大傾角厚煤層綜放開采放煤工藝參數的研究

王 冬

（臨汾宏大豁口煤業有限公司， 山西 臨汾 041000）

煤炭是我國主要的能源形式，占到我國能源生產及消費的一半以上，隨著煤炭的不斷開采使用，我國東部地區的煤炭開采逐步完成，現向著西部煤炭開采發展。我國西部地區的煤炭賦存有大量的大傾角厚煤層[1]，煤層的傾角分布在35°～55°，大傾角的煤層處于急傾斜煤層與傾斜煤層的過渡階段，大傾角厚煤層由于煤層及巖層的沉積結構特殊，具有各向異性的分布特征，且各向異性的特性隨著傾角的增加而增加。由于大傾角厚煤層的煤質松軟，在開采過程中[2]，大傾角的松軟煤層具有特殊的礦壓規律及頂煤的冒落形態。常規的綜采為傾斜分層走向長臂開采，由于巷道的采掘量比較大，材料消耗高[3]，工作面的單產不高，常采用多個工作面共同作業的形式，造成設備占用量較大、效率較低等問題，不利于煤礦的高效開采，不能適用于大傾角厚煤層的開采[4]。因此，本文針對大傾角厚煤層進行綜采工藝參數分析，選擇合理的開采方式及工藝參數，以提高大傾角厚煤層的開采效率。

1 大傾角厚煤層綜放開采數值分析模型的建立

進行大傾角厚煤層開采時，煤炭的采出率是決定煤炭開采效率的直接因素，只有對頂煤的流動狀態及冒落的規律進行研究分析[5]，才能選擇合理的放煤工藝參數，從而提高綜采工作面的采出率。采用離散元分析軟件PFC2D 對大傾角煤層開采時頂煤的流出規律進行分析[6]，同時對不同工藝參數下的采出率及含矸率進行分析，從而確定合理的放煤工藝參數。

PFC2D 采用離散單元分析的方式，對圓形顆粒的運行及其相互作用進行模擬分析，可用于研究煤層的顆粒集合體破裂及破裂的發展問題[7]。以工作面的回采地質條件為背景，采用PFC2D 軟件對大傾角厚煤層沿傾斜方向上放頂煤開采時的冒落形態進行模擬，并統計分析煤炭的采出率及含矸率[8]。

工作面煤層的條件簡單，局部含有1～2 層的炭質泥巖夾矸，煤層以亮煤為主，直接頂為細粒砂巖，基本頂為中粒砂巖，煤層的底板直接底為砂質泥巖、粉砂巖，基本底為中粒砂巖，局部有0.1 m 厚的炭質泥巖[9]。綜采工作面為單一斜構造，工作面內的煤層變化較穩定，平均傾角為37°，工作面內沒有斷層的存在[10]，地質構造對回采的影響較小。設定初始狀態時煤炭顆粒處于平衡狀態，煤層的厚度為4.8 m，煤層上方的含矸厚度為10 m，煤層的傾角為37°，在開采過程中，模擬工作面的傾向推進長度共60 m，避免邊界效應的影響作用，在模型的前方及后方位置預留12 m 的煤柱[11]，依據煤巖結構建立數值分析模型如圖1 所示。

圖1 大傾角煤層開采數值分析模型

2 大傾角厚煤層綜放開采中不同放煤工藝參數的模擬分析

在進行大傾角厚煤層綜放開采的過程中，采高及放煤步距對頂煤的采出率具有較大的影響，因此對不同的放煤步距及采高進行分析，在不同的采高及放煤步距下對頂煤的回收率及含矸率進行分析。設定進行開采時的放煤步距分別為0.6 m、1.2 m、1.8 m，采高分別為1.8 m、2 m、2.2 m，對不同參數下的開采過程進行模擬[12]。在模擬的過程中，設定頂煤在重力的作用下自由放落，設定見矸關門，有矸石顆粒流出則停止放煤，進行下一個放煤工序。

以采高為1.8 m、放煤步距為0.6 m 時的放煤形態為例，當工作面推進至18 m 及36 m 時的狀態如圖2所示。從圖2 中可以看出，采用上向放頂煤開采時煤矸的分界線比較清晰，這是由于頂部的煤層松散，上部的矸石在重力作用下發生流動而對下部的放煤體產生作用，有部分矸石混入放煤體中。從圖中的冒落形態可以看到，在前幾次的放煤過程中頂煤的放出量不是很大，有較為嚴重的煤損，在放煤過程中有部分矸石落入到煤體中。

圖2 采高為1.8 m、放煤步距為0.6 m 頂煤的冒落形態

對不同的采高及放煤步距下的頂煤冒落形態進行模擬，統計不同工藝參數下的采出率及含矸率，并進行對比分析，得到如圖3 所示的對比圖。從圖3 中可以看出，在放煤步距為0.6 m 時，采高為2.0 m 時的采出率最高，此時的含矸率中等，采高在1.8 m 增加至2.0 m 的過程中，此時含矸率的增加速度要低于采出率，因此2.0 m 的采高最合理；在放煤步距為1.2 m時，采高為1.8 m 時的采出率最高，含矸率也較低，此時1.8 m 的采高最合理；在放煤步距為1.8 m 時，采高2.0 m 的采出率最高，此時的含矸率中等，在采高從1.8 m 增加到2.0 m 時，含矸率的增加速度要低于采出率的增加速度，因此1.8 m 的采高最為合理。

圖3 不同放煤步距對應的采出率及含矸率

綜上所述，放煤步距不同時，對應的合理的采高工藝參數也不同，放煤步距為0.6 m、采高為2.0 m 時的采出率為94.5%，含矸率為3%；放煤步距為1.2 m、采高為1.8 m 時的采出率為90.7%，含矸率為1.2%；放煤步距為1.8 m、采高為2.0 m 時的采出率為86%，含矸率為0.8%。對比煤礦的綜合經濟效益，應選取2.0 m 的采高最為合理。

對采高為2.0 m 時不同放煤步距下的采出率及含矸率進行進一步分析，得到其隨放煤步距的變化如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在采高為2.0 m 時，頂煤的采出率及含矸率均隨著放煤步距的增加而呈減小的趨勢，當放煤步距為0.6 m 時的采出率最高，但此時的含矸率也最高，放煤步距為1.8 m 時的含矸率最低，但其采出率僅為86.2%。結合煤礦的綜合經濟效益分析，進行大傾角煤層綜放開采時選擇的合理的工藝參數應為放煤步距0.6 m，采高2 m，此時頂煤的采出率為94.5%，含矸率為3%，采出率較高，含矸率滿足煤礦的開采要求。

圖4 采高2.0 m 時采出率及含矸率的變化曲線

3 結語

隨著我國煤炭的開采使用，對煤炭的開采逐漸向著西部地區的煤層過渡，西部地區的煤層分布以大傾角厚煤層的形式賦存較多，在開采過程中，不同于常規的綜采工藝，應選取合理的放煤工藝參數，以提高煤炭的采出率。針對大傾角厚煤層的綜采工藝，在不同的放煤步距及采高下，對頂煤的冒落形態進行離散元模擬分析，統計不同放煤工藝下的頂煤采出率及含矸率。經過模擬分析可知，在放煤步距0.6 m、采高2 m時頂煤的采出率最高為94.5%，此時的含矸率為3%，滿足煤礦的開采需求，為工作面最合理的放煤工藝參數。在進行大傾角厚煤層的開采時，應選取合理的工藝參數，以提高煤礦的采出率及經濟效益。