關(guān)于厚煤層不同回采工藝的對(duì)比分析研究

馮 杰

（同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司機(jī)掘三隊(duì)， 山西 大同 037024）

引言

某礦區(qū)擁有非常豐富的煤炭資源并且擁有簡(jiǎn)單的煤層賦存結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)大量的前期勘測(cè)后，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域平均的煤層可采厚度達(dá)到了11.36 m。當(dāng)前階段該煤礦已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)，且整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，通過(guò)分層綜合機(jī)械化工藝進(jìn)行采煤?，F(xiàn)在使用的采煤工藝雖然具備一定的經(jīng)濟(jì)效益，但在實(shí)踐中存在部分問(wèn)題，最顯著的缺陷在于巷道開(kāi)拓準(zhǔn)備工作量非常大，且對(duì)巷道的維護(hù)存在較大困難，需要花費(fèi)很多人力、物力和財(cái)力。這些不足之處限制了煤礦開(kāi)采效率以及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升[1-2]?；诖耍斜匾獙?duì)煤礦開(kāi)采工藝進(jìn)行重新設(shè)計(jì)研究，進(jìn)一步提升開(kāi)采效率和經(jīng)濟(jì)效益，保證煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本文在充分考慮煤礦實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，對(duì)比研究了不同回采工藝對(duì)采煤效率的影響，以期得到最佳的回采工藝。

1 工作面位置及其長(zhǎng)度的確定

1.1 工作面位置的選擇

考慮到煤礦已經(jīng)在正式開(kāi)采，結(jié)合煤礦后期的發(fā)展計(jì)劃和部署，在煤礦內(nèi)選擇一塊區(qū)域開(kāi)展相關(guān)的試驗(yàn)工作，實(shí)現(xiàn)工作面回采工藝的優(yōu)化，提升回采效率，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。所選擇的區(qū)域平均煤層的厚度達(dá)到了11.36 m，屬于厚煤層，煤層傾角在7°～12°范圍內(nèi)。

1.2 工作面長(zhǎng)度的確定

因?yàn)槊旱V首次開(kāi)展綜放試驗(yàn)工作，所以擁有相對(duì)較好的自然冒放性，自然發(fā)火期也非常短。所以在工作面推進(jìn)過(guò)程中可以在一定程度上提升推進(jìn)的速度。同時(shí)還需要采取措施對(duì)頂煤進(jìn)行弱化處理，可以采取的措施主要包括煤層注水以及頂煤欲裂等。綜合考慮多方面因素，最終選擇工作面傾斜方向的長(zhǎng)度為150 m。

煤礦當(dāng)前階段采用的是三班倒方式進(jìn)行生產(chǎn)，即有三班人員，每班人員工作8 h，實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)生產(chǎn)。總共安裝了94臺(tái)液壓支架，其中有6臺(tái)液壓支架屬于過(guò)渡支架，每2臺(tái)液壓支架之間的間隔為1.5m。根據(jù)相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，每臺(tái)液壓支架放煤時(shí)間大約為2.5 min。其中可以不用計(jì)算過(guò)渡液壓支架的時(shí)間。那么完成1個(gè)循環(huán)需要的放煤時(shí)間是225 min。若將2個(gè)放煤口同時(shí)工作，那么完成一個(gè)循環(huán)需要的放煤時(shí)間就會(huì)減半，為112.5 min。在只有1個(gè)放煤口工作的情況下，1個(gè)班組可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)循環(huán)。那么1個(gè)工作日3個(gè)班組就可以實(shí)現(xiàn)6個(gè)循環(huán)。當(dāng)前階段煤礦使用的采煤機(jī)滾筒截深為0.865 m，實(shí)際有效截深按照0.8 m進(jìn)行計(jì)算。每個(gè)工作日可以推進(jìn)的距離是0.8×6=4.8 m，每年實(shí)際有效工作時(shí)間按照330 d進(jìn)行計(jì)算，那么每年可以推進(jìn)的距離是4.8×330=1 584 m。按照這樣的采煤速度，預(yù)計(jì)每年產(chǎn)量可以達(dá)到300萬(wàn)t左右。需要說(shuō)明的是，每臺(tái)液壓支架的放煤時(shí)間通過(guò)強(qiáng)化日常管理還有進(jìn)一步縮小的空間。通過(guò)在實(shí)踐中不斷總結(jié)工作經(jīng)驗(yàn)，能夠在一定程度上提升日循環(huán)數(shù)量，使得煤礦的年產(chǎn)量得到進(jìn)一步提升。

