梁 勇

(華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司 一礦，山西 陽(yáng)泉 045000)

1 工程概況

陽(yáng)煤集團(tuán)一礦位于山西省陽(yáng)泉市礦區(qū)紅嶺灣，主采的15號(hào)煤層埋深354.1～539.4 m，煤層傾角2～9°，平均傾角為4°，煤層厚度6.8～7.6 m，平均厚度6.24 m，煤層賦存穩(wěn)定，可采指數(shù)為1.如表1所示，15號(hào)煤層上方覆巖依次為均厚3.54 m的泥巖及均厚14.41 m的石灰?guī)r，下方巖層依次為均厚0.27 m的泥巖及均厚5.27 m的砂質(zhì)泥巖。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

陽(yáng)煤集團(tuán)主采的15號(hào)煤層厚度大，設(shè)計(jì)采用放頂煤開(kāi)采工藝進(jìn)行回采，為保證綜放工作面回采率，需要確定最佳采放比及放煤步距[1-3]。

2 最佳放煤參數(shù)研究

根據(jù)陽(yáng)煤集團(tuán)一礦15號(hào)煤層地質(zhì)條件，借助PFC數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模型，模型尺寸為長(zhǎng)×高=41 m×11 m，其中煤層厚度設(shè)置為7.2 m，上方巖層厚度設(shè)置為3.8 m，為保證模擬效果，數(shù)值模型兩側(cè)10 m范圍內(nèi)煤巖體保持原始狀態(tài)，并對(duì)左右邊界設(shè)置約束，上邊界為自由面，施加12.1 MPa，下邊界模擬液壓支架對(duì)煤體的擠壓作用。模型使用的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示，所建立模型如圖1所示。為方便分析，模型中完全破碎的直接頂巖層以灰色顆粒表示，頂煤以黑色顆粒表示。

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模型(m)

借助PFC數(shù)值模擬軟件，分別對(duì)放煤高度為2 m、3 m和4 m，放煤步距為0.8 m、1.6 m和2.4 m進(jìn)行模擬。

2.1 不同放煤高度

當(dāng)放煤步距為0.8 m時(shí)，放煤高度為2 m、3 m、4 m時(shí)，工作面回采16 m，共計(jì)20個(gè)放煤步距時(shí)，頂煤放出量效果如圖2所示。

如圖2所示，每一種顏色都表示一個(gè)步距放出的頂煤，通過(guò)數(shù)值模擬不同放煤高度。結(jié)果表明：初次放煤時(shí)，放出的綠色顆粒近似一個(gè)缺角的橢球體，這個(gè)缺口是頂煤放落時(shí)被工作面放煤支架掩護(hù)梁切割形成的，往后再放煤時(shí)，頂煤就呈現(xiàn)出不規(guī)則的形態(tài)，大致為一個(gè)偏向于采空區(qū)的條帶形。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，不同放煤高度，放煤量也不同，隨著放煤高度的增大，條帶越長(zhǎng)，頂煤的放出量也越大。圖中所示，黑色顆粒表示無(wú)法放出的頂煤，按照“見(jiàn)矸關(guān)窗”的原則[4-5]，在防止放出太多矸石的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致一部分頂煤無(wú)法放出。按照數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)放煤高度為2 m時(shí)，頂煤約有5 877.0 kg無(wú)法放出，頂煤損失量約為11.40%；當(dāng)放煤高度為3 m時(shí)，頂煤約有7 815.6 kg無(wú)法放出，頂煤損失量約為12.49%；當(dāng)放煤高度為4 m時(shí)，頂煤約有9 159.5 kg無(wú)法放出，頂煤損失量約為13.63%.結(jié)果表明，當(dāng)放煤步距固定時(shí)，放煤高度為2 m時(shí)，頂煤損失量最小，即煤炭回收率最高。

2.2 不同放煤步距

借助PFC數(shù)值模擬軟件，模擬當(dāng)放煤高度為2 m時(shí)，放煤步距分別為0.8 m、1.6 m和2.4 m時(shí)，頂煤冒放效果如圖3所示。

