山西晶鑫煤業3217綜放工作面放煤工藝優化研究

張鵬鵬

（山西陽城陽泰集團 晶鑫煤業股份有限公司，山西 晉城048100）

0 引 言

綜放開采因其適用性強、成本低、效率高而被廣泛地應用到厚及特厚煤層開采當中[1-3]。然而，由于放煤過程中的頂煤運移及放出規律仍不明確，而放煤過程充滿隨機性，使得綜放開采的理論研究難以指導現場生產。因此，綜放開采的頂煤放出率一直是礦山企業密切關切的問題。針對不同的煤層賦存條件、工作面設備情況以及礦井實際特點，選擇適合的放煤工藝，一方面可以實現頂煤的最大程度回收，另一方面可以減少采空區遺煤導致的自然發火等問題[4-6]。因此，有必要根據工作面的實際條件，通過數值模擬等手段比較不同放煤工藝的優缺點，進而選擇最適合的放煤工藝。本文以山西陽城陽泰集團晶鑫煤業股份有限公司3217綜放工作面具體地質生產條件為研究背景，運用理論分析、數值模擬等研究手段，對該地質條件下的頂煤回收率、含矸率進行了研究。通過比較模擬結果，提出了放煤工藝的優化方向。

1 概 況

山西晶鑫煤業有限公司地處山西陽城，是由原臥莊煤礦與清林溝煤礦合并后重組而成，礦井地面標高+664—+740 m，井下標高為+608—+618 m。3號煤層厚4.8 m，采高2 m，放頂煤高度2.8 m。煤層傾角1°～3°，煤層走向近南北，傾向東西，煤質硬度為f=1～2。3號煤似金屬光澤，灰黑色，半亮型，煤質較硬，瀝青光澤，致密堅硬，貝殼狀或參差狀斷口，節理發育。煤層結構簡單穩定。3217工作面傾斜長度130 m，走向長度為732 m。工作面中部采用ZF2800/16/24型液壓支架支護頂板，支架數量101架，支架工作阻力2 800 kN。工作面機頭由3架ZFG3200／18／26型過渡架支護，機尾由3架ZFG3200／18／26型過渡架支護，該支架工作阻力為3 200 kN，支架寬度為1.5 m。

2 放煤工藝分析

綜放開采的放煤工藝主要包含兩個方面。一是放煤步距，放煤步距一般為采煤機截深的整數倍，常見的放煤步距主要有一采一放、兩采一放及三采一放；二是放煤方式，主要包括放煤順序和每次頂煤的放出量，放煤順序和放煤量的相互組合，構成了多種多樣的放煤方式，常見的放煤方式有單輪順序放煤、單輪間隔放煤及多輪順序放煤等。

不同的放煤工藝影響工作面不同的頂煤回收率。放煤步距設置偏小，則會導致工作面有效放煤時間較少，生產效率低下，且會造成煤矸分界面反復受到擾動，造成頂煤放出率較低而含矸率較高。放煤步距設置較大則會導致支架后方煤矸運動距離較大，致使上部矸石先到達放煤口，造成大量頂煤遺留于采空區不能被放出。放煤方式的選擇應考慮具體的煤層賦存條件，還需要考慮工作面設備的自動化水平。一般而言，多輪放煤情況下頂煤放出率最高，但多輪放煤需要放煤工多次折返于工作面上下端頭，在井下很難推廣，只有當工作面采用自動化放煤方式時，才具備多輪放煤的條件。而間隔放煤時的頂煤放出率一般高于順序放煤，因此現場生產時應該盡可能采用間隔放煤方式。

3 數值計算模型及模擬方案

為減少模型計算量，本次模擬共構建2個二維模型，如圖1所示。圖1（a）模型用于研究工作面走向放煤步距，模型長20 m，煤層厚度為4.8 m，采高為2 m，矸石厚度為3 m。圖1（b）用于研究工作面傾向放煤方式，模型長30 m，共布置20個支架，煤層厚4.8 m，矸石層厚度為3 m。圖1（a）共設置3個模擬方案，分別為一采一放、兩采一放及三采一放。圖1（b）共設置3個模擬方案，分別為單輪順序放煤、單輪間隔放煤及多輪順序放煤。

