采煤工藝參數(shù)的優(yōu)化

王俊虎

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

煤炭是我國國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的關(guān)鍵能源與動力。目前，煤炭在我國的使用量在全球范圍內(nèi)居前列，而且在未來很長一段時間內(nèi)煤炭將依然在我國的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。對于煤礦企業(yè)而言，在保證安全生產(chǎn)的前提下，如何提高綜采工作面煤炭的產(chǎn)出率，降低生產(chǎn)成本為其關(guān)注的關(guān)鍵。從根本上將，采煤參數(shù)及對應(yīng)采煤工藝參數(shù)是決定煤炭開采率和開采成本的核心因素，其應(yīng)與所應(yīng)用工作面的實際情況相匹配，并在實際生產(chǎn)過程中隨著工作面的推進(jìn)對采煤參數(shù)及對應(yīng)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[1]。本文著重對采煤參數(shù)及對應(yīng)工藝參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行研究。

1 工程概況

某煤礦的設(shè)計生產(chǎn)能力為30萬t/a，而且工作面目前開采的煤層為3號煤層，該煤層對應(yīng)頂?shù)装宓那闆r勘測結(jié)果如表1所示。

表1 3號煤層工作面頂?shù)装迩闆r

3號煤層中砂巖排列相對緊密，硬度較大，中間夾雜部分有機(jī)物質(zhì)；砂質(zhì)泥巖中間夾雜著白云母片和相關(guān)有機(jī)物質(zhì)；黑色泥巖中間夾雜著一定量的碳屑和相關(guān)有機(jī)物質(zhì)。3號煤層工作面的正常涌水量為1～1.4 m3/h，涌水量較小不會影響正常開采；而且3號煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對簡單，便于開采。3號煤層結(jié)構(gòu)也相對簡單，且煤層傾角范圍為2°～6°，對應(yīng)煤層的平均硬度為3。目前，3號煤層工作面采用放頂煤開采技術(shù)，對應(yīng)所采用的頂板管理為垮落法。

2 采煤工藝參數(shù)的優(yōu)化

影響放煤開采效果的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括有放煤方式和放煤步距。合理的放煤方式和放煤步距可以保證工作面的煤炭的產(chǎn)量、煤炭的品質(zhì)以及采出率等。此外，放煤方式和放煤步距確定不合理導(dǎo)致其對頂煤的影響不同。因此，本文將基于數(shù)值模擬手段對放頂煤開采技術(shù)中的放煤步距和放煤方式等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[2]。

2.1 放煤步距參數(shù)的優(yōu)化

本文以某煤礦3號煤層工作面為基礎(chǔ)并基于PFC軟件建立仿真模型。經(jīng)勘測，3號煤層工作面對應(yīng)的煤層埋藏深度為200 m，煤層厚度為6.6 m。在目前開采方式下，所設(shè)計的采煤機(jī)的割煤高度為2 m，所對應(yīng)的放頂煤采煤中的關(guān)鍵參數(shù)采放比為1.0∶2.3。結(jié)合3號煤層工作面的各種條件，設(shè)計如圖1所示的數(shù)值模擬模型。

圖1 3號煤層工作面數(shù)值模擬模型

如圖1所示，模型最上方為矸石，其余藍(lán)色、綠色以及淺藍(lán)色為煤層，對應(yīng)巷道的尺寸：寬度為6 m，對應(yīng)的高度值為3 m。對于放頂煤開采工藝而言，放煤步距參數(shù)與采煤機(jī)截割深度相關(guān)[3]。目前，3號煤層所選型采煤機(jī)截割煤層的厚度為0.6 m。根據(jù)一采一放、兩采一放、三采一放的開采方式對應(yīng)的放煤步距值分別為0.6 m、1.2 m和1.8 m。經(jīng)數(shù)值模擬分析后，可以最終確定最佳放煤步距參數(shù)，且考核的標(biāo)準(zhǔn)為在不同放煤步距參數(shù)下對應(yīng)出煤量、放矸量以及總體含矸率等指標(biāo)進(jìn)行對，經(jīng)數(shù)值模擬仿真分析，得出不同放煤步距參數(shù)下對應(yīng)開采效果如表2所示。

表2 不同放煤步距對應(yīng)的放煤效果對比

如表2所示，基于一采一放的開采方式對應(yīng)的煤炭放出率為27.17 t，矸石放出量為4.84 t，總的含矸率為15%。經(jīng)分析可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至空巷影響區(qū)時，由于工作面頂煤的間隙已經(jīng)發(fā)育成熟且具有極強(qiáng)的冒放性；此時，在一采一放采煤方式的影響下，在放煤口位置處的頂煤在后方煤矸石的推動作用下涌出，從而減少了頂煤的損失量，進(jìn)而使得所采處煤炭中矸石的比例較小。

