采煤參數(shù)及對應(yīng)工藝參數(shù)的優(yōu)化

祖海軍

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037003)

引 言

煤礦生產(chǎn)效率和安全性備受煤礦企業(yè)和作業(yè)人員的關(guān)注，在一定程度上與所采用的采煤參數(shù)和采煤工藝參數(shù)相關(guān)。目前，針對煤礦開采主要開采方式包括有分層開采、綜放開采和大采高一次全采高等。其中，分層開采盡管起步較早，但是因其回采率低、開采效率低等缺陷被逐步淘汰[1]。當(dāng)前，以綜合機(jī)械化放頂采煤技術(shù)的應(yīng)用為主，并成為較為主流的采煤工藝。本文著重對綜合機(jī)械化放頂采煤技術(shù)的采煤參數(shù)和采煤工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

以某煤礦12021綜采工作面為例開展研究，該工作面的走向長度為2 114 m，工作面中傾斜長度有184 m。經(jīng)探測，12021工作面的煤層厚度范圍為6.8 m～9.8 m，平均厚度為8.15 m；煤層傾角范圍為25.4°～45°，平均傾角為34.5°；工作面的最大涌水量可達(dá)120 m3/h，平均涌水量為80 m3/h；工作面瓦斯的涌出量為0.57 m3/min。12021工作面頂?shù)装迩闆r，如表1所示。

表1 12021工作面頂?shù)装迩闆r

經(jīng)對對當(dāng)前12021工作面采用FLAC3D軟件對其圍巖應(yīng)力分布仿真分析并通過礦壓監(jiān)測得出：當(dāng)前采煤參數(shù)和采煤工藝下由于工作面底部煤層傾角較大，放煤不充分從而導(dǎo)致工作面液壓支架發(fā)生傾倒；此外，工作面兩側(cè)和底部的巷道受到開采的影響導(dǎo)致底板底鼓的現(xiàn)象[2]。因此，經(jīng)理論計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果可知，當(dāng)前采煤工藝和采煤參數(shù)還存在缺陷，需對其進(jìn)行優(yōu)化處理。

2 采煤參數(shù)的優(yōu)化

2.1 采高參數(shù)的優(yōu)化

結(jié)合我國多年煤礦開采的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦開采的最合理采高一般為2.7 m～3.7 m，最佳采高為3.0 m～3.5 m。采高與工作面的通風(fēng)情況存在一定的關(guān)系，二者之間的關(guān)系，如式(1)所示。

Hg≥Qf|(Bz·Vfmax·φ)|

(1)

式中，Hg為采煤參數(shù)的采高；Qf為綜采工作面當(dāng)前通風(fēng)設(shè)備的供風(fēng)量，取Qf=21 m3/s；Bz為綜采工作面所配置液壓支架的最小長度，Bz=4.5 m；Vfmax為工作面的風(fēng)速，一般取Vfmax=2.5 m/s～3.0 m/s；φ為根據(jù)工作面圍巖及設(shè)備情況所確定的過風(fēng)斷面系數(shù)，取φ=0.6。

經(jīng)計(jì)算可得，考慮到工作面的通風(fēng)情況確定最佳采高為2.6 m～3.1 m。

此外，根據(jù)當(dāng)前我國煤礦液壓支架的支護(hù)高度一般為2.8 m～3.2 m。因此，結(jié)合液壓支架支護(hù)高度確定的最佳采高范圍為2.8 m～3.2 m。

因此，綜合考慮煤礦產(chǎn)量、通風(fēng)要求以及液壓支架支護(hù)高度最終確定12021工作面的最佳采高為3.0 m，對應(yīng)放煤高度為5.15 m。

2.2 工作面長度及傾角的優(yōu)化

結(jié)合事先對煤礦頂?shù)装迩闆r、圍巖以及煤層條件勘測的基礎(chǔ)上，為保證開采的安全性，為工作面底板留0.4 m的底煤完成開采任務(wù)。

2.2.1 工作面長度的優(yōu)化

工作面長度在一定程度上決定煤炭的產(chǎn)量和回采率，且對保證工作面安全性具有重大意義。經(jīng)前期對12021工作面整體走向長度和傾斜走向長度的探測，且結(jié)合數(shù)值模擬仿真結(jié)果可知：當(dāng)工作面長度為150m時(shí)，工作面頂板的沖擊性來壓現(xiàn)象嚴(yán)重[3]。因此，應(yīng)將工作面長度控制在在150m以內(nèi)。

