王勇強(qiáng)

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

厚煤層一直是我國(guó)煤炭開采的主要煤層，厚煤層煤炭?jī)?chǔ)量占全國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的55%以上。傳統(tǒng)的厚煤層開采主要采用分層開采工藝，該工藝開采工藝環(huán)節(jié)多、企業(yè)消耗成本大、人工使用強(qiáng)度大，再加上分層開采工藝對(duì)地質(zhì)構(gòu)造要求較高，適應(yīng)性較差，企業(yè)生產(chǎn)能力受限較為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)。為提高企業(yè)效益，提升厚煤層開采效率，本文提出利用綜放開采技術(shù)進(jìn)行厚煤層開采工藝優(yōu)化研究，通過分析厚煤層工作面的煤體冒放性等實(shí)際條件，對(duì)開采工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，以期提高企業(yè)厚煤層開采采出率，提升企業(yè)生產(chǎn)效率。

1 煤體冒放性研究

綜放開采技術(shù)的核心環(huán)節(jié)為放煤，而放煤是否順利又取決于頂煤冒放性的好壞。綜放開采主要是通過煤層開采后，由上覆巖層自重以及因上覆巖層運(yùn)動(dòng)而形成的破煤，煤體在破碎后可因自重而自然垮落，并被收集。由此可以看出，頂煤完整性的好壞為冒落形成的關(guān)鍵因素。由于受到開采擾動(dòng)影響，頂煤在被放出前可將其視為松散介質(zhì)，垮落的煤體可視為旋轉(zhuǎn)橢球體[1]。

本文以某煤礦為例進(jìn)行研究，其工作面布置圖如圖1所示。該煤礦奧陶系上統(tǒng)馬家溝組，以深灰色灰?guī)r為主，主要分布在礦區(qū)西部。石炭系太原組，共四層含煤，其中三層屬于煤體可采區(qū)。侏羅系中統(tǒng)延安組為礦區(qū)的主要含煤層。其余地層主要為表土層以及沉積巖層。該煤礦共包括3個(gè)含水層，屬弱富水性，隔水層較為穩(wěn)定，補(bǔ)給較差，以裂隙沖水含水層為主，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。選取該煤礦具有代表性的煤樣進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，煤層含水率對(duì)煤樣破壞影響較大，煤層含水率的增加會(huì)加速煤層的損壞，可促進(jìn)煤體松散。對(duì)該煤礦礦區(qū)進(jìn)行切煤與頂煤弱化實(shí)驗(yàn)分析，在采取措施前，頂煤硬度大，垮落回收難度較大。經(jīng)切煤與頂煤注水弱化后，煤壁極限平衡區(qū)擴(kuò)大，煤體開始松散，應(yīng)力減小，垮落較為頻繁，且回收容易。由此可以看出，該煤礦可通過切煤或頂煤弱化等措施提高頂煤冒放性，適合于綜放開采技術(shù)，可對(duì)厚煤層開采工藝進(jìn)行優(yōu)化[2]。

圖1 綜放工作面布置示意圖

2 參數(shù)確定

2.1 采放比

采放比是放煤高度與采煤機(jī)截割高度的比值，其影響因素主要包括煤層硬度、采深與采高三個(gè)方面。通過對(duì)某煤礦的實(shí)際開采條件研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)靥岣卟筛?，有利于放煤。但是采高的增大代表著采出空間的變大，會(huì)增大礦壓顯現(xiàn)?；卷?shù)钠茢嗷剞D(zhuǎn)變形會(huì)增大回轉(zhuǎn)角度，使來壓的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，基本頂將進(jìn)入垮落帶，增強(qiáng)工作面來壓。當(dāng)采深不斷增加后，巖層的重量影響會(huì)逐漸變大，造成煤壁片幫等問題。雖然煤壁的片幫會(huì)促進(jìn)放煤，但同樣會(huì)產(chǎn)生較多的安全隱患，引發(fā)事故發(fā)生[3]。

依據(jù)過往的經(jīng)驗(yàn)，割煤高度的范圍一般為2.6～3.5 m之間。為充分發(fā)揮設(shè)備優(yōu)勢(shì)與性能，在考慮合理風(fēng)量以及合理空間的條件下，將割煤高度設(shè)計(jì)為3 m。由于某煤礦的平均厚度為10.68 m，割煤高度為3 m，則可確定其放煤高度為7.68 m，采放比為1：2.56。

2.2 放煤步距

放煤步距即為相鄰兩次放煤的推進(jìn)距離，數(shù)值通常為采煤機(jī)截深整數(shù)倍，范圍為0.8～2.4 m，采放步距包括一尺一放、兩尺一放和三尺一放三種[4]。由于該煤礦頂煤冒落不易且冒落塊度較大，經(jīng)頂煤弱化措施處理后，冒放次數(shù)可適當(dāng)增加，故較為適合一尺一放的放煤步距。一尺一放即放煤步距為0.8 m，分別對(duì)4、8、12、16循環(huán)進(jìn)行模擬分析，模擬示意圖如圖2所示。經(jīng)計(jì)算分析，出煤量為36 910 t，頂煤回收率為84.9%。

