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降低煤柱留设量 提高顶煤回收率

2021-12-03 10:27:32 中国煤炭报   作者: 王海 梁树清 王帅  

平均煤厚12.5米、普氏硬度系数达3.6的特厚坚硬煤层时常“发威”——不是顶煤难垮落,就是垮落块度过大,直接导致顶煤采出率不高、采场顶板难以控制……日前,这些困扰官板乌素煤矿多年的放顶煤开采难题终被攻克。

“采区预留的安全煤柱由原来设计的33米减至11米。”该矿董事长周晓路欣喜于创新为企业带来的变化,仅2个工作面就多回收60万吨煤炭资源,增加收入4亿元。

确定沿空掘巷位置及煤柱宽度

官板乌素煤矿是冀中能源张矿集团投资收购地方民营企业、实施股份重组后成立的国有控股企业。经过10余年的持续生产,矿井煤炭赋存量日渐萎缩,难以支撑企业后续发展。

怎么办?一方面,他们眼界向外,积极申请资源扩界;另一方面,刀刃向内,瞄准现有开采地区深挖内潜,调整和优化生产组织方式。

令他们头疼的是,6号特厚坚硬煤层带来的综放作业面顶煤难垮落、垮落块度大、顶煤采出率低、采场顶板难以控制等问题。

周晓路说,官板乌素煤矿井田面积不足3.5平方公里,生产地区布置于井田深部6号煤层。井田地质条件多变,煤层倾角扰曲部位超过15度,煤层开采厚度大,且覆岩运移破断范围广、不同层位的顶板破碎特征及矿压作用机制差异较大,造成大空间覆岩应力分布及采场矿压显现复杂。

“采用以往回采工艺、人员组织、预留大区段安全煤柱的方法,对于平均厚度为12.5米的特厚煤层来说,煤炭采出率、矿井综合效益都不太理想。”周晓路说。

从2019年开始,该矿与科研院校合作,针对611综放工作面6号煤层综合机械化放顶煤开采,展开了项目攻关。

从特厚煤层综放工作面实体煤侧覆岩运动规律入手,该矿总工程师朱贵祯掌握了特厚煤层综放工作面支承压力演化规律、工作面稳定后采空区侧向支承压力分布等第一手资料,模拟出工作面采空区稳定后的数值,确定了沿空掘巷位置及煤柱留设量。

“为最大限度地减小煤柱损失,我们沿破碎区将掘巷位置布置在围岩完整程度较好、远离侧向支承应力集中的塑性区。”朱贵祯说,从煤柱内应力场分布规律、采空区防火、煤炭资源回收率等方面考虑,煤柱合理宽度应维持在11米左右,“虽然33米大煤柱的承载力更强,但11米窄煤柱仍具有相当承载力,能保持巷道围岩稳定。”

据测算,与之前2个工作面区段间留设的33米煤柱相比,优化后707米长的工作面煤柱回采率提升至88%。

运用大直径钻孔顶煤预裂技术

指挥移架、推溜,熟练操作采煤机往复作业……在井下工作了20余年,综采区班长张春林习惯了各种地质条件下的煤层开采工作。但对于12.5米的特厚坚硬煤层,放顶煤不易垮落、顶板难管理经常令他力不从心。

张春林表示,综放工作面放顶煤开采可使采煤机可采高度和顶部的煤炭同时采出。“顶煤主要在矿压作用下发生变形后破坏性垮落。因此,放顶煤回采关键是顶煤的破碎、垮落和放煤工艺。”张春林说。

煤层强度直接影响顶煤冒放性。综采区技术员张明家对此了如指掌:“软煤最容易冒落,可放性好;中硬煤次之;硬煤的冒放性最差。”

