大倾角工作面采煤工艺优化研究与应用

大倾角工作面采煤工艺优化研究与应用

朱献旗

托克逊县盘吉煤业有限公司煤矿   新疆维吾尔自治区吐鲁番市  838000

摘要：近年来，我国煤炭开采效率明显提高，但对于大倾角煤层，其综合开采技术仍是目前亟待解决的问题。虽然大倾角（25°-45°）煤层只占全国煤炭资源的17%，但我国西部煤层中有超过50%为大倾角煤层，且煤炭开发重心已逐渐转向西部。同时，由于我国其它易采煤层资源日益匮乏，为保障社会用煤需求，迫切需要提高大倾角煤层的采出率。为此，迫切需要解决大倾角煤层的回采水平远远低于缓倾角煤层的回采水平这一难题。本文针对大倾角工作面开采效率低，安全隐患大等问题，以托克逊县盘吉煤业有限公司煤矿（以下简称盘吉煤矿）大倾角Z14-2W01综采工作面为例进行了实例分析，在对比了大面积机械化采煤方法后，对该技术的应用前景进行了展望。

关键词：采煤工艺；大倾角工作面；优化与应用

引言

根据资料显示，新疆煤炭储量2.19万亿吨，约占全球40％以上，。随着我国采煤事业的发展，煤层条件好的煤层资源日益匮乏，大倾角煤层的开采已成为我国煤炭生产的主要方向。目前，大倾角煤层开采多采用走向长壁法，但此法在回采过程中，煤矸石落下量不能在采空区均匀分布，致使支架受力不均，进而引起工作面围岩变形和垮落不平衡。另外，在大倾角条件下，采场底板容易被破坏，造成采场矿压剧烈，支架破损严重，极大地提高了安全事故的发生几率，而且效率低、产量低。由于目前国内很少有煤矿采用大倾角综采技术，所以本文针对大倾角综采工作面的特点，以大倾角煤层为对象，进行了采矿实践，希望为提高大倾角煤层采收率提供一定的经验。

一、工程概述

盘吉煤矿的Z14-2W01综采工作面，其煤层倾角在26°~35°之间，平均厚度为3.5m，它的构造单一、发展稳定，比较适用于采用综合机械化开采。该工作面在没有进行采动时，其力学性能是比较稳定的，但采动后，该工作面原有的应力分布被破坏，产生了不同程度的压力，从而使底板和顶板产生了对称压力拱[1]。但在大倾角存在的情况下，压力拱受力将会向下偏转，产生不对称的压力拱，进而产生倾斜位移。在坡度小于35°的情况下，应力变化与倾角变化，应力增大，倾角减小；在倾斜角度大于35°的情况下，放煤前后的放煤压力基本接近，卸压中心应力的变幅较大，放煤的正压区较小。顶板垮落之前，采场顶板垂向位移比底板垂向位移大，最上、最下端的位移最小；顶板垮落前后，工作面的位移变化趋势与顶板垮落前后基本相同，但上、下两个端头的位移都比顶板垮落前后有所增加。倾斜角度对变形区的影响和压力的变化一样，都是随倾斜角度的增加而减少，同时，在顶板垮落之前，倾斜角度的变化并不明显，只有微小变化。

二、采煤工艺的选择

通过对现行开采技术和煤层条件的分析，本大倾角煤层可以采取的开采方法主要有：综合机械放顶采煤法和一次采全高法。在以下条件下，不能进行放顶煤工艺：煤厚在4m以下；开采面的回收率没有达到有关规范的规定；该矿属低瓦斯型矿山；采煤工作面的地质类型条件比较复杂。通过对Z14-2W01综采工作面的分析，确定Z14-2W01综采工作面的绝对瓦斯值为0.7立方米/分，相对瓦斯值为0.69立方米/吨。所以，中一采区不适合进行放顶煤开采。而且，一次采全高方式下的产出率要远远大于放顶煤方式，在支护上，通过综合开采，保证了支架与煤层顶、底板之间有较大的接触面，提高了支护的安全性。总而言之，经过技术、经济效益和安全性的比较分析，Z14-2W01综采工作面比较适合采用综合机械化一次采全高采煤工艺。

