郭遠(yuǎn)游

（山西省同煤集團(tuán)云崗礦， 山西 大同 037017）

煤炭作為我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心動力，未來很長一段時間內(nèi)其仍然在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。我國煤炭儲量主要集中于山西、內(nèi)蒙古以及陜西等地，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同對所采用的采煤工藝提出了不同的要求[1]。對于大傾角厚煤層而言，傳統(tǒng)綜采放頂煤開采技術(shù)由于其回采周期短、搬家頻繁等缺陷，加之底板側(cè)大量留滯三角煤難以放出，導(dǎo)致煤炭回收率低。為提升綜采工作面煤炭高效、安全生產(chǎn)需根據(jù)所在煤層地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)對傳統(tǒng)放頂煤開采的各項參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本文將以同煤某礦工作面煤層為研究對象，對其傳統(tǒng)采用的采煤工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概述

以山西省同煤集團(tuán)云崗礦工作面為研究對象，該綜采工作面的具體情況：綜采工作面上方為耕地；工作面為南北走向，長度約為540 m，切斜煤層的長度為80 m，煤層總面積約為43 200 m2。工作面煤層的平均傾角為35°。該工作面煤層的儲量情況如表1所示。

表1 工作面煤層儲量情況

該工作面地質(zhì)情況：直接頂?shù)闹饕煞譃榧?xì)粒砂巖（厚度為4.47 m），基本頂?shù)闹饕煞譃橹辛Ｉ皫r（厚度為7.75 m）；直接底的主要成分為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖（厚度為1.5 m），基本底的主要成分為中粒砂巖（厚度為9 m）。

該工作面水文地質(zhì)情況：工作面正常涌水量為9 m3/h；工作面最大涌水量為29 m3/h。該工作面為瓦斯?jié)舛认鄬^高，其相對涌出量為2.38 m3/t，絕對涌出量為0.327 m3/min。

2 采煤工藝的確定

結(jié)合該工作面的實際地質(zhì)、水文以及煤層等情況，適合于該煤層的主要開采手段為綜合機(jī)械化放頂采煤工藝和炮采放頂采煤工藝[2]。本文將從經(jīng)濟(jì)和安全性兩個方面分析確定最終采用何種采煤工藝。

2.1 經(jīng)濟(jì)方面

結(jié)合山西省同煤集團(tuán)云崗礦采用機(jī)械化放頂開采工藝和炮采放頂開采工藝的經(jīng)驗，該工作面分別采用兩種開采工藝的經(jīng)濟(jì)投入與產(chǎn)出對比如表2 所示。

表2 經(jīng)濟(jì)情況對比

分析表2 可知，基于綜合機(jī)械化放頂開采工藝的開采效率及人員、成本投入均小于炮采放頂工藝。

2.2 安全性方面

鑒于該工作面的瓦斯?jié)舛容^高，采用炮采的危險系數(shù)較高。此外，基于炮采放頂采煤工藝對頂板的維護(hù)相對困難，容易出現(xiàn)冒頂事故的發(fā)生[3]。而基于綜合機(jī)械化放頂采煤工藝有利于對頂板的支護(hù)，其能夠獲得較好的支護(hù)效果。

3 綜合機(jī)械化放頂采煤參數(shù)的優(yōu)化

影響綜合機(jī)械化放頂采煤工藝回收率的主要因素包括放煤步距、采高以及采煤方向等[4]。本文將基于PFC2D 數(shù)值模擬軟件對上述不同參數(shù)組合下頂煤的回收效率及采出率進(jìn)行對比分析。根據(jù)理論計算結(jié)合經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，設(shè)定放煤步距分為0.6 m、1.2 m 以及1.8 m；設(shè)定采高分別為1.8 m、2.0 m 以及2.2 m。采煤方向可為自下向上和自上向下。

1）1.8 m 采高、不同放煤步距時的煤矸冒落情況。經(jīng)仿真可知，當(dāng)采高為1.8 m 時，放煤步距為1.2 m 的煤炭放出量最少，且該種情況下混矸情況比較嚴(yán)重；當(dāng)放煤步距為1.8 m 時，盡管其放煤量相對于1.2 m 的量大，但是其煤炭損失量在三種步距情況下最為嚴(yán)重。當(dāng)放煤步距為0.6 m 時，其放煤量最大且其煤炭損失量最小。

2）2.0 m 采高、不同放煤步距時的煤矸冒落情況。經(jīng)仿真分析可知，當(dāng)放煤步距為0.6 m 時，在整個放煤過程中有一兩次的放煤量較少煤損較為嚴(yán)重，從整體上分析放煤步距為0.6 m 時的放煤效果不錯，煤損整體效果極少且頂煤的放出量很大。當(dāng)放煤步距為1.2 m 時，在整個放煤過程中有好幾次煤體的放出兩很少，且最后幾次的頂煤的損失量非常嚴(yán)重。隨著放煤步距的增大煤體顆粒占據(jù)了采空區(qū)，使得1.8 m 放煤步距情況下煤炭的放出量均小于1.2 m 和0.6 m；但是，隨著放頂步距的增大，在最后兩次由于煤矸石混入煤體中導(dǎo)致其損失量增大[5]。因此，當(dāng)采高為2.0 m 時，最佳的放煤步距為0.6 m。

3）2.2 m 采高、不同放煤步距時的煤矸冒落情況。隨著采高的增加，使得煤層上方的煤矸石很容易混入煤體中進(jìn)而導(dǎo)致混矸現(xiàn)象的出現(xiàn)。而且，經(jīng)仿真分析可知，當(dāng)步距為1.8 m 和2.0 m 時其煤體損失量均很大。

當(dāng)采用自下而上的的開采方向時，最佳放煤步距為0.6 m。且采用自下而上開采時的頂煤采出率對比見表3。

表3 自下而上開采不同采煤工藝參數(shù)采出率對比 %

分析表3 可知，當(dāng)放頂煤步距為0.6 m，采高為2.0 m 時煤炭的采出率最高。即，采用自下而上開采方向時的最佳工藝參數(shù)為：放頂煤步距為0.6 m，采高為2.0 m。

同理，經(jīng)仿真分析可知當(dāng)采用自上而下開采方向時，最佳放頂煤步距為0.6 m，且頂煤采出率的對比如表4 所示。

表4 自上而下開采不同采煤工藝參數(shù)采出率對比

分析表4 可知，當(dāng)放頂煤步距為0.6 m，采高為1.8 m 時煤炭的采出率最高為89.9%。

因此，對比兩種開采方向下的最佳采出率可知，該工作面的最佳開采方向為自下而上。

4 結(jié)語

綜合機(jī)械化放頂開采技術(shù)不論從經(jīng)濟(jì)還是從安全性方面為最適用于大傾角煤層的開采。放頂采煤工藝參數(shù)直接決定最終的煤炭采出率及煤體中的含矸率。因此，需根據(jù)實際煤層、地質(zhì)以及水文條件對放煤步距、采高以及開采方向進(jìn)行對比分析。經(jīng)仿真分析可知，適用于該工作面的最佳開采工藝參數(shù)為自下而上的開采方向，采高為2 m，放煤步距為0.6 m。