年产1500万吨综放工作面高资源回收率保障关键技术研究及应用

研发起止时间：2018.3～2019.10

完成单位：大同煤矿集团有限责任公司、中国矿业大学（北京）

成果水平：国际领先

1 项目背景

特厚煤层综放开采的核心问题是如何提高资源回收率、降低含矸率、减少初末采损失、端头损失、工艺损失、架间损失等，建立“高煤低矸”的顶煤回收模式。因此，为实现年产1 500万吨综放工作面安全高效生产，有必要对特厚煤层综放开采顶煤放出规律进行深入研究。

该项目的研究不仅能实现年产1 500万吨综放工作面安全开采，也会给类似煤层的回采提供理论依据和成功经验，能够进一步提升高强度厚煤层安全高效开采技术水平。

2 研究内容

（1）通过特厚顶煤由连续→非连续渐进破坏过程的耦合模拟，揭示了采动后顶煤中最大主应力向采空区旋转的特征；理论分析了煤体裂隙扩展模式及应力场条件，揭示了特厚顶煤裂隙场以“拉-剪混合型”为主的应力扩展机制；研究了裂隙分布对顶煤破碎块度的影响，并开展了特厚顶煤破碎块度的现场实测，绘制了年产1 500万吨综放工作面顶煤破碎块度分布曲线。不同裂隙倾角下顶煤破碎块度分布特征如图1、2所示，特厚煤层综放工作面顶煤破碎块度分布级配曲线图如图3所示。

图1 煤体破碎块度统计方式

图2 煤体破碎块度分布

图3 8404工作面顶煤破碎块度级配曲线

（2）研制了特厚煤层三维精细化放煤模拟实验系统，发现了群组多轮放煤方式下顶煤放出体为“小偏心率切割变异椭球体”；研究了顶煤破碎块度、放煤口尺寸、掩护梁倾角等因素对顶煤放出规律的影响，建立了基于相对块度的顶煤回收率预测模型；开发并应用了新一代便携式顶煤运移跟踪仪，实现了回收率观测数据实时传输及可视化。顶煤回收率预测模型对比如图4所示，顶煤运移跟踪仪现场调试及测量回收率如图5所示。

图4 顶煤回收率预测模型对比

图5 顶煤运移跟踪仪现场调试及测量回收率

（3）研究了端头放煤顶煤放出规律，揭示了不同放煤工艺下端头顶煤回收率及巷道稳定性变化特征；研发了特厚煤层“分段逆序、群组多轮”放煤工艺及逆序段合理长度的确定方法，提高了工作面中部高位及端头顶煤的采出率，保障了年产1 500万吨综放工作面的高资源回收率。

为提高特厚煤层综放开采工作面顶煤回收率，提出了适用于特厚顶煤的“分段逆序、群组多轮”放煤工艺（如图6所示），并基于工作面放煤量增长率给出了逆序段合理长度的确定方法，为现场使用该工艺提供了依据；对比分析了普通顺序放煤方式和分段逆序放煤方式下顶煤放出规律（如图7所示），结果显示该放煤方式可提高特厚煤层工作面中部高位顶煤以及端头顶煤的采出率（如图8所示），实现了年产1 500万吨综放工作面高资源回收率保障。

图6 分段逆序放煤示意图

图7 正逆交接处放出体形态对比

图8 不同试验方案各架放煤量

3 主要研究成果

（1）通过特厚顶煤由连续→非连续渐进破坏过程的耦合模拟，阐明了特厚顶煤裂隙扩展的“拉-剪混合型”应力驱动机制，揭示了采动后顶煤中最大主平面外法线向采空区旋转的特征；开展了特厚顶煤破碎块度的现场实测，绘制了综放工作面顶煤破碎块度分布曲线，为改进放煤工艺、提高顶煤放出率奠定了基础。

（2）研制了特厚煤层三维精细化放煤模拟实验系统和新一代便携式顶煤运移跟踪仪，分析发现群组多轮放煤方式下顶煤放出体为“小偏心率切割变异椭球体”，据此建立了顶煤回收率预测模型，预测了顶煤破碎块度、放煤口尺寸、掩护梁倾角等因素对顶煤放出规律的影响。

（3）揭示了不同放煤工艺下端头顶煤回收率及巷道稳定性变化特征；研发了特厚煤层“分段逆序、群组多轮”放煤工艺及逆序段合理长度的确定方法，提高了工作面中部高位及端头顶煤的采出率，保障了年产1 500万吨综放工作面的高资源回收率。

4 应用效益

研究成果在马道头煤矿、塔山煤矿特厚煤层综放工作面得到了成功应用，共多回收顶煤118万吨，顶煤回收率提高了5%。该成果的应用，对工作面优化设计、提高顶煤破碎程度、保障工作面高回收率、降低含矸率等有重要意义，实现了特厚煤层工作面安全高效开采，最大限度地提高了大同矿区矿井资源回收率。

本项目于2020年6月通过中国煤炭工业协会组织的专家鉴定，研究成果达到国际领先水平。

（供稿：大同煤矿集团有限责任公司技术中心：臧欢欢）