南陽坡礦綜放頂煤放出率及工藝優化研究

劉 健

（大同煤礦集團綜采辦公室，山西 大同 037000）

本文以南陽坡礦8806綜放工作面為研究背景，分別模擬分析了不同放煤步距及放煤工藝下工作面頂煤放出率，并以此對8806工作面做出了相應的放煤工藝優化，使得工作面整體頂煤放出情況得到了進一步改善，也為其他類似工作面提供了一定的理論指導意義與實際參考價值。

1 工程概況

1.1 工作面概況

朔州煤電南陽坡礦8806綜放工作面位于井田408盤區西部，北部為23m斷層，東部為實煤區，西南部為柴家村保護煤柱，南接408盤區輔運、皮帶、回風大巷。工作面可采長度445m，工作面長度180m，平均傾角3°，可采面積80100m2。

8806工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤方法，全部垮落法處理采空區頂板。工作面采高3.5m，放煤高度7.6m，采煤機截深0.8m，放煤步距為一刀一放，初次放煤步距為25m。

1.2 煤層概況

8806工作面回采5#煤層，斜立方體節理，局部裂隙發育，含星散狀黃鐵礦（FeS2)結核，結構復雜，煤層夾有厚度0.01～0.30m四至六層炭質泥巖夾石，煤層利用厚度11.1m。5#煤層頂底板特征如表1所示。

表1 頂底板巖性特征

2 數值模擬分析

結合南陽坡煤礦8806綜放工作面現場放煤過程中的頂煤運移特征測試分析，由于采場煤層頂板泥巖層厚度較大、巖性較弱、強度較低，層間粘聚力較小，故其在工作面支架后方隨采隨落。同時，在采場礦山壓力及采動影響的作用下，工作面頂煤由較為完整的一體轉變為較為松散、不規則的塊狀煤體甚至煤屑，通過綜放支架放煤口流出。

針對頂煤運移特征，對綜放工作面做出以下基本假設，以方便數值模型的建立與計算：

（1）采場煤壁及頂板賦存狀態正常，不發生片幫及冒落；

（2）采場液壓支架承受頂煤及直接頂的自身重力；

（3）采場頂煤視為松散破碎狀態的準剛體，不受拉應力作用。

2.1 模型建立

為進一步分析8806綜放工作面頂煤放出規律，利用PFC3D模擬軟件建立長×寬×高=30m×12m×25m的模型，如圖1所示。模型內設置10架放頂煤支架，將該模型底面視為固定邊，四周視為簡支邊，模型上邊界視為自由邊界，僅受重力作用，模型速度與加速度均設置為零，放煤支架由wall單元建立，并通過Fish語言來模擬控制放煤支架放煤口的閉合與打開。

圖1 數值計算模型

2.2 模型參數確定

數值模型建立以后，為能夠更加真實、有效地反映工作面頂煤放出及移架的整個工藝流程，根據8806綜放工作面的綜放支架參數，確定數值模型中的有效支架參數，選擇參數如表2所示。

表2 支架參數選擇

結合表2中的工作面支架參數，已知工作面5#煤層可采厚度為11.1m，工作面采高3.5m，放煤高度7.6m，利用上述模型分別對不同放煤步距方式下的頂煤運移規律及放出率進行分析研究，模擬方案如下：

（1）一刀一放，放煤步距0.8m；

（2）兩刀一放，放煤步距1.6m；

（3）三刀一放，放煤步距2.4m。

依照以上方法進行模擬時，以支架放煤口出現矸石時關閉放煤口為準，分別模擬分析不同放煤步距時的工作面頂煤運移規律及頂煤放出率。設置頂煤及直接頂屬性如表3所示。

表3 頂煤及直接頂顆粒參數

2.3 放煤步距影響分析

2.3.1 頂煤運移情況分析

如圖2所示，當放煤步距過小時，液壓支架后方的矸石就會優先于頂煤到達放煤口，從而降低頂煤的放出率，導致大量資源損失；而當放煤步距過大時，則會形成大量頂煤滯留于液壓支架后方的情況。因此，合理的放煤步距是綜放工作面頂煤放出率的重要保障。