三、采煤工艺的优化

（一）优化原则

在采煤过程中，对采煤技术参数进行优选，如放煤高度、回采工作面长度、回采工作面布置等。在装备上，在保证采矿条件下要尽可能地加大回采高度，以提高采收率；切、卸煤的工时和周期要尽可能地一致；必须确保输送容量均衡，输送设备的实际输送容量和设计容量相匹配；要确保割煤和顶板的协调，割煤周期最大，放煤步距合理[2]。

（二）最优参数的分析

Z14-2W01综采工作面上部顶板破断充分、支架受力小、稳定性好，是其主要生产煤层。中段支架承载力大、稳定性差，但又是上下两个区之间的重要过渡带，需要强化支架稳定和保护体系的保护，以提升回采速率和开采效率。采空区虽有充填，但在底板上受力较弱，且受力比较分散，容易发生塌方、滑落等事故，必须强化支护，控制顶板放落率，并做好安全防护。首先，要优化采煤高度。通过对已有数据进行分析，确定矿井的开采高度在2.5-3.8米之间，并结合具体的矿井条件，确定了矿井的开采高度在3.5米之间。采煤工作面通风量与采煤高度关系较大，计算公式为：。其中：H是以米表示的开采高度；Q表示空气流量，单位为立方公尺/秒；B表示以m表示的最小支承长度；v是以m/s表示的最大风速，μ是以m/s表示的过风截面。因为前后运输设备需要在同一时间进行运煤，而且在这个煤矿中有很多的煤尘，为此，进行风速设计的比较低，v设置为0.24-4m/s，送风量为15m

3/s，支架长度为4.5m，通风截面系数为0.6。在此基础上，计算出工作面采高的合理取值在允许范围之间。结合对该矿的综合分析，该工作面的开采高度为3.5米。其次，要优化工作面长度与倾角。工作面长度直接关系到工作面的产量和回采率，也关系到工作面的安全与稳定。根据计算结果，在50-1200米范围内，平均倾角长度为109米。由于工作面长、稳定性差，在大倾角开采后，工作面的长度还将不断增大，因此，从过去的实际情况来看，工作面的长度应该在100-130米之间。工作面倾斜角度对装置的平稳性有很大的影响。如果倾角太大，设备就会出现滑动的情况，所以，应该将工作面设计为伪仰斜，通常角度为10°~20°，调节范围为5°，其伪仰斜工作面示意图见图1。最后是优化采煤工艺。一方面是优化支护及岩体稳定性。通过对Z14-2W01综采工作面覆岩运动和围岩受力情况的研究，发现下层工作面倾角大，支架易发生倾覆，在此部位应用R-S-F体系对支架进行稳定，必须强化支架的动力稳定，才能保证下层工作面的安全和稳定。在工作面中部，支架稳定体系会随着工作面的移动而改变，其稳定性很难掌握，因此需要对工作面中部支架进行实时监控，并严格控制放煤速率，将其影响降到最低。上半部分的覆岩活动很多，特征跟中间部分比较类似，但是这个区域的倾角很小而且很稳定，所以应该增加上半部分的放煤率，这样就可以提高这个区域的开采效率，达到有效地生产，从而提升工作面的开采效率[3]。另一方面是优化煤层开采过程中的作业分区。采用有限元分析方法，对该矿区的煤层的开采工艺区域进行合理划分，并将其绘制成图。通过对该技术的实际运用得出：与优化前相比，该技术提高了11个百分点，增加了16个百分点，为矿井带来了12684万元的直接经济效益。

图1：伪仰斜工作面示意图

结束语

总之，大倾角煤层是我国未来煤矿开发的发展趋势，如何对其进行综合开发，以提高其开采效率及安全水平已成为亟待解决的问题。对于大倾差煤层，目前最可靠的采矿方法就是机械化综合采矿法。在采矿中，必须针对矿井的水文、地质、煤层等特点，制定合理的采矿方案，选用合理的采矿装备，使其达到合理的采矿效果，从而大大提高采煤的效率和安全性。

参考文献

[1]康晓泽.大倾角工作面采煤工艺优化研究与应用[J].煤,2023,32(02):63-65+103.

[2]李文科,石长坤,刘金虎.大倾角综放工作面老空巷道充填防灭火技术探究[J].当代化工研究,2023(02):123-125.

[3]岳学伟.大倾角工作面矿压分析及预警研究[J].价值工程,2022,41(29):74-78.