三元煤業綜放工作面開采工藝參數的確定

宣鵬云

(山西三元煤業股份有限公司，山西 長治 046000)

綜合機械化放頂煤開采工藝作為我國厚煤層開采的主要方法一直被許多礦區廣泛應用。決定工作面是否能夠采用放頂煤開采，頂煤冒放性無疑是最主要的影響因素[1]。而影響頂煤冒放性除了煤層本身的賦存條件外，工作面開采工藝參數也是主要的影響因素，選擇合理的工藝參數對于提高頂煤放出率，提升礦井資源回收率，增加礦井經濟效益有積極的推動作用[2-3]。本文以三元煤業4301綜合機械化放頂煤工作面開采為背景，對工作面頂煤冒放性進行了分析，并對綜放工藝參數進行了優化，為工作面高產高效提供了技術保障。

1 工程概況

三元煤業目前主采3號煤層，4301綜放工作面位于該礦3號煤層四盤區，工作面煤層平均厚度7.37 m，傾角1～3°，平均埋深368 m，賦存穩定。工作面傾向長度220.5 m，走向長度689 m，采用綜合機械化放頂煤工藝進行開采。煤層基本頂為砂泥巖互層，平均厚度13.85 m，深灰色，厚層狀，緩波狀層理；直接頂為細粒砂巖，平均厚度11.03 m，中部有0.1 m含砂質；直接底為砂質泥巖，平均厚度10.21 m，灰色，厚層狀，緩波狀層理夾泥質條紋。采用149組ZF5400/17/32型支架對工作面進行支護。

2 頂煤冒放性分析

煤層自身存儲條件，例如厚度、埋深、夾矸、頂底板巖層性質等地質因素對工作面頂煤冒放性產生直接影響。本文引入模糊評價函數對煤層賦存條件進行綜合性評價，采用該種評價方式的主要特點是評價結果不是絕對的肯定或否定，而是以一個模糊集合來表示，如下：

(1)

式中：bj為綜合評價值；Wi為多因素權重；γi評價因素指標隸屬度矩陣。

由公式(1)可知，影響頂煤冒放性評價指標的主要因素就是各指標隸屬度，4301工作面主要考慮煤層埋深與煤層強度、工作面采放比、煤層節理裂隙等對頂煤冒放性的影響。根據4301工作面地質條件可知，工作面埋深368 m，煤層單軸抗壓強度為10.5 MPa，煤層普氏系數f=1.05，采放比1∶1.63，煤層節理裂隙間距平均0.2 mm。根據表1～表3，可得出各評價因素的指標隸屬度為：

煤層埋深與煤層強度對頂煤冒放性隸屬度值：H/RC=368/10.5=35.05，γ1=0.9；

工作面煤層普氏系數f=1.05，采放比1∶1.63，因此采放比對頂煤冒放性隸屬度值γ2=0.9；

煤層節理裂隙對頂煤冒放性隸屬度值γ3=0.85。

表1 煤層埋深與強度之比對頂煤冒放性隸屬度關系

表2 采放比對頂煤冒放性隸屬度關系

表3 煤層節理裂隙間距對頂煤冒放性隸屬度關系

根據我國綜放工作面生產經驗，結合4301工作面賦存條件，開采深度與煤層強度之比、工作面采放比、煤層節理裂隙對頂煤冒放性的影響權重Wi按照0.45，0.28，0.27進行分配。因此4301綜放工作面頂煤冒放性綜合評價值為：

b=W1·γ1+W2·γ2+W3·γ3=0.89。

根據頂煤冒放性綜合指標(表4)，4301綜放工作面頂煤冒放性屬于Ⅱ類，因此選擇在4301工作面采用放頂煤工藝方法可行。

3 主要回采工藝參數確定

3.1 采放比的確定

使頂煤在礦山壓力和自重作用下，發生松動、破壞直至充分垮落是綜放開采的前提。頂煤垮落高度由煤層自身的碎脹系數和工作面采高決定，如果采高選擇較大，頂煤留設較薄，放煤時間縮短，極易混入矸石，增加采出煤炭的含矸率；如果采高選擇較小，頂煤留設較厚，可能導致部分頂煤無法垮落，造成資源的嚴重浪費。因此綜放工作面選擇合理采放比對于工作面實現高產高效至關重要。計算4301綜放工作面采放比按照以下公式進行：

h=h＇/(k-1)

(2)

式中：h為頂煤厚度，m；h＇為工作面采高，m；k為煤層的碎脹系數。

根據實驗室測定，3號煤層的碎脹系數為1.40～1.60，4301工作面煤層厚度為7.37 m，因此工作面合理的頂煤厚度為4.61～5.26 m，采高為2.1～2.8 m，結合現場實際情況，工作面采高選擇2.8 m，放頂煤厚度4.57 m。

3.2 放頂間距的確定

放煤間距指的是兩臺放煤支架之間的距離，由于在頂煤冒放過程中會在放煤口附近形成“脊背煤”，放煤間距直接決定了“脊背煤”范圍的大小，從而間接決定了煤炭損失量的多少。因此根據放頂煤橢球體理論[4]可知(圖1)，如果放煤間距D為橢球體短軸長度2b時，放煤時間較長，支架后方放煤口處易形成放煤漏斗間的“脊背”現象，即煤炭損失會很大,見圖1(a)；如果放煤間距D為橢球體短軸長度的一半即b時，放煤時間較短，雖然煤炭損失量小，但是第1次放煤漏斗中的矸石會混入，采出煤炭的含矸率會增加，見圖1(b)，因此合理的放煤間距D應該為：b

圖1 放煤橢球體理論示意

根據橢圓偏心率計算公式可以推導出[5]：

(3)

式中：m，n為試驗常數定值，m取0.985，n取-0.85；h為頂煤厚度，m。

三元煤業4301綜放工作面合理的放煤間距D為1.19～2.38 m，考慮到工作面支架中心距為1.5 m，因此工作面放煤間距確定為1.5 m。

3.3 放頂步距的確定

放頂步距的合理選擇對于提高綜放工作面煤炭回收率影響較大，放煤步距較大，支架放煤口上方矸石會優先到達放煤口造成煤炭損失量增加，如圖2(a)所示；放煤步距較小，支架后方采空區矸石會優先到達放煤口，造成采出煤炭的含矸率增加，如圖2(b)所示。因此必須對放頂步距進行合理的選擇。

圖2 不同放頂步距下煤炭損失

根據我國放頂煤工作面經驗公式[6]可得：

L=(0.15～0.21)h-h1

(3)

式中：L為放頂步距，m；h為頂煤厚度，m；h1為支架放煤口的高度，m。

由于三元煤業4301綜放工作面支架采用低位放頂煤，放煤口高度取0.15 m，所以4301工作面放頂步距為0.66～0.93 m，考慮到工作面煤機截深為0.6 m，因此工作面確定放頂步距為0.6 m，即一刀一放的方式進行放煤。

4 結 語

1) 采用模糊評價函數，對4301綜放工作面頂煤冒放性進行了綜合評價，得出了4301綜放工作面頂煤冒放性屬于Ⅱ類，冒放性好，適宜采用放頂煤工藝進行開采。

2) 對4301綜放工作面主要開采工藝參數進行了理論分析，得出工作面合理的采高選擇為2.8 m，放頂煤厚度4.57 m；合理的放煤間距確定為1.5 m；放頂步距為0.6 m，即一刀一放的方式進行放煤效果較好。