据了解,官板乌素煤矿6号煤层煤体属硬煤层,煤层强度对顶煤冒放性影响明显。现场支架后部常有悬顶的顶煤,且冒落块度较大。

“611特厚煤层综放回采工作面机采高度3.5米,放顶煤最大厚度10米、平均厚度9米,采放比为1∶2.6,顶煤厚度较大。中部顶煤很难得到充分松动,导致顶煤难以冒落。”张明家说。这不仅造成了资源浪费,还会引发采空区遗煤自然发火。

“顶煤高效回收,取决于顶煤破碎机理和散体顶煤流动规律2个关键因素。”朱贵祯深谙降低顶煤强度的各类手段,却止步于深孔爆破、超前注水软化等传统方法给工作面带来的危险和隐患。

直到大直径钻孔顶煤预裂技术的出现,他们从根本上找到了既弱化特厚坚硬顶煤,又安全高效的方法。“向顶煤中施工大直径钻孔,对坚硬顶煤实施预裂。”朱贵祯说。此工艺简单,受煤层条件影响小,有利于工作面连续生产,可节约大量生产和技术成本。

在接下来的实验中,张明家发现,随着大直径钻孔在煤体中的开挖,煤体的应力场平衡状态被打破,在重新分布的应力作用下发生弹塑性变形,并从孔壁向煤体深部发展,由孔壁向煤体深处依次形成了破裂区、塑性区和弹性区3个区域。

“增大钻孔直径,塑性区便会扩大。”实验中,张明家逐步扩大了钻孔直径。在减少钻孔巷道围岩变形量、综合考虑技术因素和经济因素的情况下,他最终将钻孔直径尺寸确定为150毫米。

优化工作面回采工艺设计

在实施大直径钻孔工艺后,特厚坚硬顶煤逐步弱化,破碎为具有冒放性的流动散体煤。“散体煤的高效回收,仍然受制于放煤方式、放煤步距等因素。”朱贵祯接下来的任务,是结合放煤工艺,采取合理有效的放煤步距,提高顶煤放出量、减少放煤损失。

在611工作面3.5米采高条件下,朱贵祯和技术人员分别实验了不同放煤步距、放煤方式对顶煤放出规律的影响。他们进而得出结论:煤矸混杂区形成时间和空间形态、顶板冒落形式和块度、支架选型和放煤步距等是造成放煤损失的主要因素。

在确定放煤步距方面,他们分别实验了0.6米、1.2米、1.8米和连续单轮多轮、间隔单轮多轮放煤工艺,分别模拟煤矸流场动态变化的过程,分析顶煤损失特征、采出率和含矸率。

朱贵祯发现,当放煤步距为0.6米时,顶煤放出量呈“少—多—少”循环形式,放煤口放出的矸石以“采空区矸石—顶部矸石—采空区矸石”循环形式出现,顶煤回收率达76.13%,含矸率6.76%;当放煤步距为1.2米时,采空区内矸石和顶板矸石同时冒落至放煤口。相比0.6米放煤步距,顶煤损失较小,总体回收率达到79.88%,含矸率5.75%;而放煤步距增大至1.8米时,采空区附近矸石留置于采空区内,顶煤损失加大,顶煤回收率仅为74.57%,含矸率6.74%。

“放煤步距为1.2米时,顶煤回收率较高,含矸率最低。”朱贵祯说。

在优化放煤工艺方面,张明家先后对特厚煤层顶煤在“两放一采”工艺条件下的单轮顺序、双轮顺序和三轮顺序工艺的顶煤损失规律进行了实验。

“单轮顺序放煤原煤回收率为74%至78%,双轮间隔原煤回收率79%至82%。”张明家说。三轮间隔放煤的顶煤损失最少,回收率能达到82%至84%。

“随着放煤轮次的增加,顶煤回收率依次增高,同时也伴随着工艺复杂程度的提升。工作面放煤方式的选择,还要考虑两者间的平衡。”周晓路说。间隔多轮放煤是611工作面较为合适的高效放煤方式,“采用‘两放一采’、三轮放煤工艺,顶煤回收率达到82.27%,较以往提升近45%。”




责任编辑: 张磊

标签: 顶煤回收

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