厚煤層放頂煤高效開采工藝參數的研究

呂 謙

（同煤集團臨汾宏大礦業有限責任公司， 山西 臨汾 041000）

我國的地下煤層儲量豐富，且以厚煤層的形式存在的煤層約占半數，煤層厚度達到3.5 m 以上。我國對厚煤層的開采方法主要包括爆破法、水力法及機械法三種，隨著技術的進步，綜合機械化開采成為煤炭開采的主要方式。主要的采煤工藝包括分層開采、一次采全厚及放頂煤開采三種[1]。隨著采煤裝備制造業的發展，針對煤層不同的賦存條件，綜放開采可配套不同開采工藝。厚煤層的分層開采中，綜合機械化開采在巷道的掘進效率、支護的難度及開采成本上皆難以保證開采效率的有效提高[2]，針對這一問題，決定采用放頂煤開采工藝，本文基于某煤礦厚煤層開采的實際條件，對厚煤層的高效開采進行工藝參數的研究，合理選擇工藝參數，從而提高厚煤層的開采效率，實現放頂煤的高效開采。

1 厚煤層頂煤冒放性的工藝參數設定

依據某煤礦厚煤層的賦存條件，對厚煤層進行放頂煤開采，綜采煤層平均厚度為10.5 m，煤層傾角為7°～12°。頂煤的冒放性對開采的效率具有重要的影響。頂煤的冒放性主要取決于自然及人為因素，即頂煤冒放性與煤層及頂板自身的性質所具有的破壞性、回采工藝參數的選擇及設備的選用有關[3]。

預裂爆破是對頂煤進行預裂的主要方式，可采用專用的巷道及打眼進行爆破，對于厚煤層也可采用在工作的順槽及切眼內進行預裂爆破，以減少爆破的準備工作，提高開采效率。爆破孔徑越大，煤層的預裂效果越好[4]，在進行井下作業過程中，考慮到受客觀條件的影響，最終確定采用爆破孔的孔徑為75 mm，控制孔孔徑為90 mm。依據爆破孔及控制孔的直徑，確定孔間距為8 m，依據此參數進行煤層預裂的效果較好。封孔深度是進行預裂爆破的重要參數，可保證巷道兩側的煤層不受破壞，同時要達到理想的預裂效果，依據厚煤層開采的施工經驗[5]，確定炮孔深度為65 m，封孔的長度為15 m。

2 厚煤層放頂煤回采效率工藝參數的設定

2.1 采放比的確定

采煤機進行作業的過程中，采煤機的破煤量及頂煤的放出量是煤炭的總采出量。采煤機的采高增加，則放煤的高度減小，有利于提高頂煤的回收率[6]及采煤機的作業效率，但采高的增加也會使礦山的壓力增加，對支護系統的要求較高。破煤高度與放頂煤高度的比值即為采放比，進行放頂煤開采時其值需小于1∶3[7]。

我國進行綜放開采的采高一般為2.5～3.6 m，依據煤層的賦存條件及現場的設備條件，確定工作面的采高為3 m，放煤高度為7.5 m，采放比為1∶2.5，均滿足放頂煤開采的安全規程。

2.2 放煤步距的確定

放頂煤開采中兩次放煤之間工作面推進的距離即為放煤步距，放煤步距與采煤機的截割相配合，依據采煤機滾筒截割深度的倍數來確定放煤步距[8]。常見的放煤方式主要有采一放一、采二放一及采三放一，先將放煤步距分別設定為0.8 m、1.6 m、2.4 m，再對三種不同的放煤步距，采用PFC 仿真模擬的形式對其頂煤的移動進行分析。

采用PFC 軟件相應建立不同采煤步距的模型，對放煤過程進行模擬，統計頂煤的回收率的大小[9]。采用采一放一工藝時，放煤步距為0.8 m，采煤高度為3 m，放煤高度為7.5 m，經過16 個循環的放頂煤效果如下頁圖1 所示，此時的回收率為85.6%。

圖1 采一放一時割煤16 個循環的放頂煤效果

采用采二放一工藝時，放煤步距為1.6 m，采煤高度為3 m，放煤高度為7.5 m，經過16 個循環的放頂煤效果如圖2 所示，此時的回收率為81.9%。

圖2 采二放一時割煤16 個循環的放頂煤效果

采用采三放一工藝時，放煤步距為2.4 m，采煤高度為3 m，放煤高度為7.5 m，經過16 個循環的放頂煤效果如圖3 所示，此時的回收率為78%。

圖3 采三放一時割煤16 個循環的放頂煤效果

對不同放煤步距下放頂煤的效果進行模擬[10]，并對回收率進行統計。數據表明，對厚煤層進行開采時，確定放煤步距為0.8 m，采用采一放一的方式進行開采，此時頂煤的回收率最高，為85.6%。

2.3 放煤方式的確定

厚煤層進行放頂煤回采的循環過程中，將放煤口打開的次數、順序及放煤量的不同綜合起來稱之為放煤方式。依據放煤口打開的順序可分為順序放煤及間隔放煤，依據放煤的次數可分為單次放煤、雙次放煤及多次放煤[11]，兩者相互組合起來后，放頂煤開采的放煤方式可分為單次間隔放煤、單次順序放煤及多次順序放煤。

用PFC 軟件相應建立不同放煤方式的模型[12]，對放煤過程進行模擬，統計頂煤的放出率的大小。采用單次間隔放煤方式時，放煤步距為0.8 m，采煤高度為3 m，放煤高度為7.5 m，此時放頂煤效果如圖4所示，放出率為83.2%。對單次順序放煤及多次順序放煤依次進行建模模擬，得到單次順序放煤時的放出率為78.1%，多次順序放煤時的放出率為85.3%。

圖4 單次間隔放煤時放頂煤效果

對不同放煤方式下放頂煤的效果進行模擬，并對放出率進行統計。數據表明，對厚煤層進行開采時，確定采用多次順序放煤方式進行放煤時，頂煤的放出率最高，為85.3%。

2.4 采煤機參數的確定

進行厚煤層開采的割煤高度為3 m，依據工作面及采放比的要求，選擇采煤機的滾筒直徑為1.8～2.4 m，采煤機的截割功率為：

式中：N為采煤機的截割功率；B為采煤機截割深度，取0.8 m；H為采煤機的最大割煤高度，取3.6 m；vmax為采煤機的最大割煤速度，取8 m/min；HW為采煤機破煤的能耗系數，取2.6～3.1。

由此對采煤機進行選型，確定采煤機的直徑為2 m，功率為1 200 kW，對煤層進行采煤作業，割煤高度為3 m，截割深度為0.8 m。

3 結論

1）針對厚煤層放頂煤開采過程中的工藝參數，依據煤礦的地質條件以開采經驗及模擬仿真的形式確定相應的工藝參數，實現對厚煤層的高效開采。首先確定相應的預裂參數來提高煤層的冒放性，預裂參數主要包括爆破孔孔徑、控制孔孔徑、孔間距、炮孔深度及封孔長度等。

2）依據煤層的厚度，設定工作面的采高為3 m，放煤高度為7.5 m，采放比為1∶2.5，滿足放頂煤開采的安全要求。

3）對三種不同采煤步距進行模擬分析，確定放煤步距為0.8 m，采用采一放一的方式進行開采，頂煤的回收率為85.6%。

4）對放煤方式進行模擬分析，確定多次順序放煤方式進行放煤，頂煤的放出率為85.3%。

5）針對采煤機設備進行選型，確定采煤機的直徑為2 m，功率為1 200 kW。確定相應的工藝參數對厚煤層進行放頂煤的開采，可提高煤礦開采的效率。