圖2 不同放煤步距時的頂煤運移情況

2.3.2 頂煤放出率分析

關于8806綜放工作面頂煤放出率的概念，以模擬過程每個循環結束后的頂煤放出顆粒數為除數，以循環開始前支架上方的顆粒總數為被除數，其比例便為工作面頂煤放出率。

如圖3所示為“一刀一放、兩刀一放、三刀一放”時，工作面頂煤放出率與工作面推進距離之間的關系曲線圖。可見，工作面頂煤放出規律大致分為兩個階段，即頂煤初放階段和工作面正常放煤階段，但對于不同的放煤步距，工作面進入正常放煤階段的時間節點不同。一刀一放時，工作面推進約10m后進入正常放煤階段；兩刀一放時，工作面推進約12m時進入正常放煤階段；三刀一放時，工作面推進15m以后仍未進入正常放煤階段。而且，不同的放煤步距下，頂煤的穩定放出率不同，由圖可見，一刀一放、兩刀一放、三刀一放時頂煤的穩定放出率分別為76%、66%、60%。

綜合以上分析，當工作面放煤步距為1.6m，即兩刀一放時，支架上方的頂煤運移效果達到理想，頂煤放出成功率最高、損失率最小。

2.4 放煤順序影響分析

由分析可知，放煤步距直接影響著頂煤的放出成功率，同樣，放煤順序對頂煤的放出率也起著直接的影響。因此，在上文研究的基礎上，分別研究順序放煤和間隔放煤時的煤矸排出量，以此來分析放煤順序對頂煤放出率的影響。

如圖4所示為順序放煤（1→2→3→4→5）和間隔放煤（1→3→5→2→4）時的支架放煤口煤矸放出量關系曲線圖。可見，順序放煤時，1～5號支架放煤口處的煤矸放出量呈整體下降趨勢，5號放煤口煤矸放出體積僅為5.24m3，較1號放煤口降低了30.9%；而放煤工藝為間隔放煤時，除了2號放煤口放煤量較小外，1號和3～5號放煤口的放煤量均高于順序放煤時放煤量，此時的工作面整體的放煤效果較好，頂煤放出成功率較高。

圖4 順序放煤和間隔放煤時的頂煤放出情況

3 放煤工藝優化分析

基于以上研究結果，對南陽坡礦8806綜放工作面的放煤工藝進行優化，即對放煤方式及放煤順序分別進行優化，將放煤步距由原先的一刀一放調整為兩刀一放，放煤順序由原先的順序放煤調整為間隔放煤。同時，對優化工藝后的綜放工作面進行試驗段放煤效果監測。

如圖5所示，以工作面優化前后各10架放煤支架的頂煤放出量為監測對象，對放煤步距和放煤工藝進行優化后，工作面頂煤放出率得到明顯提高。優化前所監測的10架放煤支架頂煤平均放出率為64.2%，優化后的頂煤放出率為88.9%，同比增長了24.7%。且據工作面現場施工情況得知，工作面采用兩刀一放處理頂煤時，不論從管理的角度還是操作的角度，均較為簡便快捷。因此，此次優化對綜放工作面的推進進度及頂煤回收率均有著明顯的改善效果，可為相似綜放工作面提供可靠的實際指導與參考價值。

圖5 優化前后頂煤放出量對比

4 結論

（1）放煤步距過小則支架后方矸石易優先頂煤到達放煤口阻礙頂煤運移，放煤步距過大則大量頂煤易滯留于支架后方不易放出；

（2）間隔放煤與順序放煤相比，前者對于工作面整體頂煤的放出效果更加明顯；

（3）針對8806綜放工作面，優化放煤步距和放煤順序后，工作面頂煤平均放出率達到88.9%，較原先提升了24.7%。