梁小龍

(汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)，山西 孝義 032300)

引 言

放頂煤采煤法早在20世紀(jì)40年代就開始在法國(guó)、蘇聯(lián)、南斯拉夫等國(guó)家得到應(yīng)用，我國(guó)50年代初曾在開灤、大同、峰峰和鶴壁等礦區(qū)采用放頂煤采煤法，1982年又在國(guó)外引進(jìn)了綜采放頂煤技術(shù)。由于放頂煤采煤方法具有掘進(jìn)率低、成本低、產(chǎn)量高、效益好等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)各大礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用。但放頂煤開采一直被詬病的缺陷是頂煤回收率低、煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重，相比精耕細(xì)作的分層開采，放頂煤開采資源回收率低是個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，正因?yàn)槿绱耍鸥枰袠I(yè)從業(yè)人員對(duì)放頂煤開采的頂煤回收率進(jìn)行研究[1-3]。針對(duì)水峪煤業(yè)6125工作面的具體地質(zhì)及生產(chǎn)條件，研究頂煤冒放性和回收率的影響因素，從而在工藝環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)管理方面下功夫，最大限度的提高資源回收率。

1 工程概況

工程實(shí)踐地點(diǎn)為水峪煤業(yè)6125工作面，該工作面主采9#煤層，煤層平均厚度8.5 m，平均傾角5°，工作面走向長(zhǎng)1 440 m，傾向長(zhǎng)190 m，采用一次采全厚低位放頂煤綜采采煤法，頂板管理采用采空區(qū)自然垮落法。煤層直接頂是砂質(zhì)泥巖，基本頂是泥巖、砂巖、中砂巖的混合巖層，平均厚度達(dá)到11.5 m，致密穩(wěn)定；煤層底板是泥質(zhì)砂巖，平均厚度0.8 m，節(jié)理發(fā)育。在工作面現(xiàn)場(chǎng)采集了煤巖試樣，按照要求加工制作標(biāo)準(zhǔn)試塊并進(jìn)行煤巖力學(xué)性質(zhì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，得出：煤層試塊的抗壓強(qiáng)度為9.5 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.8 MPa，內(nèi)摩擦角為39°，黏聚力為2.7 MPa；頂板巖層試塊的抗壓強(qiáng)度在24.8 MPa～64.7 MPa，抗拉強(qiáng)度在2.37 MPa～8.59 MPa，內(nèi)摩擦角在38°～43°，黏聚力在5.61 MPa～12.9 MPa。

2 頂煤回收率影響因素分析

影響頂煤回收率的因素較多，總體來說分為地質(zhì)因素和生產(chǎn)因素兩種，地質(zhì)因素包括開采深度、煤層強(qiáng)度、煤層厚度、結(jié)構(gòu)面分布及發(fā)育情況等；生產(chǎn)因素包括采放比、放煤步距、支架工作阻力、放煤口位置等。根據(jù)6125工作面的具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，影響頂煤冒放性的因素主要包括以下幾種：

1) 煤體強(qiáng)度。適中的煤體強(qiáng)度有利于提高頂煤冒放性，強(qiáng)度過大時(shí)不易破碎，煤體不易破碎、掉落和放出，強(qiáng)度太小又會(huì)使煤體過分破碎甚至粉化，造成放煤困難、粉塵增加等。同時(shí)，煤體強(qiáng)度又會(huì)受到埋藏深度及節(jié)理裂隙發(fā)育的影響。

2) 煤層夾矸影響。夾矸對(duì)放煤的影響較為關(guān)鍵，如果夾矸層較厚、硬度較大，工作面推進(jìn)后不能及時(shí)垮落，導(dǎo)致夾矸層上面的煤也不能及時(shí)放出；反之夾矸層會(huì)與煤體一并冒落放出。一般來說，夾矸層厚度在300 mm以內(nèi)時(shí)對(duì)頂煤冒放性的影響不大。

3) 直接頂條件。直接頂如果有適宜的厚度和硬度，可以隨放頂煤冒落，起到相互促進(jìn)的作用；而如果直接頂厚度較小或者強(qiáng)度過大而無法隨采隨冒，無法及時(shí)填充采空區(qū)，就容易導(dǎo)致頂煤落入采空區(qū)，通過放煤口進(jìn)入刮板輸送機(jī)的難度增大，頂煤回收率降低。

4) 采放比。采放比的定義是采煤機(jī)割煤厚度與放頂煤厚度的比值，屬于可人為干預(yù)的影響頂煤冒放性的因素，采放比參數(shù)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，需要參考煤層厚度、煤層硬度、采煤機(jī)械設(shè)備等因素，一般來說，在允許的條件下，采放比不允許超過1:3，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能提高機(jī)采高度更有利于提高煤炭資源回收率，但機(jī)采高度過大也會(huì)造成含矸率增大。

