復采綜放工作面工藝參數優化研究

文 力

（山西鄉寧焦煤集團神角煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

鑒于我國富煤貧油少氣的資源賦存特征，在未來很長一段時間內煤炭依然在能源結構中占據主導地位。在開采初期，由于采用舊式房柱式開采工藝或者采用以掘代采的開采工藝，加上管理不到位導致煤炭的回收率降低，進而造成了煤炭資源的浪費[1]。為保證煤礦可持續發展，需要對破壞區域的煤炭資源進行復采，加之舊采區殘余煤炭條件相對復雜，且巷道斷面小的問題，本文將針對復采工作面的開采工藝進行優化。

1 工程概況

1301 工作面屬于復采工作面，該工作面煤層結構相對簡單，平均厚度為6.65 m，煤層傾角為2°～6°之間，屬于無煙煤且相對穩定。該工作面的水文地質條件屬于中等類型，一般情況的涌水量僅為1.0～1.4 m3/h。1301 工作面煤層為3#煤層，在初期開采時采用巷柱式進行開采，開采率偏低，而且在初期開采后已經對整個煤層的完整性構成破壞。因此，為了能夠切實掌握1301 復采工作面的現場情況，采用瞬變電磁閥、無線電波坑道透視法等技術手段對其地質條件和巷道分布情況進行探測[2]。經探測，1301 復采工作面的頂底板條件如表1 所示。

表1 1301 復采工作面頂底板條件

工作面頂底板巖層的主要力學參數測定結果如表2 所示。

以上述所探測到1301 復采綜放工作面的數據，并基于PFC2D 數值模擬軟件對工作面開采工藝參數進行優化。具體研究如下：

2 復采綜放工作面放煤步距的優化

1301 復采綜放工作面煤層的埋藏深度為200 m，實際操作的割煤高度為2 m，采放比為1∶2.3。根據1301 復采綜放工作面的實際情況，基于PF2CD 數值模擬軟件構建仿真模型，如圖1 所示。

圖1 放煤步距優化數值模擬仿真模型

如圖1 所示，藍色和綠色分別為上部頂煤和中部頂煤；紅色為矸石。基于上述所構建的模型，分別對放煤步距為0.6、1.2、1.8 m 三種情況下對應的在實體煤開采時、過小斷面空巷和過大斷面空巷三種情況下對應的放煤效果進行對比。其中，過小斷面的為工作面的舊采小空巷，其寬度為2.5 m，高度為2.0 m；過大斷面為工作面的舊采小空巷，其寬度為6.0 m，高度為3.0 m。數值模擬仿真結果如表3 所示。

表3 不同放煤步距對應的放煤效果

如表3 所示，當對實體煤進行開采時，雖然放煤步距為0.6 m 時頂煤的放出率最高可達88.8%，但是其對應的矸石率高達34%；而當放煤步距為1.2 m 時頂煤的放出率為85.9%，對應的含矸率也最低僅為13%；而當放煤步距為1.8 時，頂煤放出率最低，含矸率為17%。因此，當對實體煤進行開采時，應將放煤步距設定為1.2 m。

當對過小斷面煤體進行開采時，隨著放煤步距的增加頂煤放出率逐漸減小，但差距不明顯；放煤步距為0.6、1.8 m 時對應的含矸率最高，而放煤步距為1.2 m 時含矸率最低。因此，針對工作面過小斷面對煤體進行開采時，為保證頂煤的回收率和煤質，應將放煤步距設定為1.2 m。

當對過大斷面煤體進行開采時，隨著放煤步距的增加頂煤放出率逐漸減小，含矸率呈現先增大后變小的變化趨勢。當放煤步距為1.8 時，雖然含矸率最低對應煤質最好，但是頂煤放出率最小，造成了煤炭的浪費；而當放煤步距為0.6 m 時，頂煤放出率最大且含矸率指標居中；而當放煤步距為1.2 m 時，指標相比放煤步距0.6 m 的情況均較差。

綜上所述，對于實體煤開采和過小斷面煤層的開采可直接將放煤步距設定為1.2 m；而對于過大斷面煤層的開采將放煤步距設定為0.6 m 為最佳。考慮到開采的方便性，盡可能的將放煤步距設定為1.2 m，而對于過大斷面煤層開采需要對其關口進行調整，達到大幅度提升頂煤放出率的指標[3]。

3 復采綜放工作面放煤方式的優化

基于PF2CD 軟件構建放煤方式優化的數值模擬仿真模型，如圖2 所示。

圖2 放煤方式優化數值模擬仿真模型

放煤口寬度設計為0.7 m，相鄰放煤口的中心間距為1.5 m。基于上述模型分別對單輪順序放煤、單輪順序局部間隔放煤以及雙輪順序放煤三種放煤方式對應的放煤效果進行對比，仿真結果如表4 所示：

表4 不同放煤方式對應放煤效果對比

如表4 所示，采用單輪局部間隔放煤和雙輪順序放煤對應的頂煤放出率和含矸率指標相近。但是，在實際操作中，采用雙輪順序放煤相比較單輪局部間隔放煤需要往返操作較多。因此，當工作面較短時，可采用雙輪順序放煤獲得最佳的頂煤放出率和含矸率的指標；而當工作面較長時，可采用工藝相對簡單且效率相對較高的單輪局部間隔放煤方式[4]。

4 結語

復采綜放工作面由于初期開采不規范且工藝落后導致采出率低的同時，造成其煤層條件越發復雜。針對此種情況，為了實現對上述工作面的復采，解決煤炭開采不充分的問題，基于PF2CD 數值模擬軟件對綜放開采工藝參數進行優化，總結如下：

1）對于實體煤開采和過小斷面煤層的開采可直接將放煤步距設定為1.2 m；而對于過大斷面煤層的開采將放煤步距設定為0.6 m 為最佳。考慮到開采的方便性，盡可能的將放煤步距設定為1.2 m，而對于過大斷面煤層開采需要對其關口進行調整，達到大幅度提升頂煤放出率的指標。

2）當工作面較短時，可采用雙輪順序放煤獲得最佳的頂煤放出率和含矸率的指標；而當工作面較長時，可采用工藝相對簡單且效率相對較高的單輪局部間隔放煤方式。