采高、放煤步距等參數(shù)的優(yōu)化

王 強(qiáng)

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)通合煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

0 引言

一直以來，綜采工作面的生產(chǎn)效率在很大程度上決定于其所選擇的采煤方法。綜合機(jī)械化放頂采煤方法是當(dāng)前主流的開采方案，根據(jù)工作面的煤層、地質(zhì)以及巷道布置情況確定最佳的采放比和放煤步距等參數(shù)對于保證最終的開采效率具有重要意義[1-3]。傳統(tǒng)針對采放比、放煤步距等參數(shù)主要依靠經(jīng)驗完成，為進(jìn)一步提高工作面生產(chǎn)的安全性和生產(chǎn)效率，本文將基于FLAC3D軟件對不同采放比、放煤步距進(jìn)行優(yōu)選。

1 工程概況

本文所研究的礦井以斜井方式進(jìn)行開拓，煤礦共布置有6 個井筒，包括有主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)井以及回風(fēng)斜井等。以該煤礦16# 煤礦的開采為例，該煤層與其相鄰煤層17#煤層之間的最大間距為7.32 m，最小間距為3.7 m，二者之間平均間距為5.5 m；該工作面煤層的最大厚度為10.51 m，最小厚度為1.67 m，煤層平均厚度為8.5 m。總的來講，16#煤層相對穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可全采。經(jīng)探測，工作面煤層瓦斯的相對涌出量為0.4 m3/t，絕對涌出量為1.18 m3/min。16#煤層的頂?shù)装鍡l件，如表1 所示。

表1 16#煤層頂?shù)装鍡l件

目前，該工作面采用綜采放頂煤開采工藝進(jìn)行開采，頂板采用全部垮落法進(jìn)行管理，每天可循環(huán)進(jìn)度0.6 m；對應(yīng)采煤工藝中采高為2.5 m，放煤高度為6 m；現(xiàn)場配套有普通液壓支架、過渡型液壓支架和端頭液壓支架三種；所配套采煤機(jī)的具體型號為MG900/2210-WD，刮板輸送機(jī)的具體型號為SGZ-1000/1400。

2 FLAC3D 數(shù)值模擬軟件構(gòu)建

本文將基于FLAC3D 軟件對綜采放頂煤開采工藝參數(shù)中的放煤步距和采放比兩個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。因此，本節(jié)將根據(jù)16#煤層綜采工作面煤層、地質(zhì)等條件完成數(shù)值模擬仿真模型的構(gòu)建。為保證最終所優(yōu)化的采煤工藝參數(shù)可真正指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)，達(dá)到高效、安全的目的，在構(gòu)建模型時尤其需要注意其準(zhǔn)確性。因此，在16#煤層工作面現(xiàn)場對頂板和底板的巖層進(jìn)行曲線，對巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定，測定結(jié)果如表2所示。

表2 16#煤層頂板和底板巖層力學(xué)參數(shù)

在上述基礎(chǔ)條件分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建長度為163.2 m 的模型，如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模擬仿真模型

將如圖1 所示的數(shù)值模擬仿真模型的四周側(cè)面采用滾動支撐方式；水平方向采用不限制其移動；模型底部采用固定支撐方式[4-5]。并通過表2 中頂板和底板的巖體參數(shù)對模型中的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3 采放比、放煤步距參數(shù)的優(yōu)化

當(dāng)前工作面所配套普通液壓支架的最大支撐高度為3.5 m，最小支撐高度為1.8 m；因此，對采高分別為2、2.5、3、3.5 m 四種情況進(jìn)行分析；鑒于工作面所配套的采煤機(jī)滾筒的截割深度為0.6 m；因此，放煤步距取值為滾筒截割深度的整數(shù)倍，分別為0.6 m、1.2 m。本節(jié)采用控制變量法對不同采高和放煤步距對應(yīng)的煤體的破壞情況進(jìn)行對比，具體仿真結(jié)果如下：

3.1 放煤步距為0.6 m，不同采高對應(yīng)煤體的破壞情況

當(dāng)放煤步距為0.6 m，對不同采高為2、2.5、3、3.5 m 四種情況下對應(yīng)工作面煤體的破壞情況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2 所示：

