宋曉波

(山西潞安集團(tuán)郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046100)

引 言

煤炭作為一種促使我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)的不可再生資源，在開采時(shí)應(yīng)確保工作面的煤炭資源被充分開采，以免造成浪費(fèi)。近年來應(yīng)用于我國(guó)綜采工作面的采煤技術(shù)和綜采設(shè)備的自動(dòng)化水平得到明顯提升，但是仍然無法保證工作面的可開采煤炭被充分開采[1]。目前，應(yīng)用于綜采工作面的主要采煤方式為綜合機(jī)械化放頂采煤。因此，需根據(jù)礦井地質(zhì)、水文條件以及煤層特點(diǎn)對(duì)綜采放頂工藝進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到充分、高效、快速開采煤層的目的。本文著重對(duì)采煤工作面放頂工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概述

本文所研究礦井工作面煤層屬于大傾角煤層，其傾角范圍在35°～42°，平均傾角為37°，工作面位于地下48 m～68 m，工作面地表面為耕地?zé)o建筑物存在；該工作面上部為正在開采2#采煤工作面，下部為尚未開采的實(shí)煤體。該工作面上順槽長(zhǎng)度為560 m，下順槽長(zhǎng)度為520 m，傾斜煤層的平均長(zhǎng)度為80 m，整個(gè)工作面的長(zhǎng)度約為412 900 m3。該工作面煤層的回采率可達(dá)93%。

工作面地質(zhì)條件：該工作面煤層的厚度為4.6 m，且煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，以亮煤為主。該工作面的頂?shù)装宓刭|(zhì)情況如表1所示。

表1 工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)情況

工作面水文條件：該工作面的正常涌水量估計(jì)可達(dá)到6 m3/h，最大涌水量估計(jì)可達(dá)到25 m3/h。

工作面其他條件：該工作面瓦斯的相對(duì)涌出量為2.65 m3/t，其瓦斯的絕對(duì)涌出量為0.5 m3/min。因此，定義該礦井為瓦斯礦井，不適宜采用炮采放頂采煤工藝。除此之外，在實(shí)際開采過程中工作面的粉塵爆炸指數(shù)可達(dá)14.35%,存在一定的爆炸危險(xiǎn)性。

經(jīng)對(duì)該工作面地質(zhì)、水文、瓦斯以及煤層等因素進(jìn)行綜合分析，擬定該工作面最適宜采用綜合機(jī)械化放頂采煤工藝。本文將對(duì)該采煤工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，由于該工作面含有80 m的大傾角煤層[2]。因此，需分別對(duì)傾斜長(zhǎng)壁開采和走向長(zhǎng)壁開采的放頂工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2 傾斜長(zhǎng)壁放頂煤工藝參數(shù)的優(yōu)化

本文基于PFC2D數(shù)值模擬軟件對(duì)綜采條件下工作面頂煤的冒落形態(tài)和煤炭損失圖形進(jìn)行仿真分析，與此同時(shí)參考工作面煤炭的回收率和含矸率對(duì)放頂工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 仿真模擬方案的設(shè)計(jì)

影響綜采工作面采出率的兩個(gè)主要因素為放煤步距和采高。因此，對(duì)不同放煤步距和不同采高情況下工作面煤層的回收率和煤矸冒放狀態(tài)進(jìn)行分析[3]。其中，研究的放煤步距分別為0.6、1.2、1.8 m；采高分別為1.8、2.0、2.2 m。基于PFC2D所搭建的初始仿真模型如圖1所示。

圖1 傾斜工作面初始仿真模型

2.2 仿真結(jié)果分析

不同采高和放煤步距下工作面頂煤采出率的仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同采高、不同放煤步距下的采出率 %

如表2所示，當(dāng)采高為2 m，放煤步距為0.6 m時(shí)自下而上采煤工藝下工作面的采出率最高，為93%；而當(dāng)放煤步距為1.8 m，采高為2.2 m時(shí)工作面的采出率最小，僅為83%。造成上述現(xiàn)象的主要原因在于頂煤的厚度較小，導(dǎo)致大部分矸石混入煤中，進(jìn)而使得過早見矸而結(jié)束[4]。此外，放煤步距過大導(dǎo)致頂煤還沒完全放出來就有煤矸石混入其中，從而使得放煤提前結(jié)束。

不同采高和放煤步距下工作面頂煤含矸率的仿真結(jié)果如表3所示。

表3 不同采高、不同放煤步距下的含矸率 %

如表3所示，當(dāng)放煤步距為1.8 m，采高為1.8 m時(shí)其含矸率最小，僅為0.7%；當(dāng)放煤步距為0.6 m，采高為2.2 m時(shí)其含矸率最大。

綜合分析，在考慮到經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上選擇最優(yōu)采煤工藝的放煤步距為0.6 m，采高為2.0 m。

3 走向長(zhǎng)壁放頂煤工藝參數(shù)的優(yōu)化

3.1 仿真模擬方案的設(shè)計(jì)

走向長(zhǎng)壁放頂煤工藝參數(shù)的優(yōu)化，同樣基于PFC2D仿真軟件對(duì)不同放煤步距和不同采高情況下工作面煤層的回收率和煤矸冒放狀態(tài)進(jìn)行分析[5]。其中，研究的放煤步距分別為0.6、1.2、1.8 m；研究對(duì)采高分別為1.8、2.0、2.2、2.4 m?；赑FC2D所搭建的初始仿真模型如圖2所示。

圖2 走向長(zhǎng)壁工作面初始仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

不同采高和放煤步距下工作面頂煤的采出率的仿真結(jié)果如表4所示。

表4 不同采高、不同放煤步距下的采出率 %

如表4所示，當(dāng)采高為1.8 m，放煤步距為0.6 m時(shí)采煤工藝下工作面的采出率最高，為94.2%；而當(dāng)放煤步距為1.8 m，采高為1.8 m時(shí)工作面的采出率最小，僅為80.0%。

不同采高和放煤步距下工作面頂煤含矸率的仿真結(jié)果如表5所示。

表5 不同采高、不同放煤步距下的含矸率 %

如表3所示，當(dāng)放煤步距為1.8 m，采高為2.4 m時(shí)其含矸率最小，僅為0.8%；當(dāng)放煤步距為0.6 m，采高為1.8 m時(shí)其含矸率最大。

綜合分析，在考慮到經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上選擇最優(yōu)采煤工藝的放煤步距為0.6 m，采高為2.0 m。

4 結(jié)語

綜采工作面的煤炭采出率在一定程度上受制于采高和放煤步距。在實(shí)際生產(chǎn)中需根據(jù)采煤工作面的煤層、地質(zhì)、水文等情況確定最佳采煤工藝參數(shù)，以達(dá)到工作面煤炭采出率和含矸率達(dá)到最佳。經(jīng)仿真分析，適用于該礦工作面最佳綜采放煤工藝參數(shù)是采高為2.0 m，放煤步距為0.6 m。