張鵬鵬

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán) 晶鑫煤業(yè)股份有限公司，山西 晉城048100）

0 引 言

綜放開(kāi)采因其適用性強(qiáng)、成本低、效率高而被廣泛地應(yīng)用到厚及特厚煤層開(kāi)采當(dāng)中[1-3]。然而，由于放煤過(guò)程中的頂煤運(yùn)移及放出規(guī)律仍不明確，而放煤過(guò)程充滿隨機(jī)性，使得綜放開(kāi)采的理論研究難以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。因此，綜放開(kāi)采的頂煤放出率一直是礦山企業(yè)密切關(guān)切的問(wèn)題。針對(duì)不同的煤層賦存條件、工作面設(shè)備情況以及礦井實(shí)際特點(diǎn)，選擇適合的放煤工藝，一方面可以實(shí)現(xiàn)頂煤的最大程度回收，另一方面可以減少采空區(qū)遺煤導(dǎo)致的自然發(fā)火等問(wèn)題[4-6]。因此，有必要根據(jù)工作面的實(shí)際條件，通過(guò)數(shù)值模擬等手段比較不同放煤工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而選擇最適合的放煤工藝。本文以山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)股份有限公司3217綜放工作面具體地質(zhì)生產(chǎn)條件為研究背景，運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬等研究手段，對(duì)該地質(zhì)條件下的頂煤回收率、含矸率進(jìn)行了研究。通過(guò)比較模擬結(jié)果，提出了放煤工藝的優(yōu)化方向。

1 概 況

山西晶鑫煤業(yè)有限公司地處山西陽(yáng)城，是由原臥莊煤礦與清林溝煤礦合并后重組而成，礦井地面標(biāo)高+664—+740 m，井下標(biāo)高為+608—+618 m。3號(hào)煤層厚4.8 m，采高2 m，放頂煤高度2.8 m。煤層傾角1°～3°，煤層走向近南北，傾向東西，煤質(zhì)硬度為f=1～2。3號(hào)煤似金屬光澤，灰黑色，半亮型，煤質(zhì)較硬，瀝青光澤，致密堅(jiān)硬，貝殼狀或參差狀斷口，節(jié)理發(fā)育。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定。3217工作面傾斜長(zhǎng)度130 m，走向長(zhǎng)度為732 m。工作面中部采用ZF2800/16/24型液壓支架支護(hù)頂板，支架數(shù)量101架，支架工作阻力2 800 kN。工作面機(jī)頭由3架ZFG3200／18／26型過(guò)渡架支護(hù)，機(jī)尾由3架ZFG3200／18／26型過(guò)渡架支護(hù)，該支架工作阻力為3 200 kN，支架寬度為1.5 m。

2 放煤工藝分析

綜放開(kāi)采的放煤工藝主要包含兩個(gè)方面。一是放煤步距，放煤步距一般為采煤機(jī)截深的整數(shù)倍，常見(jiàn)的放煤步距主要有一采一放、兩采一放及三采一放；二是放煤方式，主要包括放煤順序和每次頂煤的放出量，放煤順序和放煤量的相互組合，構(gòu)成了多種多樣的放煤方式，常見(jiàn)的放煤方式有單輪順序放煤、單輪間隔放煤及多輪順序放煤等。

不同的放煤工藝影響工作面不同的頂煤回收率。放煤步距設(shè)置偏小，則會(huì)導(dǎo)致工作面有效放煤時(shí)間較少，生產(chǎn)效率低下，且會(huì)造成煤矸分界面反復(fù)受到擾動(dòng)，造成頂煤放出率較低而含矸率較高。放煤步距設(shè)置較大則會(huì)導(dǎo)致支架后方煤矸運(yùn)動(dòng)距離較大，致使上部矸石先到達(dá)放煤口，造成大量頂煤遺留于采空區(qū)不能被放出。放煤方式的選擇應(yīng)考慮具體的煤層賦存條件，還需要考慮工作面設(shè)備的自動(dòng)化水平。一般而言，多輪放煤情況下頂煤放出率最高，但多輪放煤需要放煤工多次折返于工作面上下端頭，在井下很難推廣，只有當(dāng)工作面采用自動(dòng)化放煤方式時(shí)，才具備多輪放煤的條件。而間隔放煤時(shí)的頂煤放出率一般高于順序放煤，因此現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)時(shí)應(yīng)該盡可能采用間隔放煤方式。

3 數(shù)值計(jì)算模型及模擬方案

為減少模型計(jì)算量，本次模擬共構(gòu)建2個(gè)二維模型，如圖1所示。圖1（a）模型用于研究工作面走向放煤步距，模型長(zhǎng)20 m，煤層厚度為4.8 m，采高為2 m，矸石厚度為3 m。圖1（b）用于研究工作面傾向放煤方式，模型長(zhǎng)30 m，共布置20個(gè)支架，煤層厚4.8 m，矸石層厚度為3 m。圖1（a）共設(shè)置3個(gè)模擬方案，分別為一采一放、兩采一放及三采一放。圖1（b）共設(shè)置3個(gè)模擬方案，分別為單輪順序放煤、單輪間隔放煤及多輪順序放煤。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Numerical model