5) 放煤步距。放煤步距過大，容易導(dǎo)致頂煤落入采空區(qū)無法放出；放煤步距過小，會(huì)導(dǎo)致頂板與頂煤混合，含矸率升高。總的來說，根據(jù)具體的地質(zhì)生產(chǎn)條件與參數(shù)，計(jì)算出水峪煤業(yè)9#煤層屬于Ⅱ類煤層，頂煤冒放性較好，容易實(shí)現(xiàn)頂煤的隨采隨冒及放出，且適宜選擇低位放頂煤支架。

3 采放比及放煤步距的確定

采放比和放煤步距作為可人工干預(yù)的放煤參數(shù)，必須進(jìn)行合理化選擇。

3.1 采放比的數(shù)值模擬研究

根據(jù)水峪煤業(yè)的回采經(jīng)驗(yàn)，6125工作面的采放比選項(xiàng)包括1∶1、1∶2、1∶3三種。選用PFC2D顆粒流數(shù)值軟件對(duì)不同采放比條件下的頂煤冒放性、頂煤回收率及含矸率進(jìn)行模擬分析。

分析模擬結(jié)果可知：如圖1所示，采放比為1∶1時(shí)，機(jī)采高度較大，割煤后采空區(qū)空間較大，且頂板冒落后能快速到達(dá)放煤口，隨頂煤一塊放出，導(dǎo)致含矸率較高，大塊矸石堵塞放煤口后頂煤無法繼續(xù)放出，頂煤回收率較低；如圖2所示，采放比為1∶2時(shí)，頂煤及頂板自由冒放，形成較合理的放煤漏斗，有利于提高頂煤采出率，控制含矸率；如圖3所示，采放比1∶3時(shí)，頂煤及頂板自由冒放，但由于放煤厚度的增大，在煤、矸下落時(shí)容易發(fā)生煤矸互竄，頂煤放出率較好，但含矸率也明顯升高。綜合來說，采放比1∶2時(shí)的模擬效果更優(yōu)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)證明，采放比1∶2時(shí)的頂煤回收率超過88%，含矸率控制在7%以內(nèi)。

圖1 采放比1:1時(shí)模擬效果圖

圖2 采放比1:2時(shí)模擬效果圖

圖3 采放比1:3時(shí)模擬效果圖

3.2 放煤步距的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

在選擇1:2采放比的條件下，繼續(xù)對(duì)放煤步距的影響進(jìn)行研究。根據(jù)回采經(jīng)驗(yàn)，6125工作面的放煤步距選項(xiàng)包括0.8 m、1.6 m、2.4 m三種，分別對(duì)應(yīng)1刀1放、2刀1放、3刀1放三種放煤工藝。研究方法選擇現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法，分別統(tǒng)計(jì)推進(jìn)10個(gè)放煤循環(huán)的頂煤回收率及含矸率，煤及矸石的重量以電子稱讀數(shù)去除機(jī)采煤重量后獲得。統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 不同放煤步距時(shí)頂煤回收率及含矸率統(tǒng)計(jì)表

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：放煤步距0.8 m時(shí)放煤頻次明顯過高，雖然頂煤回收率達(dá)到91.1%，但含矸率高達(dá)近一成，會(huì)造成煤炭運(yùn)輸提升成本及洗選成本升高，煤價(jià)降低，于經(jīng)濟(jì)指標(biāo)無益；放煤步距1.6 m時(shí)頂煤回收率略低于1刀1放，但含矸率控制在5.3%，綜合效果較好；放煤步距2.4 m時(shí)雖然含矸率控制較好，但頂煤回收率僅78.2%，也不合理。故選擇的放煤步距為1.6 m，即2刀1放。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在特定的地質(zhì)條件下，若想提高綜放工作面的頂煤回收率，可人工干預(yù)的采放比及放煤步距兩項(xiàng)參數(shù)至關(guān)重要。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及數(shù)字模擬結(jié)果，在選定1∶2的采放比后，又在生產(chǎn)實(shí)踐中通過科學(xué)的統(tǒng)計(jì)分析，得出采用2刀1放的放煤工藝時(shí)，能夠在頂煤回收率及含矸率兩項(xiàng)指標(biāo)上找到最佳平衡點(diǎn)。但具體的工作還依賴于科學(xué)合理的生產(chǎn)管理手段，更依賴于現(xiàn)場(chǎng)操作工人的放煤技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，從而最大限度的回收煤炭資源，控制含矸率，使得回采工作和經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最佳。