基于兩采一放的開采方式時對應(yīng)的煤炭放出率為24.71 t，矸石放出量為7.08 t，總的含矸率為22%。與一采一放開采方式相比較，煤炭放出量明顯降低，且對應(yīng)矸石放出量和含矸率明顯增加。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因在于，兩采一放采煤方式下使得煤矸石提前達(dá)到放煤口導(dǎo)致其頂煤無法快速放出甚至被堵死。

基于三采一放的開采方式時對應(yīng)的煤炭放出率為22.01 t，矸石放出量為1.84 t，總的含矸率為8%。與上述兩種采煤方式相比較，雖然頂煤放出量略小，但是整體開采處煤炭含矸率和矸石放出量明顯低于前兩種開采方式。

當(dāng)放煤步距為1.8 m時，雖然煤炭放出量略小，但是其所采出煤炭的質(zhì)量最高。因此，最終確定3號煤層工作面對應(yīng)的最佳放煤步距為1.8 m。

2.2 放煤方式參數(shù)的優(yōu)化

除了放煤步距這一參數(shù)外，放煤方式也是影響放頂煤開采的關(guān)鍵因素。基于2.1研究可知，3號煤層對應(yīng)的最佳開采方式為三采一放，對應(yīng)的最佳放煤步距為1.8 m。在此基礎(chǔ)上，本節(jié)將同樣基于PFC數(shù)值模擬軟件對放煤方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。對于放煤方式而言，根據(jù)放煤輪數(shù)可以分為單輪和雙輪；根據(jù)放煤順序可以分為順序和間隔[4]。因此，本節(jié)理論上將基于PFC數(shù)值模擬軟件對單輪順序、單輪間隔、雙輪順序以及雙輪間隔四種放煤方式進(jìn)行對比，最終得出最佳放煤方式。但是，結(jié)合實際放煤經(jīng)驗及相關(guān)理論基礎(chǔ)，本節(jié)僅對單輪順序、單輪順序局部間隔、雙輪順序三種方式的放煤效果進(jìn)行模擬分析。

根據(jù)3號煤層工作面所采用放頂煤開采工藝下對應(yīng)的放煤口的位置關(guān)系在模型中進(jìn)行設(shè)置。具體設(shè)置如下：所對應(yīng)放煤口的寬度為0.7 m，相鄰兩個放煤口之間的間距為1.5 m。所建立的放煤初始模型如圖2所示。

圖2 放煤初始模型

所謂單輪順序放煤指的是在不考慮采動的影響下，按照液壓支架的順序依次進(jìn)行放煤操作，直到發(fā)現(xiàn)煤矸石后停止放煤；單輪順序局部間隔放煤指的是，一開始僅對相對完整區(qū)域的頂煤放出，而后才對受采動影響區(qū)域的頂煤進(jìn)行放出；雙輪順序放煤指的是，第一輪先對不受空巷影響的頂煤按照液壓支架順序進(jìn)行放出；第二輪對所有頂煤按照液壓支架順序放出，直到發(fā)現(xiàn)煤矸石后停止放煤。不同放煤方式下對應(yīng)的放煤效果如表3所示。

表3 不同放煤方式下對應(yīng)放煤效果對比

如表3所示，在三種放煤方式下對應(yīng)的煤炭放出總量、頂煤放出率以及含矸率等參數(shù)的對比下，以雙輪順序放煤方式下對應(yīng)的煤炭放出總量最大，頂煤放出率最高且含矸率最小。綜合分析可知，三種放煤方式下的區(qū)別主要在于空巷影響區(qū)域的放煤效果，而雙輪順序放煤方式對空巷影響區(qū)域的放煤效果最佳[5]。因此，最終確定3號煤層工作面的最佳放煤方式為雙輪順序放煤。

3 結(jié)論

采煤參數(shù)及對應(yīng)工藝參數(shù)為影響綜采工作面煤炭質(zhì)量和采出率的根本因素。本文以某煤礦3號煤層工作面煤層的開采為例，基于PFC數(shù)值模擬軟件對其關(guān)鍵的放煤步距和放煤方式進(jìn)行優(yōu)化確定，具體總結(jié)如下：

1）當(dāng)放煤步距為1.8 m時，與放煤步距為0.6 m和1.2 m相比較可知，其對應(yīng)的煤炭放煤總量雖然略少，但是其所放出煤炭中的矸石量和含矸率為最低，即采出煤炭的質(zhì)量最高；

2）對單輪順序、雙輪順序以及單輪順序局部間隔放煤方式時，雙輪順序放煤方式下對應(yīng)的煤炭放出總量最大，且含矸率最小，即采出煤炭質(zhì)量最高。

最終確定某煤礦3號煤層工作面對應(yīng)的最佳放煤步距為1.8 m，最佳放煤方式為雙輪順序放煤。