淺埋綜放工作面放煤方式及放煤步距研究

吳維敏

(山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法是煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的關(guān)鍵技術(shù)，特別是在厚煤層及特厚煤層開采中，放頂煤技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。而對(duì)于綜放工作面，放煤工藝是重要的環(huán)節(jié)之一，合理的放煤方式及放煤步距是提高工作面產(chǎn)量和煤層采出率的重要前提[1-3]，有關(guān)專家學(xué)者曾對(duì)頂煤放出規(guī)律做了相應(yīng)研究[4-5]。本文以山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)3202綜放工作面為研究對(duì)象，綜合采用理論分析、數(shù)值模擬、工程實(shí)踐等方法確定了工作面合理的放煤方式與放煤步距，研究結(jié)果對(duì)提高工作面原煤品質(zhì)及煤炭采出率，以及綜放工作面高產(chǎn)高效具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)有限公司位于山西省晉城市澤州縣川底鄉(xiāng)天戶村北側(cè)，行政區(qū)劃屬晉城市澤州縣管轄，地理坐標(biāo)為：北緯35°32′05″～35°34′37″，東經(jīng)112°37′54″～112°40′44″。礦井井田面積9.377 4 km2，總體為走向北東、傾向北西的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀平緩，劃分為兩個(gè)采區(qū)，分別為一采區(qū)和二采區(qū)，目前生產(chǎn)區(qū)域?yàn)槎蓞^(qū)，開采3號(hào)煤層，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90萬t/a。

3202綜放工作面位于二采區(qū)，采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤方法，采煤機(jī)選用MWG160/375-W型雙滾筒采煤機(jī)，刮板輸送機(jī)選用SGZ-630/220型可彎曲刮板輸送機(jī)，液壓支架選用ZF4200-16/26型放頂煤液壓支架，工作面頂板管理采用全部垮落法處理。3202工作面所采3號(hào)煤層賦存于山西組下部，煤層厚度6.07～7.96 m，平均厚度6.15 m，含0～2層夾矸，一般夾矸厚度0.05～0.20 m，煤層傾角1～7°，最小埋深173.5 m，為淺埋煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。煤層頂板為泥巖或粉砂巖，局部為炭質(zhì)泥巖、中砂巖；底板為粉砂巖和細(xì)砂巖，局部為泥巖。

1.2 工作面回采技術(shù)特征

1) 巷道布置及支護(hù)方式：3202綜放工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、切眼均沿3號(hào)煤層底板布置，回采巷道均采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式；

2) 采煤工藝流程：割煤─移架─推移前溜─放頂煤─拉后溜，采煤機(jī)雙向割煤，進(jìn)刀方式為工作面端頭斜切進(jìn)刀，采煤機(jī)循環(huán)進(jìn)尺為0.6 m。

2 PFC模型建立

綜采工作面回采中，頂煤和煤層直接頂產(chǎn)生破裂后轉(zhuǎn)變?yōu)槊簬r散流體流出放煤口的過程可視為散體運(yùn)動(dòng)，散體頂煤和散體頂板共同構(gòu)成一個(gè)復(fù)合散體介質(zhì)，液壓支架放煤口為散體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)和煤巖顆粒間作用的自由邊界，煤巖松動(dòng)散體介質(zhì)以緩慢的速度流向支架放煤口。這樣一個(gè)頂煤流動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程稱之為頂煤松散體介質(zhì)流模型，此模型的主要作用便是分析綜放工作面頂煤運(yùn)動(dòng)情況。放頂煤過程散體介質(zhì)流實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D1。

本文利用PFC2D(Paryicle Flow Code)模擬軟件，模擬3202綜放工作面放煤工藝過程，將頂煤堆積及釋放模擬為顆粒破碎、發(fā)育、散體流動(dòng)的過程，由于工作面受到礦壓影響，頂煤在原初始點(diǎn)轉(zhuǎn)移至液壓支架放煤口的過程會(huì)由一個(gè)完整體變?yōu)樯⒙潴w，當(dāng)支架放煤口被打開后，散落體頂煤又將受到冒頂體堆積邊界、頂煤破斷線、液壓支架掩護(hù)梁等作用，從而聚集為一股散流體流動(dòng)至放煤口下放至后刮板輸送機(jī)。

根據(jù)坤達(dá)煤業(yè)3202綜采放頂煤工作面實(shí)際地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型，模擬參數(shù)選擇埋深200 m，采高2.5 m，采放比1∶1.46，并由上述內(nèi)容及工作面情況可知，模型介質(zhì)由煤層頂板矸石和頂煤兩部分組成，據(jù)煤層實(shí)際屬性分別設(shè)定煤層剛度、煤層容重、矸石剛度及矸石容重，設(shè)定支架放煤口為邊長700 mm的正方形。

