;底板为砂质泥岩,平均厚度2.07 m。

2 合理采放比分析

采放比是综放工作面最重要的参数,直接影响放煤方式和放煤步距的选取。综放开采放煤过程类似于金属矿山开采中所应用的放矿椭球体理论。基于该理论,可以确定综放开采最大顶煤高度和最小顶煤高度。

2.1 基于放矿椭球体理论的最小顶煤高度

当两放煤口间距一定时,放出椭球体恰好处于相切状态的椭球体高度即为最小放煤高度hmin,此时脊背煤损失量为图中阴影部分A区域,如图1(a)所示[7];若放出高度大于hmin,两放煤口产成的放煤椭球体呈相交状态,A区域将减小,脊背煤损失量下降;若放煤高度小于hmin,放煤椭球体不能相切,A区域增加,脊背煤损失增大,顶煤采出率偏低,如图1(b)所示。所以,当放煤口间距为l时顶煤的高度应不低于hmin。

图1最小顶煤高度

鉴于虎龙沟煤矿拟采用低位放顶煤液压支架,沿工作面方向各支架放煤口可形成一道连续放煤槽,不存在“脊背煤”损失,故而放煤椭球体理论放煤最小高度为0 m。

2.2 基于放矿椭球体理论的最大顶煤高度

对于软煤层,由于顶煤的冒落角大,冒落块度小,易于流动和放出,因此所允许的放煤最大厚度偏大。若煤层硬度较高,顶煤冒落角小于90°,放出椭球体的中心轴则会发生偏转,且偏转角θ存在最大值θmax,如图2所示。

水泥稳定碎石施工技术在市政道路施工过程中非常常见,是一项非常实用和便捷的施工技术。通过研究水泥稳定碎石基层施工技术,严格按照施工工序进行操作,采用质量优良的施工材料和设备,按照实际情况和相关标准进行调配,并在施工完成后加强施工养护,注意操作技巧和注意事项,提高市政道路建设质量并延长使用寿命。

图2最大放煤高度

此时顶煤所能放出的最高点为B,而B点以上的顶煤无法放出,据此得到可放出最大顶煤高度为hmax。

又因为l1=hmaxtanα,可得式(3)

式中,h—放煤高度,m;l0—支架到顶煤垮落面距离(即支架后方顶煤悬臂长度),m;α—顶煤垮落角,°;a,b—实验常数,a=0.52,b=-1.52。

当式(3)中轴偏角θ取得最大值θmax,则可得到l0、α值确定时的最大合理放煤高度:

低位放顶煤液压支架的l0为1 m~2 m,虎龙沟煤矿81505工作面开采煤层普氏系数为4.5,顶煤跨落角预计为60°,轴偏角为9°,代入式(4),可得在顶煤破碎情况下最大合理顶煤高度为11.2 m~22.4 m。

2.3 合理采放比的确定

放顶煤开采的实质是顶煤产生松动、破坏、垮落的过程。底分层煤采出,后方形成采空区,顶煤呈悬臂梁形态,在上覆岩层压力和自重作用下垮落形成松散无规则的块体。为使顶煤可以充分破碎以提高采出率,放煤高度应保证顶煤有充分自由空间可以松散。故而顶煤垮落高度取决于机采高度以及顶煤碎胀系数,如式5所示:

式中,h2—顶煤高度,m;h′—机采高度,m;k—顶煤碎涨系数;H—开采煤层厚度。

故而合理的机采高度可通过式(6)计算,81505工作面平均煤厚12.73 m,且测得工作面顶煤碎涨系数为1.38,可确定工作面合理机采高度为3.5 m,放煤高度9.23 m,即采放比为1:2.64。所得结果符合基于放顶椭球体理论的的最大、最小顶煤高度范围。

3 最佳放煤步距分析

放煤步距的大小直接影响到顶煤回收率及含矸率。若放煤步距过大,顶部矸石先于采空区侧矸石到达放煤口,则使采空区侧顶煤不能全部放出,造成煤炭资源浪费,如图3(a)所示;若放煤步距过小,则使顶部煤炭不能及时放出而造成资源浪费,如图3(b)所示。故而,仅有当放出体同时与顶部及采空区侧分界面相切,即两处矸石同时到达放煤口,才能最大限度减少煤炭损失,此时放煤步距方为合理放煤步距,如图3(c)所示。

