工作面放頂采煤工藝參數的優化

郭遠游

（山西省同煤集團云崗礦， 山西 大同 037017）

煤炭作為我國國民經濟發展的核心動力，未來很長一段時間內其仍然在我國能源結構中占據主導地位。我國煤炭儲量主要集中于山西、內蒙古以及陜西等地，其地質結構不同對所采用的采煤工藝提出了不同的要求[1]。對于大傾角厚煤層而言，傳統綜采放頂煤開采技術由于其回采周期短、搬家頻繁等缺陷，加之底板側大量留滯三角煤難以放出，導致煤炭回收率低。為提升綜采工作面煤炭高效、安全生產需根據所在煤層地質條件及結構對傳統放頂煤開采的各項參數進行優化。本文將以同煤某礦工作面煤層為研究對象，對其傳統采用的采煤工藝進行優化。

1 工程概述

以山西省同煤集團云崗礦工作面為研究對象，該綜采工作面的具體情況：綜采工作面上方為耕地；工作面為南北走向，長度約為540 m，切斜煤層的長度為80 m，煤層總面積約為43 200 m2。工作面煤層的平均傾角為35°。該工作面煤層的儲量情況如表1所示。

表1 工作面煤層儲量情況

該工作面地質情況：直接頂的主要成分為細粒砂巖（厚度為4.47 m），基本頂的主要成分為中粒砂巖（厚度為7.75 m）；直接底的主要成分為砂質泥巖和粉砂巖（厚度為1.5 m），基本底的主要成分為中粒砂巖（厚度為9 m）。

該工作面水文地質情況：工作面正常涌水量為9 m3/h；工作面最大涌水量為29 m3/h。該工作面為瓦斯濃度相對較高，其相對涌出量為2.38 m3/t，絕對涌出量為0.327 m3/min。

2 采煤工藝的確定

結合該工作面的實際地質、水文以及煤層等情況，適合于該煤層的主要開采手段為綜合機械化放頂采煤工藝和炮采放頂采煤工藝[2]。本文將從經濟和安全性兩個方面分析確定最終采用何種采煤工藝。

2.1 經濟方面

結合山西省同煤集團云崗礦采用機械化放頂開采工藝和炮采放頂開采工藝的經驗，該工作面分別采用兩種開采工藝的經濟投入與產出對比如表2 所示。

表2 經濟情況對比

分析表2 可知，基于綜合機械化放頂開采工藝的開采效率及人員、成本投入均小于炮采放頂工藝。

2.2 安全性方面

鑒于該工作面的瓦斯濃度較高，采用炮采的危險系數較高。此外，基于炮采放頂采煤工藝對頂板的維護相對困難，容易出現冒頂事故的發生[3]。而基于綜合機械化放頂采煤工藝有利于對頂板的支護，其能夠獲得較好的支護效果。

3 綜合機械化放頂采煤參數的優化

影響綜合機械化放頂采煤工藝回收率的主要因素包括放煤步距、采高以及采煤方向等[4]。本文將基于PFC2D 數值模擬軟件對上述不同參數組合下頂煤的回收效率及采出率進行對比分析。根據理論計算結合經驗的基礎上，設定放煤步距分為0.6 m、1.2 m 以及1.8 m；設定采高分別為1.8 m、2.0 m 以及2.2 m。采煤方向可為自下向上和自上向下。

1）1.8 m 采高、不同放煤步距時的煤矸冒落情況。經仿真可知，當采高為1.8 m 時，放煤步距為1.2 m 的煤炭放出量最少，且該種情況下混矸情況比較嚴重；當放煤步距為1.8 m 時，盡管其放煤量相對于1.2 m 的量大，但是其煤炭損失量在三種步距情況下最為嚴重。當放煤步距為0.6 m 時，其放煤量最大且其煤炭損失量最小。

2）2.0 m 采高、不同放煤步距時的煤矸冒落情況。經仿真分析可知，當放煤步距為0.6 m 時，在整個放煤過程中有一兩次的放煤量較少煤損較為嚴重，從整體上分析放煤步距為0.6 m 時的放煤效果不錯，煤損整體效果極少且頂煤的放出量很大。當放煤步距為1.2 m 時，在整個放煤過程中有好幾次煤體的放出兩很少，且最后幾次的頂煤的損失量非常嚴重。隨著放煤步距的增大煤體顆粒占據了采空區，使得1.8 m 放煤步距情況下煤炭的放出量均小于1.2 m 和0.6 m；但是，隨著放頂步距的增大，在最后兩次由于煤矸石混入煤體中導致其損失量增大[5]。因此，當采高為2.0 m 時，最佳的放煤步距為0.6 m。

3）2.2 m 采高、不同放煤步距時的煤矸冒落情況。隨著采高的增加，使得煤層上方的煤矸石很容易混入煤體中進而導致混矸現象的出現。而且，經仿真分析可知，當步距為1.8 m 和2.0 m 時其煤體損失量均很大。

當采用自下而上的的開采方向時，最佳放煤步距為0.6 m。且采用自下而上開采時的頂煤采出率對比見表3。

表3 自下而上開采不同采煤工藝參數采出率對比 %

分析表3 可知，當放頂煤步距為0.6 m，采高為2.0 m 時煤炭的采出率最高。即，采用自下而上開采方向時的最佳工藝參數為：放頂煤步距為0.6 m，采高為2.0 m。

同理，經仿真分析可知當采用自上而下開采方向時，最佳放頂煤步距為0.6 m，且頂煤采出率的對比如表4 所示。

表4 自上而下開采不同采煤工藝參數采出率對比

分析表4 可知，當放頂煤步距為0.6 m，采高為1.8 m 時煤炭的采出率最高為89.9%。

因此，對比兩種開采方向下的最佳采出率可知，該工作面的最佳開采方向為自下而上。

4 結語

綜合機械化放頂開采技術不論從經濟還是從安全性方面為最適用于大傾角煤層的開采。放頂采煤工藝參數直接決定最終的煤炭采出率及煤體中的含矸率。因此，需根據實際煤層、地質以及水文條件對放煤步距、采高以及開采方向進行對比分析。經仿真分析可知，適用于該工作面的最佳開采工藝參數為自下而上的開采方向，采高為2 m，放煤步距為0.6 m。