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 放煤步距

為和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件對(duì)應(yīng)，模擬過(guò)程采用見(jiàn)矸關(guān)門(mén)的原則終止放煤，模型共模擬3個(gè)放煤方案，模擬結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，當(dāng)工作面放煤步距較小時(shí)，即工作面采用一采一放的放煤步距時(shí)，頂煤的放出率為83.1%，含矸率為11.2%。隨著放煤步距的增加，放出率也增加，而含矸率則呈降低趨勢(shì)。兩采一放的頂煤放出率為87.7%，含矸率為9.4%。當(dāng)工作面放煤步距繼續(xù)增加時(shí)，頂煤放出量開(kāi)始減少，含矸率則開(kāi)始增加。由此可見(jiàn)，兩采一放時(shí)工作面頂煤放出率最高，為87.7%，同時(shí)，在此條件下含矸率最低，為9.4%。

表1 不同放煤步距下頂煤放出率及含矸率Table 1 Top coal release rate and gangue percentage at different caving step intervals

4.2 放煤方式

圖2為不同放煤方式下的采空區(qū)遺煤分布情況，表2為不同放煤方式下頂煤放出率及含矸率。由圖2可知，不同放煤方式下的頂煤放出情況明顯不同。單輪放煤相較于多輪放煤的放出率較低，這是由于單輪放煤時(shí)煤巖分界面受放煤的擾動(dòng)較大，造成煤矸分界面變化較為劇烈，煤矸分界面到達(dá)放煤口時(shí)明顯呈鋸齒狀，使得放煤體難以和煤矸分界面完全相切，單純擴(kuò)大放出體體積只會(huì)造成含矸率的不斷增加。相比而言，多輪放煤時(shí)的頂煤放出率較高，可以達(dá)到88.2%，比單輪放煤提高了約5.3%，因此，多輪放煤的采空區(qū)遺煤量也較少。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是多輪放煤時(shí)煤矸分界面可以緩慢且均勻下沉，在到達(dá)放煤口時(shí)仍較為平直，更有利于放出體的發(fā)育。在具體方面，單輪間隔放煤時(shí)，頂煤放出率較單輪順序有所提高，而在多輪放煤時(shí)，順序放煤則相較于間隔放煤時(shí)的放出率有所提高。這是由于在單輪放煤時(shí)，間隔放煤可以使煤矸分界面下降更為平緩，而在多輪放煤時(shí)，間隔放煤則增大了放煤對(duì)煤矸分界面的擾動(dòng)。

表2 不同放煤方式下頂煤放出率及含矸率Table 2 Top coal release rate and gangue percentage under different coal caving methods

圖2 不同放煤方式下采空區(qū)遺煤分布情況Fig.2 Distribution of remaining coal in goaf under different caving methods

從頂煤的放出率及含矸率來(lái)看，多輪順序放煤時(shí)的頂煤放出率最高，含矸率最低，值得注意的是，多輪順序放煤和多輪間隔放煤的頂煤回收率以及含矸率相差并不大。而單輪順序放煤時(shí)的頂煤放出率最低，為84.7%，含矸率卻最高，為8.7%。而單輪間隔放煤的頂煤放出率及含矸率基本處于中間位置。

5 結(jié) 論

（1）綜放開(kāi)采相較于綜采具有效率高、成本低、投資少等特點(diǎn)，但綜放開(kāi)采的發(fā)展一直受制于頂煤的采出率。通過(guò)優(yōu)化放煤工藝，提高了綜放開(kāi)采在不同煤層賦存條件下的放出率。

（2）通過(guò)比較不同放煤步距下的頂煤放出率，采用兩采一放時(shí)的頂煤放出率最高，可以達(dá)到87.7%，含矸率最低為9.4%。

（3）工作面不同放煤方式情況下的頂煤放出情況存在很大的不同。一般而言，多輪順序放煤的放煤方式最高，可以達(dá)到87.1%，其次為多輪間隔放煤，再次為單輪間隔放煤，頂煤放出率最低的是單輪順序放煤，為82.9%。

（4）放煤工藝的優(yōu)化不能僅以追求最大的頂煤放出率為目標(biāo)，必須綜合考慮工作面自動(dòng)化水平。當(dāng)工作面可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化放煤時(shí)，應(yīng)采用多輪順序放煤方式，當(dāng)工作面采用人工放煤時(shí)，則應(yīng)該采用單輪間隔放煤。