张　浩，徐学锋，李正可

(河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)



开采技术与装备

“三软”厚煤层综放开采采出率影响因素及规律分析

张浩，徐学锋，李正可

(河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)

以新郑煤电公司11208工作面开采地质条件为背景，对煤炭损失构成进行了系统分析，结果表明：三软厚煤层综放开采的采出率主要受煤柱宽度、底煤厚度和底煤过渡角等因素影响。在综放开采中减小煤柱宽度和底煤厚度，适当增加底煤过渡角，可大大提高综放开采采出率。

三软厚煤层；综放开采；煤炭损失；采出率

提高采出率，对有限的资源进行最大限度地回收，对延长矿井的服务年限，保证资源得到有效地利用，具有十分重要的意义[1]。

文献[2]和[3]通过对综放工作面采出率的统计，找出了煤炭损失的原因，分析、探讨了煤损构成，并提出了降低损失措施；文献[4]～[7]主要分析了综放开采顶煤对采出率的影响；文献[8]通过对地质勘探与矿井设计阶段、采区准备阶段及煤炭开采阶段的煤炭损失的分析，将影响煤炭采出率的因素分为3类：煤层赋存及地质条件因素、采煤方法因素及管理因素；文献[9]结合综放工作面采出率计算方法，着重讨论工作面煤损构成，指出了这些损失主要受煤层赋存地质条件和开采工艺的影响。

本文以新郑煤电公司11208综放工作面为工程背景，对该工作面的煤炭损失构成进行了系统的分析，以期找到提高综放工作面采出率的合理方法。

1　矿井概况及开采条件

新郑煤电公司位于河南省新郑市辛店镇境内，主采煤层为二叠系山西组二1煤层，赋存于山西组下部，以中厚、厚煤层为主，煤层含夹矸1～2层，夹矸岩性多为泥岩和炭质泥岩。煤层结构较简单，为典型的“三软”煤层。

近年来，郑煤集团变革“三软”煤巷掘进方式，煤厚5m以下煤层由沿底掘进改为沿顶掘进。巷道沿顶掘进有效改善了巷道顶板维护状况，加快了巷道掘进速度，减轻工人劳动强度。但是由此造成工作面两巷留有大量底煤，导致大量煤炭资源浪费，采出率有所下降。

11208工作面位于12202工作面和11206工作面之间，煤层平均厚度为6.3m，煤层平均倾角为6°，其工作面布置方式为走向长壁。工作面斜长180.0m，工作面走向长度1900.0m，切眼宽度6m。

根据现有研究成果，结合实际开采情况，经分析，可将采区煤炭损失概括为煤柱损失、工作面初末采损失、端头损失、采煤工艺损失、技术管理损失和沿顶掘进底部三角煤损失[10]。

2　综放开采煤炭损失构成分析

为了分析11208工作面煤炭损失，将工作面简化，对煤炭损失工作面采掘巷道布置简化为图1所示。

1—工作面下副巷；2—开切眼；3—工作面上副巷； 4—工作面区段煤柱；5—停采线；6—上山保护煤柱图1　工作面采掘巷道布置

2.1工作面设计储量D

D=A·B·M·γ=(L+2d+C)·B·M·γ

(1)

式中，D为工作面所在区段设计储量，t；A为工作面所在区段倾斜长度，m；B为工作面所在区段走向长度，m；C为煤柱宽度，m；L为工作面倾斜长度，m；d为工作面上下副巷宽度，m；M为煤层厚度，m；γ为煤的密度，1.35t/m3。

2.2工作面煤炭损失

(1)初末采损失S1由于工作面的开切眼采用锚网支护，在初采回采过程中切眼顶板的煤炭无法放出，切眼的宽度与刮板输送机的数量和宽度、液压支架的长度、采煤机宽度和工作面的安装方法有关，一般为6.0～8.0m；在工作面回采结束时为了保证工作面设备的安全回撤，一般提前20.0m左右铺网停止放煤。近些年来在综放开采的实践中普遍缩小了不放顶煤的范围，在这里提前10.0m停止放顶煤并铺顶网。初末采煤炭损失如图2所示，其中阴影部分表示煤炭损失。初末采损失S1的计算公式为：

