放頂煤回采工藝參數及設備選型

祖海軍

(晉能控股煤業集團同發東周窯煤業有限公司，山西 大同 037003)

引 言

綜采工作面回采工藝參數的合理與否將直接決定其生產能力、回采率和生產成本。因此，綜采工作面工藝參數的合理確定對煤礦企業尤為重要。目前，我國煤礦已經初步實現了綜合機械化生產，與傳統采煤相比安全性和回采率得到顯著提升。我礦主要采用分層機械化回采工藝，在實際應用中存在巷道準備工作量大，后期對巷道的維護成本高、難度大等問題[1]。為解決當前分層機械化回采工藝成本較高的問題，將對其回采工藝進行優化，并完成對應綜采設備的選型。

1 工程概況

本文以某煤礦215021工作面為研究載體，該工作面的走向長度為1 090 m。對不同預應力錨桿支護效應進行對比研究，需全面掌握該工作面頂底板情況。經探測得出，215021的頂底板情況，如表1所示。

表1 215021工作面頂底板情況

根據215021工作面圍巖的穩定性將其分為四類，分別為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類。其中，Ⅰ類圍巖屬于穩定性圍巖，位于巷道頂板2 m的位置內；Ⅱ類圍巖屬于中等穩定性圍巖，位于巷道頂板2 m～4 m的位置內；Ⅲ類圍巖屬于不穩定圍巖，圍巖巷道頂板4 m～6 m的位置內；Ⅳ類圍巖屬于極不穩定圍巖，位于巷道頂板6 m的范圍之內[2]。經探測，215021工作面煤層的總體走向為40°～60°，傾角范圍為7°～12°；煤層工作面的走向長度為260 m，其中包括傾斜工作面的走向長度為174 m，煤層平均厚度為10.48 m。

2 工作面放頂煤回采工藝及設備選型

經對215021工作面煤層、地質以及水文條件的進一步探測，并結合周圍工作面的生產經驗可得：可對該工作面采用放頂煤的回采工藝，并通過煤層注水和頂煤預裂的方式對工作面的頂煤進行弱化操作。根據215021工作面周圍31031工作面的放煤經驗，其對應每個放煤時間約為2.5 min，則在一個循環中放煤需要的總時間為2.5×90(臺液壓支架)=225 min；31031工作面所實際運行中共有兩個放煤口同時進行放煤操作，則在每個循環所需的放煤時間為225÷2=112.5 min。

因此，對于31031工作面而言在三班倒的工作制度中，每班均可完成2個循環，每天可完成4個循環操作。結合215021工作面的走向長度，擬采用31031工作面的采煤機等生產能力參數，初步確定215021工作面的年產量可達1.9 Mt。

2.1 回采工藝參數的確定

2.1.1 采放比的確定

對于放頂煤開采工藝而言，煤炭的開采率由采煤機破煤所采出煤炭的量和放頂操作所放出煤炭的量兩部分組成。所謂采放比指的就是采煤機破煤所采出煤層的高度和放頂操作所放出煤炭煤層高度的比值。根據《煤炭安全規程》的相關規定可知，對于放頂煤開采工藝要求采放比不得大于1∶3。實踐表明，隨著采煤高度的增加對應放煤高度就會減小，從而可提升工作面煤層的回收率，整體提升工作面的回采效率；但是，采煤高度的增加從另一個方面分析還會增加工作面的礦山壓力，從而對液壓支架以及采取支護手段的要求越高[3]。

2.1.1.1 采煤高度的確定

所謂采煤高度指的是其割煤高度，在實際生產中要求采煤機割煤高度需與其破煤速度相匹配；需根據工作面的通風要求綜合確定；需保證工作面有合理的生產空間。目前，國內工作面的采煤高度一般可取2.5 m～3.6 m。綜合215021工作面的地質、煤層以及水文等條件，最終確定采煤高度為3 m[4]。