如圖3所示，當(dāng)放煤高度一定，不同放煤步距下，初次放煤，頂煤同樣呈現(xiàn)缺角的橢球形，這個(gè)缺口是頂煤放落時(shí)被工作面放煤支架掩護(hù)梁切割形成的，往后再放煤時(shí)，頂煤就呈現(xiàn)出不規(guī)則的形態(tài)，大致為一個(gè)偏向于采空區(qū)的條帶形。不同放煤步距，頂煤的條帶面積并不相同。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著放煤步距的增大，放煤條帶的寬度也越來(lái)越大，當(dāng)放煤步距增大到2.4 m時(shí)，頂煤冒放形狀接近于四邊形的散狀顆粒集合體。數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示，當(dāng)放煤步距為0.8 m時(shí)，頂煤約有5 877.0 kg無(wú)法放出，頂煤損失量約為11.40%；當(dāng)放煤步距為1.6 m時(shí)，頂煤約有9 990 kg無(wú)法放出，頂煤損失量約為15.2%；當(dāng)放煤步距為2.4 m時(shí)，頂煤約有12 930 kg無(wú)法放出，頂煤損失量約為18.8%.結(jié)果表明，當(dāng)放煤高度固定時(shí)，放煤步距為0.8 m時(shí)，頂煤損失量最小，即煤炭回收率最高，見(jiàn)表3.

表3 不同放煤參數(shù)頂煤放出率

通過(guò)上述數(shù)值模擬可知，最佳放煤高度為2 m，最佳放煤步距為0.8 m，最佳割煤高度為4.24 m，采放比為2.12∶1.

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在陽(yáng)煤集團(tuán)一礦81403工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，按照前述分析選取工作面配套設(shè)備。其中工作面采煤機(jī)選取MG620/1540-WD型采煤機(jī)，液壓支架選用ZFY12000/23/34D型放頂煤液壓支架，刮板輸送機(jī)選用SGZ1000/2000型刮板輸送機(jī)。工作面采用綜合機(jī)械化低位放頂煤一次采全高采煤工藝，工作面每割一刀煤放一部頂煤，實(shí)行“一采一放，追機(jī)放頂煤”的作業(yè)方式。工作面采高控制在4.0 m，頂煤厚度2.24 m，采放比2.12∶1.割一刀煤、移一次架、推前溜、放一茬頂煤、收后溜、移一次端頭架；機(jī)尾回柱放頂為一個(gè)正規(guī)循環(huán)，循環(huán)進(jìn)度0.8 m.

采煤機(jī)自開(kāi)缺口斜切進(jìn)刀，斜切進(jìn)刀距離為20 m.使用SL-750型雙滾筒采煤機(jī)雙向割煤，滾筒截深0.8 m，往返一次進(jìn)兩刀。采煤機(jī)司機(jī)應(yīng)隨時(shí)調(diào)整滾筒高度，保證采高且不割底，采煤機(jī)牽引速度不得超過(guò)3 m/min.采煤機(jī)在割煤時(shí)將大部分煤裝入前部刮板輸送機(jī)，剩余煤在推移前部刮板輸送機(jī)過(guò)程中，前部刮板輸送機(jī)上的鏟煤板將煤裝入前部刮板輸送機(jī)；頂煤由放頂煤工操作放煤鍵盤(pán)，使支架后尾梁和尾梁插板配合動(dòng)作，將頂煤落入后刮板輸送機(jī)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)放煤高度為2 m，放煤步距為0.8 m時(shí)，煤層回收率可達(dá)88.5%，經(jīng)濟(jì)效益良好。

4 結(jié) 語(yǔ)

陽(yáng)煤集團(tuán)一礦主采的15號(hào)煤層厚度較大，擬采用放頂煤開(kāi)采工藝進(jìn)行回采，為保證回收率，采用理論分析及數(shù)值模擬的方法確定了最佳放煤高度為2 m，最佳放煤步距為0.8 m，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，確定了工作面采煤機(jī)、液壓支架、乳化液泵站及刮板輸送機(jī)的型號(hào)和技術(shù)參數(shù)。通過(guò)在陽(yáng)煤集團(tuán)一礦81403工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，放煤效果良好，煤炭回收率可達(dá)88.5%，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益良好。