目前，國內(nèi)大傾角煤層開采時(shí)的工作面長度一般設(shè)為90 m～120 m。但是，12021工作面的角度變化較為明顯。因此，12021工作面長度可適當(dāng)在普通大傾角煤層開采的基礎(chǔ)上延長。因此，最終將12021工作面長度確定為120 m～150 m。

2.2.2 工作面傾角的優(yōu)化

工作面傾角參數(shù)的確定對保證采煤機(jī)、輸送機(jī)穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。此外，工作面傾角的合理化設(shè)計(jì)還能夠有效解決帶式輸送機(jī)下滑困難的問題。對于12021工作面而言，由于其工作面傾角較大，需通過液壓千斤頂?shù)仍O(shè)備將該工作面改進(jìn)為“偽傾斜”工作面，如圖1所示。

圖1 12021工作面?zhèn)蝺A斜改進(jìn)示意圖

根據(jù)工作面實(shí)際情況，一般偽傾斜工作面的傾斜角度不超過5°。而對于12021綜采工作面而言，為盡量避免工作面煤壁兩側(cè)存在片幫的問題，將偽傾斜工作面的傾斜角度控制在0°～3°[4]。

3 采煤工藝參數(shù)的優(yōu)化

采煤工藝參數(shù)的優(yōu)化需遵循如下原則：

1)所設(shè)計(jì)的采煤工藝參數(shù)應(yīng)盡可能發(fā)揮工作面設(shè)備的生產(chǎn)潛能，提高煤炭的采出率；

2)盡量平衡綜采工作面的運(yùn)輸能力，保證工作面前后刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸總量與整個(gè)工作面帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸能力相匹配；

3)保證工作面割煤操作和放煤操作可協(xié)調(diào)進(jìn)行，在綜合考慮生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上選擇最佳放煤步距盡可能降低煤炭的含矸率。

基于上述優(yōu)化原則，在確保工作面頂板、液壓支架以及底板三者平衡的基礎(chǔ)上，最大限度的增加工作面的放煤率。該著重對采煤工藝參數(shù)中的頂煤放煤工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在實(shí)際截割任務(wù)中，采煤機(jī)采用上端頭斜切進(jìn)刀的方式開展任務(wù)，所截割的煤炭通過前端的刮板輸送機(jī)運(yùn)輸至裝載機(jī)。與此同時(shí)，對工作面不同類型的液壓支架(上端頭、排頭、排尾以及下端頭支架)進(jìn)行移架操作。當(dāng)采煤機(jī)上行清理浮煤時(shí)，不同類型的液壓支架進(jìn)行放頂煤操作，并針對工作面采取劃分區(qū)域的放煤操作，即不同區(qū)域?qū)?yīng)的放煤步距不同。采煤機(jī)上行清理的浮煤同樣經(jīng)后部刮板輸送機(jī)和裝載機(jī)運(yùn)送至提升機(jī)和帶式輸送機(jī)，進(jìn)而如下一個(gè)循環(huán)[5]。

根據(jù)12021工作面實(shí)際情況，將放頂煤區(qū)域劃分為三段。其中，第一段為工作面的上部區(qū)域，對應(yīng)采用“兩采一放”的采煤工藝，放煤步距為采煤機(jī)的截割深度的兩倍；第二段為工作面的中部區(qū)域，對應(yīng)采用“兩采一放”的采煤工藝，放煤步距為采煤機(jī)的截割深度的兩倍；第三段為工作面的下部區(qū)域，對應(yīng)采用“一采一放”的采煤工藝，放煤步距為采煤機(jī)的截割深度。

經(jīng)對12021工作面采煤參數(shù)和采煤工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化后，在試運(yùn)行期間的改進(jìn)效果，如表2所示。

表2 12021工作面采煤參數(shù)及采煤工藝改進(jìn)效果

4 結(jié)語

綜采工作面的生產(chǎn)能力和安全性在一定程度上受制于對應(yīng)綜采技術(shù)的采煤參數(shù)和工藝參數(shù)。本文以12021工作面對采煤參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，具體總結(jié)如下:

1)最優(yōu)采高為3.0 m，工作面長度應(yīng)控制在120 m～150 m，工作面傾角控制在0°～3°；

2)將工作面的放煤步距劃分區(qū)域進(jìn)行設(shè)定，其中工作面上部和中部的放頂煤步距設(shè)定為采煤機(jī)截割深度的兩倍，工作面下部區(qū)域的放煤布局設(shè)定為采煤機(jī)截割深度。

3)經(jīng)對采煤參數(shù)及采煤工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)后，月產(chǎn)量、回采率以及年產(chǎn)量均得到有效提升。