2.1.1.2 放煤高度的確定

對于同一個生產工作面而言，放煤高度與采煤高度的和為該工作面的煤層厚度。經探測可知，215021工作面煤層的平均厚度為10.58 m，則對應放煤高度為10.58-3=7.58 m。

因此，對于215021工作面而言其采放比=3/7.58=1/2.5。

2.1.2 放煤步距的確定

所謂放煤步距指的是，前一次與后一次循環之間工作面推進的距離。一般的，放煤步距的確定需綜合考慮采煤機的截割深度，以確保其能夠與工作面對應的采煤工序相配。目前，應用于我礦采煤機的截割深度為0.8 m，而且在實際應用中普遍存在放煤方式包括有采一放一、采二放一，以及采三放一等。因此，本節將基于PFC數值模擬軟件采放比為1:1.5時，對應放煤步距分別為0.8 m、1.6 m以及2.4 m的回采效果進行對比分析。經數值模擬分析結果，如表2所示。

表2 不同放煤步距對應的回采率

不難看出，隨著放煤步距的增加對應工作面的實際放煤量在不斷減小，其對應回采率也在不斷降低。因此，為了保證綜采工作面的回采率最大，將最佳放煤步距確定為0.8 m。

2.1.3 放煤方式的確定

工作面放煤方式根據其實際采用放煤口的刷領、放煤的順序以及放煤量的不同可組成多樣的放煤方式[5]。目前，與215021工作面相鄰工作面主要以單輪間隔放煤、單輪順序放煤以及多輪順序放煤三種放煤方式為主。因此，將基于PFC數值模擬軟件對不同放煤方式下對應放出率進行對比分析。經數值模擬分析結果，如表3所示。

表3 不同放煤方式對應放出率

如表3所示，當采用多輪順序放煤方式時對應頂煤的放出率最大為95.3%，當采用單輪順序放煤方式時對應頂煤的放出率最小為87.1%。因此，為了提高綜采工作面煤炭的利用率，可采用多輪順序放煤方式。

2.2 設備選型

綜采工作面設備選型主要是對工作面“三機”設備的選型，包括有采煤機、液壓支架和刮板輸送機。

2.2.1 采煤機的選型

對于215021工作面而言，最佳截割高度應為3 m，結合上述所確定的采放比為1/2.5，并綜合考慮該工作面采煤機與其他工作面采煤機的通用性，將滾筒的直徑確定為1.8 m～2.4 m。

經理論計算，要求所選型采煤機的最大落煤量不得小于761 t/h，截割功率不得小于1 152 kW。因此，綜合分析最終選擇采煤機的截割功率為1 200 kW，對應滾筒的直徑為2 m。

2.2.2 液壓支架的選型

液壓支架選型的關鍵依據為工作面所需支護的高度和液壓支架的工作阻力。結合上述所確定回采工藝的放煤高度為7.58 m以及工作面圍巖、煤層以及地質等條件，最終得出液壓支架的工作阻力不得小于1.1 MPa。此外，結合該工作面的采煤高度，將液壓支架的最低支護高度確定為1.8 m，對應最高支護高度為3.5 m。

2.2.3 刮板輸送機的選型

刮板輸送機需與采煤機、原因支架等相配套，其關鍵參數為運輸能力。結合采煤機的截割深度、采煤高度與該放頂回采工藝的回采率等指標，確定刮板輸送機的運輸能力不得小于782 t/h。

3 結語

綜采工作面生產的安全性、成本以及效率在一定程度上與其所采用回采工藝的相關參數有關。為解決215021工作面原分層機械化開采時存在巷道準備工作量大、維護成本高以及回采率低的問題，對其放頂煤回采工藝參數綜合確定，最后確定放頂回采工藝中關鍵參數如下：采放比為1/25,放煤步距為0.8 m，放煤方式為多輪順序；并要求所選型采煤機的截割功率為1 200 kW，液壓支架工作阻力為1.1 MPa，刮板輸送機運輸能力最小為782 t/h。