2 割煤高度和放煤高度的確定

放頂煤高度和采煤機(jī)破煤高度兩者之和稱(chēng)為采煤高度，采煤機(jī)破煤高度與放頂煤高度之比稱(chēng)為采放比[3-4]。按照我國(guó)煤礦安全相關(guān)規(guī)章制度，如果煤礦的采放比超過(guò)了1∶3，就不得通過(guò)放頂煤開(kāi)采模式進(jìn)行回采。采用放頂煤開(kāi)采模式時(shí)，煤炭的采出量可以由兩部分構(gòu)成，第一為頂煤放出的煤量，第二為采煤機(jī)的實(shí)際采煤量。煤層高度一定，采煤機(jī)采高越大，那么對(duì)應(yīng)的放煤高度就降低。此時(shí)對(duì)頂煤冒放性更加有利，可以顯著提升頂煤回收率。縮短放煤作業(yè)時(shí)間，進(jìn)而縮短采煤機(jī)作業(yè)時(shí)間，使得整體采煤工作效率顯著提升，加大整體的產(chǎn)量。但是礦山壓力會(huì)隨著采煤機(jī)采煤高度提升而顯著增加，這對(duì)液壓支架的性能提出了更加嚴(yán)格的要求。

在考慮我國(guó)煤礦安全相關(guān)規(guī)章制度的基礎(chǔ)上，結(jié)合本煤礦實(shí)際情況來(lái)確定采煤機(jī)破煤高度和放頂煤高度。

2.1 割煤高度

在確定割煤高度時(shí)，需要考慮多方面的因素，主要包括以下幾點(diǎn)[5-6]：

1）破煤速度和截割高度應(yīng)該相互匹配，使采煤機(jī)性能得到最大程度發(fā)揮；

2）確保工作面通風(fēng)達(dá)到相關(guān)規(guī)章制度的要求，保證井下工作人員的安全；

3）回采工作面工作空間應(yīng)該滿(mǎn)足實(shí)際作業(yè)需要。結(jié)合當(dāng)前我國(guó)采煤工藝技術(shù)情況，綜放工作面采煤機(jī)的截割高度通常在2.5～3.6 m范圍內(nèi)，在充分考慮煤礦煤層地質(zhì)條件以及當(dāng)前階段生產(chǎn)實(shí)際需要的基礎(chǔ)上，將工作面采煤機(jī)割煤高度確定為3 m。

2.2 放煤高度

將整個(gè)煤層厚度去除工作面采煤機(jī)截割高度后，剩下的就是放煤高度。前文已述，煤礦的平均煤層厚度為11.36 m。因此，放煤高度值為11.36-3=8.36 m。

3 放煤步距對(duì)頂煤回收率的影響研究

相隔放煤循環(huán)之間整個(gè)工作面往前推進(jìn)的長(zhǎng)度被稱(chēng)為放煤步距。為了保證采煤工藝的匹配性，在確定放煤步距時(shí)，按照采煤機(jī)滾筒實(shí)際有效截割深度的整數(shù)倍取值[7]。在實(shí)際應(yīng)用中采煤步距有很多種模式，其中最為常見(jiàn)的主要有三種模式，分別為采一放一、采二放一、采三放一。煤礦使用的采煤機(jī)滾筒有效截割深度為0.8 m，對(duì)應(yīng)上述三種模式，放煤步距分別為0.8 m、1.6 m、2.4 m。通過(guò)專(zhuān)業(yè)的數(shù)值模擬軟件，對(duì)以上三種模式分別進(jìn)行模擬分析，對(duì)比不同模式對(duì)頂煤回收率的影響，以確定最佳的放煤步距。

3.1 不同放煤步距下的頂煤回收率

3.1.1 放煤步距為0.8 m時(shí)

按照前文設(shè)置的采煤機(jī)截割高度3 m，放煤高度8.36 m。當(dāng)放煤步距為0.8 m時(shí)，經(jīng)過(guò)16個(gè)循環(huán)的放頂煤后，理論計(jì)算得到的出煤量應(yīng)該為20 526 t，經(jīng)過(guò)數(shù)值軟件模擬得到的實(shí)際放煤量為17 745 t，計(jì)算得到的回收率為86.45%。

3.1.2 放煤步距為1.6m時(shí)