圖2 放煤步距為0.6 m 時，不同采高對應(yīng)煤體的破壞情況

分析如圖2 所示的數(shù)值模擬仿真結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)采高為2 m，放煤步距為0.6 m 時，工作面頂煤主要以拉伸破壞為主，且破壞深度可達(dá)4.5 m；對應(yīng)煤壁的破壞縱深至0.6 m，影響范圍很小。

2）當(dāng)采高為2.5 m，放煤步距為0.6 m 時，工作面頂煤除了拉伸破壞外，還存在寬度1.5 m、高度1 m 的范圍出現(xiàn)剪切破壞，且破壞深度延伸至頂部的6.5 m；對應(yīng)煤壁的破壞范圍縱深同樣為0.6 m。

3）當(dāng)采高為3 m，放煤步距為0.6 m 時，工作面頂煤除了拉伸破壞外，還存在寬度2.1 m、高度1.25 m的范圍出現(xiàn)剪切破壞，且破壞深度延伸至頂部的8.5 m，充滿整個頂煤范圍；對應(yīng)煤壁的破壞范圍縱深延伸為1 m。

4）當(dāng)采高為3.5 m，放煤步距為0.6 m 時，工作面頂煤除了拉伸破壞外，還存在寬度2.4 m、高度1.75 m的范圍出現(xiàn)剪切破壞，且破壞深度延伸至頂部的8.5 m，充滿整個頂煤范圍；對應(yīng)煤壁的破壞范圍縱深延伸至1.5 m。

3.2 放煤步距為1.2 m，不同采高對應(yīng)煤體的破壞情況

當(dāng)放煤步距為1.2 m，對不同采高為2、2.5、3、3.5 m 四種情況下對應(yīng)工作面煤體的破壞情況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 放煤步距為1.2 m 時，不同采高對應(yīng)煤體的破壞情況

分析如圖3 所示的數(shù)值模擬仿真結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)采高為2 m，放煤步距為1.2 m 時，工作面頂煤主要以剪切破壞為主，且破壞深度可達(dá)1.75 m，高度為6.5 m；但是，在工作面中部仍然存在很大區(qū)域未被破壞，僅呈現(xiàn)一定的屈服應(yīng)力，容易導(dǎo)致大塊煤炭堵住放煤口。對應(yīng)煤壁的破壞縱深至0.6 m，影響范圍不大。

2）當(dāng)采高為2.5 m，放煤步距為1.2 m 時，工作面頂煤主要以剪切破壞為主，而且整個工作面的破壞程度相對充分，破壞率為74.37%；對應(yīng)煤壁的破壞縱深至1m，而且主要表現(xiàn)為剪切破壞，影響范圍較大。

3）當(dāng)采高為3 m，放煤步距為1.2 m 時，工作面頂煤同樣以剪切破壞為主，而且對應(yīng)頂部破壞區(qū)域仍在擴(kuò)大，破壞率為77.56%；對應(yīng)煤壁破壞縱深至1 m，而且主要表現(xiàn)為剪切破壞，影響范圍較大。

4）當(dāng)采高為3.5 m，放煤步距為1.2 m 時，工作面頂煤同樣以剪切破壞為主，而且對應(yīng)頂部破壞區(qū)域仍在擴(kuò)大，破壞率為83.04%；對應(yīng)煤壁破壞縱深至1 m，而且主要表現(xiàn)為剪切破壞，影響范圍較大。

4 結(jié)語

綜采放頂采煤方法為當(dāng)前綜采工作面的主流開采方式，為保證綜采工作面生產(chǎn)的安全性和高效的生產(chǎn)效率，需要結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計合理且匹配的放煤步距和采高。本文重點(diǎn)對不同采高和放煤步距對煤體的破壞情況進(jìn)行仿真分析，得出：

1）當(dāng)采高范圍在2～2.5 m 之間時，隨著放煤步距的增大，煤壁相對完整，且其壓力峰值區(qū)域較大；

2）當(dāng)采高范圍在2.5～2.5 m 之間時，煤壁所承受的壓力峰值向煤壁深處轉(zhuǎn)移，且煤壁被破碎的現(xiàn)象嚴(yán)重，極易導(dǎo)致其出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，影響開采的安全性。

因此，最終應(yīng)將采高控制在2～2.5 m 之間，將放煤步距控制為0.6 m，在保證生產(chǎn)安全性的基礎(chǔ)上，也保證了頂煤的回收率。