中国煤炭报:冀中能源张矿集团官板乌素煤矿突破坚硬特厚煤层放顶煤开采难题

发布时间:2021-12-06 08:54:12 冀中能源

稿件来源:《中国煤炭报》12月2日4版

降低煤柱留设量  提高顶煤回收率

冀中能源张矿集团官板乌素煤矿突破坚硬特厚煤层放顶煤开采难题

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困扰。

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, 优化后的707 米长的工作面煤柱煤损回采率提升至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弱化特厚坚硬顶煤安全高效的方法。“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、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: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%。”(王海 梁树清 王帅)


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