圖2 一尺一放頂煤位移顆粒流模擬示意圖

3 放煤方式選擇

放煤方式是影響放煤速度與工作面推進(jìn)速度的主要影響因素，放煤方式的差別主要在于一次頂煤放出量以及放煤的順序，具體可以分為單輪間隔放煤、單輪順序放煤和多輪間隔放煤等。為確定合適的放煤方式，本文采用PFC數(shù)值模擬的方法進(jìn)行放煤方式選擇。將割煤高度、放煤步距和支架寬度等參數(shù)設(shè)定完畢后，選取6臺(tái)支架進(jìn)行模擬分析，按各放煤方式打開放煤口，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄[5]。多輪間隔放煤模擬效果圖如圖3所示。

圖3 多輪間隔放煤模擬效果示意圖

由表1可知，采用多輪間隔放煤時(shí)，其頂煤回收率最高，可減少煤矸面的含矸率，故宜選用多輪間隔放煤的放煤方式。

表1 不同放煤方式模擬數(shù)據(jù)表

4 設(shè)備選型

4.1 采煤機(jī)

綜放工作面的設(shè)計(jì)割煤高度為3 m，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)綜合分析，本文選用雙滾筒采煤機(jī)，采煤機(jī)滾筒直徑選擇為1.8～2 m。采煤機(jī)功率的計(jì)算公式為：

式中：W為采煤機(jī)功率，kW；v為采煤機(jī)牽引速度，m/min；B為截深，m；H為采高，m；k為破巖能力系數(shù)；Hw為能耗系數(shù)。

經(jīng)實(shí)測(cè)分析可知，采煤機(jī)牽引速度為1.17 m/min，截深為0.8 m，采高為3 m，破巖能力系數(shù)為1.4，能耗系數(shù)為2～2.5，則采煤機(jī)功率數(shù)值應(yīng)為471.75～589.68 kW。經(jīng)分析，MG300/730-WD1型采煤機(jī)較為適合。

4.2 前刮板輸送機(jī)

前刮板輸送機(jī)設(shè)備的選型，主要取決于其運(yùn)煤能力是否可達(dá)到實(shí)際使用要求，即采煤機(jī)的生產(chǎn)能力。工作面放頂煤能力計(jì)算公式為：

式中，Q為工作面放頂煤能力，t/h；K為生產(chǎn)不均勻系數(shù)；H'為放頂煤高度，m；L為工作面長(zhǎng)度，m；B為截深，m；y為煤容量，t/m3；T為放煤時(shí)間，h。

經(jīng)實(shí)測(cè)分析可知，生產(chǎn)不均勻系數(shù)為1.3，放頂煤高度為7.68 m，工作面長(zhǎng)度為140 m，截深為0.8 m，煤容量為1.4 t/m3，放煤時(shí)間為2.5 h。由此可知，其工作面放頂煤能力626 t/h，因此，前刮板輸送機(jī)設(shè)備運(yùn)量應(yīng)大于1 800 t/h。經(jīng)分析，可選擇SGZ-1 000/1 200型前刮板輸送機(jī)。

5 工藝改進(jìn)前后效益對(duì)比分析

按上述步驟進(jìn)行厚煤層采煤工藝改進(jìn)并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)，由于綜放開采工藝掘進(jìn)量變小，巷道維護(hù)費(fèi)用顯著降低。工藝改進(jìn)使煤礦生產(chǎn)人員需求量下降，人力成本降低。由于煤體產(chǎn)出主要靠冒落，設(shè)備使用壽命大幅上升，維護(hù)費(fèi)用下降，設(shè)備使用成本大幅降低。由此可見，綜放開采工藝可大幅降低企業(yè)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)之中。

6 結(jié)論

厚煤層作為我國(guó)煤炭開采的主要煤層，傳統(tǒng)的開采工藝具有開采工藝環(huán)節(jié)多、企業(yè)消耗成本大、人工使用強(qiáng)度大等問題。為提高煤炭企業(yè)厚煤層開采效率，提升企業(yè)效益，本文進(jìn)行了針對(duì)性的工藝優(yōu)化分析，并得出了以下結(jié)論：

1）綜放開采技術(shù)的核心因素為頂板的冒放性。放煤步距宜采用一尺一放，放煤方式宜采用多輪間隔放煤，可大幅度提高頂煤回收率，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

2）按上述工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，維護(hù)成本、人力成本、設(shè)備成本也有不同幅度降低，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，可用于實(shí)際生產(chǎn)之中。