將放煤步距設(shè)置為1.6 m時(shí)，經(jīng)過(guò)16個(gè)循環(huán)的放頂煤后，理論計(jì)算得到的出煤量應(yīng)該為20 696 t，經(jīng)過(guò)數(shù)值軟件模擬得到的實(shí)際放煤量為16 986 t，計(jì)算得到的回收率為82.07%。

3.1.3 放煤步距為2.4m時(shí)

將放煤步距設(shè)置為2.4 m時(shí)，經(jīng)過(guò)15個(gè)循環(huán)的放頂煤后，理論計(jì)算得到的出煤量應(yīng)該為20 497 t，經(jīng)過(guò)數(shù)值軟件模擬得到的實(shí)際放煤量為15 988 t，計(jì)算得到回收率為78.01%。

3.2 最佳放煤步距的確定

對(duì)不同放煤步距對(duì)應(yīng)的頂煤回收率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，0.8 m、1.6 m和2.4 m時(shí)對(duì)應(yīng)的頂煤回收率分別為86.45%、82.07%和78.01%。從以上數(shù)據(jù)中可以明顯看出，將放煤步距設(shè)置為0.8 m得到的頂煤回收率最高。因此，將煤礦的放煤步距設(shè)置為0.8 m。

4 放煤方式對(duì)頂煤回收率的影響研究

煤礦井下綜采工作面，放煤口啟動(dòng)數(shù)量、啟動(dòng)順序、每個(gè)口的放煤量都會(huì)對(duì)煤礦開(kāi)采效率產(chǎn)生影響。放煤方式指的就是上述相關(guān)參數(shù)的組合。當(dāng)有多個(gè)放煤口時(shí)，不同放煤口的啟動(dòng)順序可分為兩種，即間隔、順序放煤。根據(jù)放煤次數(shù)不同又有單輪、兩輪、多輪放煤之分。在充分借鑒其他煤礦放煤方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦實(shí)際情況。將上述兩種放煤分類(lèi)方法進(jìn)行組合，適用于本煤礦的主要有三種放煤方式。下面分別對(duì)這三種放煤方式進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 不同放煤方式下的頂煤回收率

4.1.1 單輪間隔放煤

在采煤時(shí)，首先將編號(hào)為單號(hào)的液壓支架放煤口進(jìn)行開(kāi)啟放煤，待到有巖石流出時(shí)，將相關(guān)的放煤口進(jìn)行關(guān)閉。然后將液壓支架往前推進(jìn)一定距離，再次將編號(hào)為雙號(hào)的液壓支架放煤口進(jìn)行開(kāi)啟放煤。這種放煤方式得到的頂煤回收率為83.22%。

4.1.2 單輪順序放煤

按照先后順序依次將液壓支架的放煤口打開(kāi)進(jìn)行放煤，待到有巖石流出時(shí)將放煤口進(jìn)行關(guān)閉，整個(gè)放煤過(guò)程結(jié)束。這種放煤方式得到的頂煤回收率為78.13%。

4.1.3 多輪順序放煤

首先將編號(hào)為單數(shù)的液壓支架放煤口開(kāi)啟進(jìn)行放煤，當(dāng)頂煤流出一半左右時(shí)將放煤口關(guān)閉。然后再將編號(hào)為雙數(shù)的液壓支架放煤口開(kāi)啟進(jìn)行放煤。按照這樣的模式重復(fù)兩次左右就可以把頂煤放完。這種放煤方式得到的頂煤回收率為85.54%。

4.2 最佳放煤方式的確定

對(duì)上述三種放煤方式的頂煤回收率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果分別為83.22%、78.13%、85.54%?？梢钥闯?，在工作面采煤機(jī)截割高度為3 m、放煤高度為8.36 m時(shí)，利用多輪順序放煤方式時(shí)具有最高的頂煤回收率。因此，在實(shí)踐中可以采用多輪順序放煤工藝。

5 結(jié)論

某煤礦當(dāng)前階段采用的工作面回采工藝在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的問(wèn)題，不利于采煤工作效率以及煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升。本文在充分借鑒其他煤礦實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)煤礦的工作面回采工藝進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將采煤機(jī)截割高度和放煤高度分別設(shè)置為3 m和8.36 m、將放煤步距設(shè)置為0.8 m，采用多輪順序放煤工藝時(shí)具有最大的頂煤回收率，顯著提升了工作面回采工作效率。