選取3種模擬方案模擬工作面放煤過程：①一采一放，放煤步距為0.6 m； ②兩采一放；放煤步距為1.2 m；③三采一放，放煤步距為1.8 m。

3 放煤步距模擬過程分析

3.1 一采一放

圖2為工作面一采一放推進(jìn)至第5刀時(shí)頂煤運(yùn)移情況，此時(shí)，放煤口的水平投影長度大于放煤步距，頂煤提前流動(dòng)至放煤口，當(dāng)其流動(dòng)至一半高度時(shí)，頂煤介質(zhì)流流動(dòng)速度變慢，中間位置的頂煤從放煤口迅速流出；而對(duì)矸石而言，后面的矸石流動(dòng)速度遠(yuǎn)比上部矸石向下流動(dòng)速度快，所以后面的矸石先流動(dòng)至放煤口，在放煤初期放煤口處會(huì)出現(xiàn)少量矸石流出，一旦后面大量矸石和煤塊流動(dòng)至放煤口形成堵塞時(shí)，便需即刻停止放煤。

圖2 一采一放頂煤運(yùn)移

3.2 兩采一放

圖3為工作面兩采一放推進(jìn)至第5刀時(shí)頂煤運(yùn)移情況，此時(shí)，頂煤口的水平投影長度略小于放煤步距，頂煤、矸石流動(dòng)速度較為緩慢，放煤口處的煤塊與支架上部的頂煤幾乎同一時(shí)間流動(dòng)至放煤口。

圖3 兩采一放頂煤運(yùn)移

3.3 三采一放

圖4為工作面三采一放推進(jìn)至第5刀時(shí)頂煤運(yùn)移情況，此時(shí)，放煤口的水平投影小于放煤步距，放煤口每次平均放出量較大。對(duì)于距放煤口位置較近的頂煤，受自身重力和后部矸石前推力，會(huì)持續(xù)快速流動(dòng)至放煤口；但對(duì)于位置靠后的煤體，其流動(dòng)速度較慢。綜上所述，放煤口上部距放煤口較近的煤體快速流動(dòng)后，其上部矸石隨之下凹，替代原來煤體的位置，這樣一來更加不利于兩側(cè)煤體流出，嚴(yán)重制約了正常放煤進(jìn)度，阻礙了正常放煤作業(yè)，此時(shí)，只有停止工作，才能避免更大損失。

圖4 三采一放頂煤運(yùn)移

4 放煤步距現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證及效果

根據(jù)模擬結(jié)果，在3202綜放工作面從初始位置到推進(jìn)至10 m的過程中，驗(yàn)證不同放煤方式所產(chǎn)生的實(shí)際效果，以放煤量與煤體含矸率作為效果評(píng)估的兩項(xiàng)重點(diǎn)指標(biāo)。

當(dāng)改變放煤步距時(shí)，不同步距下頂煤總位移量均為9.5 m，一采一放時(shí)放煤步數(shù)為15次，兩采一放時(shí)放煤步數(shù)為7次，三采一放時(shí)放煤步數(shù)為5次，這三種放煤方式放煤效果如圖5。

圖5 不同放煤方式放煤效果對(duì)比

由圖5可知，一采一放時(shí)，總放煤量達(dá)到37.7 t，但含矸率較高，為35.1%，所以，如果要保證放煤率提高，則含矸率也隨之提高，煤體質(zhì)量變差；如果要保證放出煤體質(zhì)量提高，則放出煤體的量便降低。兩采一放時(shí)，放煤量達(dá)到36.5 t,含矸率為11.9%，此時(shí)，煤體質(zhì)量較一采一放時(shí)大大改善，且頂煤放出量仍保持較高，為綜放工作面最佳放煤方式。而三采一放時(shí)，放煤量達(dá)到32.8 t，含矸率為18.7%，與兩采一放相比，不僅頂煤放出量減少，而且煤體質(zhì)量大幅降低，為不可取方式。

綜上所述，在放頂煤回采過程中，需要重點(diǎn)權(quán)衡頂煤放出量和煤體含矸率兩大指標(biāo)，確定合理的放煤步距，以達(dá)到最優(yōu)放煤效果，提高綜放工作面回采速度及回采效率，實(shí)現(xiàn)“高產(chǎn)、高效”的目標(biāo)。因此，坤達(dá)煤業(yè)3202綜放工作面最優(yōu)放煤方式為兩采一放，此時(shí)放煤步距為1.2 m。

5 結(jié) 語

1) 放煤工藝是綜放開采的重要環(huán)節(jié)之一，合理的放煤方式及放煤步距是工作面快速、穩(wěn)定推進(jìn)的重要前提；

2) 為保證綜放工作面回采速度及回采效率，應(yīng)重點(diǎn)權(quán)衡頂煤放出量及煤體含矸率兩項(xiàng)重要指標(biāo)；

3) 針對(duì)坤達(dá)煤業(yè)3202綜放工作面，合理的放煤方式為兩采一放，放煤步距為1.2 m。