图3放煤步距与煤炭损失的关系

图4合理放煤步距

根据以上合理放煤步距的要求,参考图4可以得出合理放煤步距L为[8]

式中,a—放出体长半轴,m;L0—放煤口距顶煤断裂面水平距离,m;α—顶煤断裂角,°;θ—放出体轴偏角,°;h2—顶煤厚度,m;ε—放出体偏心率。

虎龙沟煤矿81505工作面顶煤厚度9.23 m,取顶煤断裂角α=60°,放出体轴偏角θ=9°,放出体偏心率ε=0.25,放出体长半轴a=6.7 m,L0=0 m。然而考虑顶煤普氏系数为4.5,属极坚硬煤层,易挤压成拱,故应尽量减小放煤步距,对计算结果L作以系数为1/3的修正。经式(7)计算并修正得最佳放煤步距为0.94 m。考虑采煤工艺,拟定合理放煤步距为0.8 m,即采一刀放一次煤。

4 合理放煤方式理论分析

放煤方式是放顶煤工作面放煤顺序、次数的配合方式,从次数角度分析,可分为单轮放煤和多轮放煤;从放煤顺序角度可分为顺序放煤与间隔放煤。

鉴于81505平均厚度12.73 m,拟定顶煤厚度9.23 m,采取多轮放煤可使上部顶煤逐步破碎松散,有利于顺利放煤。同时,多轮放煤可使放煤过程中的煤矸分界面均匀下降,减少混矸,保证放出率的同时可有效减低含矸率。

81505工作面开采煤层普氏硬度为4.5,属极硬煤层,放煤时上方顶煤易挤压成拱。采取间隔顺序放煤,有利于在顶煤挤压成拱时破坏拱脚,使顶煤重新冒落放出,或采取补放措施,有利于提高顶煤采出率。此外,放顶煤工作面放煤时间往往远长于割煤时间,采取间隔放煤可以同时安排两个甚至更多放煤口同时作业,相对于顺序放煤可极大程度缩短综放工作面放煤时间,促进工作面高产高效。因此虎龙沟煤矿81505工作面可选用多轮间隔放煤方式。

5 现场应用及实测

5.1 放煤工艺确定

基于上述理论分析和现场生产经验,确定虎龙沟煤矿81505工作面放煤工艺相关参数,工作面使用ZF13000/25/38型液压支架进行低位放顶煤,机采高度3.5 m,顶煤9.23 m,采放比为1:2.64。采放工艺为一刀一放多轮间隔放煤,具体为放煤工分前后两组,每组一人,一组放单号支架顶煤,一组放双号支架顶煤,两组间隔5个支架;第一轮放煤只放1/2~1/3,然后折返再放余下的顶煤,放煤不净时再重复折返放煤,直至达到最佳放煤为止。

5.2 顶煤回收率及含矸率实测

通过下述方法对顶煤回收率及含矸率进行测量。(a)在工作面两端部对推进距离进行测定,明确当日工作面实际进尺;(b)沿工作面倾向方向在序号为20、40、60、80的支架处通过顶煤钻孔测定顶煤厚度,并测定工作面实际开采高度;(记录当日工作面皮带过煤量以确定实际日产量,求算工作面顶煤回收率;d)在当日未经洗选的原煤中随机抽取1 t,将矸石进行人工拣选,分别测定矸石、煤炭质量,求算放顶煤含矸率。为提高测量结果的准确度,实测分三次进行,均间隔10天,所得结果如表1所示。

表1现场实测结果

由表1分析可得,工作面平均顶煤回收率达到90.4%,平均顶煤含矸率21.2%。顶煤含矸率较高的主要原因是顶煤中含夹石9~12层,累厚3.38 m~3.81 m。与我国地质条件相近矿井综放开采工作面顶煤回收率和含矸率相比,拟定放煤工艺应用效果显著。

6 结论

(1)基于放矿椭球体理论,通过理论计算确定工作面合理机采高度为3.5 m,顶煤高度9.23 m,采放比为1:2.64。

(2)根据放煤步距对顶煤回收率的影响机理,结合采煤工艺和放煤方式,拟定合理放煤步距为0.8 m,采用一刀一放多轮间隔放煤方式。

(3)针对虎龙沟煤矿特厚煤层综放开采,确定工作面放煤工艺参数,现场实测结果表明,设计放煤工艺达到了高回收率、低含矸率的生产效果,研究结果可为综放开采矿井制定放煤工艺提供参考。

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