图2　初末采损失示意

图3　端头损失示意

S1=[(L+2d)·M-(2G+L·m)]·(E+F)·γ

(2)

式中，S1为初末采损失，t；G为上下副巷断面面积，m2，取16.4m2；M为采高，m；E为初采煤损宽度，m；F为末采煤损宽度，m。

(2)煤柱损失S2煤柱损失的计算公式为：

S2=B·C·M·γ

(3)

(3)端头煤损失S3由于工作面上下副巷布置在煤层中，巷道顶底板均留有一定的底煤，且工作面两端一般各有2架过渡支架不放煤，煤炭损失计算如图3所示，其中阴影部分表示损失的煤炭，所造成的端头损失量可按公式(4)计算。

(4)

式中，H为底煤厚度，m；a为工作面端部不放煤长度，a=1.5n，n为不放煤支架个数；为维护工作面上下端头和运输设备的安全，工作面两端各有两架不放顶煤，故a取2.5m；α为端头部顶煤冒放角，取α=60°；β为底煤过渡角，其大小与支架、刮板输送机和采煤机参数有关。

(4)采煤工艺损失S4采煤工艺损失通常包括下部机采工作面损失和放煤损失，其中放煤损失所占的比重比较大，多为采煤工艺损失的95%以上，在此计算时忽略机采损失。通常顶煤冒放率很难达到100%，其放出率与合理的放煤步距和煤矸混合率有关。由于新郑煤电公司的煤质比较软，煤炭的冒放性比较好，在此考虑顶煤的冒放率为99%时的煤炭损失量。煤炭损失计算(顶部放煤量有1%的损失)如图4所示，其中阴影部分表示损失的煤炭，所造成的端头损失量可按公式(5)计算。

图4　采煤工艺损失示意

(5)

2.3“三软”厚煤层综放工作面采出率η

由以上分析计算可知，初末采损失取决于采煤工艺，对于确定的工作面，这部分煤炭损失不可避免。煤柱损失S2的大小与煤柱的宽度C有关；端头煤损失S3和采煤工艺损失S4的大小与底煤厚度H和底煤的过渡角β有关。因此，综放开采采出率的大小主要与煤柱的宽度C、底煤厚度H和底煤的过渡角β有关。采出率的计算公式为

(6)

式中，η为工作面采出率。

3　煤柱宽、底煤厚与过渡角大小对采出率影响

3.1巷道沿底板掘进

工作面当前巷道是沿底掘进，则底煤厚度H=0m，底煤的过渡角β=0°，此时工作面的采出率与煤柱的关系如图5所示。

图5　不同煤柱尺寸与采出率的关系

由图5可以看出，随着煤柱尺寸的增加，工作面采出率逐渐减小，二者呈现出线性反比关系。工作面煤柱尺寸C=5.0m时的采出率为92.87%；煤柱尺寸C=3.0m时的采出率为93.83%；煤柱尺寸C=2.0m时的采出率为94.32%；当沿底掘进时回采率为93%时，工作面煤柱尺寸为4.5m，符合我国厚煤层工作面采出率的规定。

3.2巷道留底煤掘进

工作面在实际开采过程中，当煤柱C=2.0m时，分别取不同的底煤厚度H=0.5m，1.0m，1.5m，2.0m，2.5m，3.0m，不同底煤的过渡角β=3°，5°，7°，9°，11°，13°，15°，17°，19°，21°时与工作面采出率的关系如图6所示。

图6　不同底煤厚度、底煤的过渡角与采出率的关系

由图6可知，工作面煤柱为C=2.0m时，工作面的采出率随着底煤过渡角的增大而增大，随着底煤厚度的增加而减小，在底煤为0.5m时，工作面的采出率为92.71%；工作面煤柱C=3.0m,工作面采出率为92.55%；当过渡角β=13°，底煤为1.0m时，工作面的采出率为92.91%，约为93%，基本符合我国厚煤层工作面采出率的相关规定。

在底煤的过渡角β=15°时，分别取底煤厚度H=0.5m，1.0m，1.5m，2.0m，2.5m，3.0m(其中底煤为3.0m，巷道相当于沿顶板掘进)时，工作面的采出率与煤柱的关系如图7所示。