圖1 數值計算模型Fig.1 Numerical model

4 數值模擬結果及分析

4.1 放煤步距

為和現場生產條件對應，模擬過程采用見矸關門的原則終止放煤，模型共模擬3個放煤方案，模擬結果見表1。由表1可知，當工作面放煤步距較小時，即工作面采用一采一放的放煤步距時，頂煤的放出率為83.1%，含矸率為11.2%。隨著放煤步距的增加，放出率也增加，而含矸率則呈降低趨勢。兩采一放的頂煤放出率為87.7%，含矸率為9.4%。當工作面放煤步距繼續增加時，頂煤放出量開始減少，含矸率則開始增加。由此可見，兩采一放時工作面頂煤放出率最高，為87.7%，同時，在此條件下含矸率最低，為9.4%。

表1 不同放煤步距下頂煤放出率及含矸率Table 1 Top coal release rate and gangue percentage at different caving step intervals

4.2 放煤方式

圖2為不同放煤方式下的采空區遺煤分布情況，表2為不同放煤方式下頂煤放出率及含矸率。由圖2可知，不同放煤方式下的頂煤放出情況明顯不同。單輪放煤相較于多輪放煤的放出率較低，這是由于單輪放煤時煤巖分界面受放煤的擾動較大，造成煤矸分界面變化較為劇烈，煤矸分界面到達放煤口時明顯呈鋸齒狀，使得放煤體難以和煤矸分界面完全相切，單純擴大放出體體積只會造成含矸率的不斷增加。相比而言，多輪放煤時的頂煤放出率較高，可以達到88.2%，比單輪放煤提高了約5.3%，因此，多輪放煤的采空區遺煤量也較少。出現這一結果的原因是多輪放煤時煤矸分界面可以緩慢且均勻下沉，在到達放煤口時仍較為平直，更有利于放出體的發育。在具體方面，單輪間隔放煤時，頂煤放出率較單輪順序有所提高，而在多輪放煤時，順序放煤則相較于間隔放煤時的放出率有所提高。這是由于在單輪放煤時，間隔放煤可以使煤矸分界面下降更為平緩，而在多輪放煤時，間隔放煤則增大了放煤對煤矸分界面的擾動。

表2 不同放煤方式下頂煤放出率及含矸率Table 2 Top coal release rate and gangue percentage under different coal caving methods

圖2 不同放煤方式下采空區遺煤分布情況Fig.2 Distribution of remaining coal in goaf under different caving methods

從頂煤的放出率及含矸率來看，多輪順序放煤時的頂煤放出率最高，含矸率最低，值得注意的是，多輪順序放煤和多輪間隔放煤的頂煤回收率以及含矸率相差并不大。而單輪順序放煤時的頂煤放出率最低，為84.7%，含矸率卻最高，為8.7%。而單輪間隔放煤的頂煤放出率及含矸率基本處于中間位置。

5 結 論

（1）綜放開采相較于綜采具有效率高、成本低、投資少等特點，但綜放開采的發展一直受制于頂煤的采出率。通過優化放煤工藝，提高了綜放開采在不同煤層賦存條件下的放出率。

（2）通過比較不同放煤步距下的頂煤放出率，采用兩采一放時的頂煤放出率最高，可以達到87.7%，含矸率最低為9.4%。

（3）工作面不同放煤方式情況下的頂煤放出情況存在很大的不同。一般而言，多輪順序放煤的放煤方式最高，可以達到87.1%，其次為多輪間隔放煤，再次為單輪間隔放煤，頂煤放出率最低的是單輪順序放煤，為82.9%。

（4）放煤工藝的優化不能僅以追求最大的頂煤放出率為目標，必須綜合考慮工作面自動化水平。當工作面可以實現自動化放煤時，應采用多輪順序放煤方式，當工作面采用人工放煤時，則應該采用單輪間隔放煤。