图7　不同底煤厚度、煤柱宽度与采出率的关系

底煤的厚度H=1.0m时，分别取煤柱宽度C=2.0m，2.5m，3.0m，3.5m，4.0m，4.5m，工作面的采出率与底煤过渡角的关系如图8所示。

图8　不同底煤过渡角、煤柱宽度与采出率的关系

根据以上分析，新郑煤电综放采出率随区段煤柱尺寸的增加而减少，随端头底煤留设厚度增加而减少，所以最大程度减小煤柱尺寸和尽量沿底掘进不留底煤是提高该矿采出率的关键技术。巷道沿底掘进煤柱2.0～3.0m时采出率94.32%～93.83%；留底煤1.0m范围内，煤柱宽度2.0m范围内，采出率能达到93.72%。总之煤柱宽度2～3.5m范围内能保证采出率大于93%。

4　结　论

(1)巷道沿底掘进时，采出率主要和煤柱宽度有关，采出率随区段煤柱尺寸的增加而减少。

(2)巷道留底煤掘进时，采出率和煤柱宽度、底煤厚度、底煤过渡角有关。当煤柱一定时，采出率随底煤过渡角的增大而增大，随端头底煤留设厚度增加而减少。当底煤过渡角一定时，采出率随区段煤柱尺寸和底煤厚度的增加而减小。当底煤厚度一定时，采出率随底煤过渡角的增大而增大，随区段煤柱尺寸增加而减少。

(3)对影响采出率关键因素进行分析，采取相应控制措施，对提高采出率具有一定指导意义。

[1]赵雪林.综放工作面提高回采率的有效途径[J].煤炭技术，2011，30(5)：74-75.

[2]孟金锁.综放采区煤炭损失构成及对策分析[J].煤炭学报，1998，23(3)：305-309.

[3]王继承.综放工作面煤炭损失构成及提高资源回收率途径[J].煤矿开采，2002，7(S1)：14-15.

[4]贾光胜，王战洲.综放开采顶煤损失及提高回采率途径研究[J].煤矿开采，2000，5(4)：21-23.

[5]白士邦.综放顶煤放出规律及提高资源采出率的技术措施[J].煤矿开采，2006，11(4)：51-53.

[6]许力峰，张勇，李立，等.特厚煤层综放开采顶煤放出率影响因素分析[J].煤矿开采，2012，17(6)：25-28.

[7]樊运策，师文林，张长根，等.潞安王庄煤矿综放工作面回采损失的量化分析[J].煤炭学报，1997，22(6)：606-611.

[8]任传鹏，丁日佳，李上.我国煤炭采出率标准研究[J].煤矿开采，2010，15(3)：111-114.

[9]陈立伟，裴蓓.影响综放工作面回采率的因素研究[J].河南理工大学学报(自然科学版)，2010，29(1)：29-32.

[10]徐永圻.采矿学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009.

[责任编辑：邹正立]

Mining Rate Influence Factors and Law of Full-mechanized Top Coal Caving Mining with‘Three-soft’ Thick Seam

ZHANG Hao，XU Xue-feng,LI Zheng-ke

(Energy Science & Engineering School，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)

It taking mining geological situation of 11208 working face of Xinzheng coal and electricity company，then coal lose constitute was analyzed system，the studying showed that the main factors that influenced mining rate of fully mechanized top coal caving mining with ‘three-soft’ thick seam were coal pillar width，floor coal depth and floor coal transition angle and so on.When coal pillar width and floor coal thickness of fully mechanized top coal caving mining were decreased，and floor transition angle increased properly，then mining rate could be improved obviously.

‘three-soft’ thick seam；full-mechanized top coal caving mining；coal lose；mining rate

2016-03-04

国家自然科学基金项目(5110405；51274087；51274089)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A440002)；河南理工大学博士基金资助项目(B2012-084)

张浩(1988-)，男，河南原阳人，在读硕士研究生，从事矿山压力与岩层控制研究。

TD822.1；TD823.25

A

1006-6225(2016)05-0014-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.005

[引用格式]张浩，徐学锋，李正可.“三软”厚煤层综放开采采出率影响因素及规律分析[J].煤矿开采，2016，21(5)：14-17.