南陽坡礦綜放頂煤放出率及工藝優(yōu)化研究

劉 健

（大同煤礦集團綜采辦公室，山西 大同 037000）

本文以南陽坡礦8806綜放工作面為研究背景，分別模擬分析了不同放煤步距及放煤工藝下工作面頂煤放出率，并以此對8806工作面做出了相應(yīng)的放煤工藝優(yōu)化，使得工作面整體頂煤放出情況得到了進一步改善，也為其他類似工作面提供了一定的理論指導(dǎo)意義與實際參考價值。

1 工程概況

1.1 工作面概況

朔州煤電南陽坡礦8806綜放工作面位于井田408盤區(qū)西部，北部為23m斷層，東部為實煤區(qū)，西南部為柴家村保護煤柱，南接408盤區(qū)輔運、皮帶、回風(fēng)大巷。工作面可采長度445m，工作面長度180m，平均傾角3°，可采面積80100m2。

8806工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤方法，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。工作面采高3.5m，放煤高度7.6m，采煤機截深0.8m，放煤步距為一刀一放，初次放煤步距為25m。

1.2 煤層概況

8806工作面回采5#煤層，斜立方體節(jié)理，局部裂隙發(fā)育，含星散狀黃鐵礦（FeS2)結(jié)核，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層夾有厚度0.01～0.30m四至六層炭質(zhì)泥巖夾石，煤層利用厚度11.1m。5#煤層頂?shù)装逄卣魅绫?所示。

表1 頂?shù)装鍘r性特征

2 數(shù)值模擬分析

結(jié)合南陽坡煤礦8806綜放工作面現(xiàn)場放煤過程中的頂煤運移特征測試分析，由于采場煤層頂板泥巖層厚度較大、巖性較弱、強度較低，層間粘聚力較小，故其在工作面支架后方隨采隨落。同時，在采場礦山壓力及采動影響的作用下，工作面頂煤由較為完整的一體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為松散、不規(guī)則的塊狀煤體甚至煤屑，通過綜放支架放煤口流出。

針對頂煤運移特征，對綜放工作面做出以下基本假設(shè)，以方便數(shù)值模型的建立與計算：

（1）采場煤壁及頂板賦存狀態(tài)正常，不發(fā)生片幫及冒落；

（2）采場液壓支架承受頂煤及直接頂?shù)淖陨碇亓Γ?/p>

（3）采場頂煤視為松散破碎狀態(tài)的準(zhǔn)剛體，不受拉應(yīng)力作用。

2.1 模型建立

為進一步分析8806綜放工作面頂煤放出規(guī)律，利用PFC3D模擬軟件建立長×寬×高=30m×12m×25m的模型，如圖1所示。模型內(nèi)設(shè)置10架放頂煤支架，將該模型底面視為固定邊，四周視為簡支邊，模型上邊界視為自由邊界，僅受重力作用，模型速度與加速度均設(shè)置為零，放煤支架由wall單元建立，并通過Fish語言來模擬控制放煤支架放煤口的閉合與打開。

圖1 數(shù)值計算模型

2.2 模型參數(shù)確定

數(shù)值模型建立以后，為能夠更加真實、有效地反映工作面頂煤放出及移架的整個工藝流程，根據(jù)8806綜放工作面的綜放支架參數(shù)，確定數(shù)值模型中的有效支架參數(shù)，選擇參數(shù)如表2所示。

表2 支架參數(shù)選擇

結(jié)合表2中的工作面支架參數(shù)，已知工作面5#煤層可采厚度為11.1m，工作面采高3.5m，放煤高度7.6m，利用上述模型分別對不同放煤步距方式下的頂煤運移規(guī)律及放出率進行分析研究，模擬方案如下：

（1）一刀一放，放煤步距0.8m；

（2）兩刀一放，放煤步距1.6m；

（3）三刀一放，放煤步距2.4m。

依照以上方法進行模擬時，以支架放煤口出現(xiàn)矸石時關(guān)閉放煤口為準(zhǔn)，分別模擬分析不同放煤步距時的工作面頂煤運移規(guī)律及頂煤放出率。設(shè)置頂煤及直接頂屬性如表3所示。

表3 頂煤及直接頂顆粒參數(shù)

2.3 放煤步距影響分析

2.3.1 頂煤運移情況分析

如圖2所示，當(dāng)放煤步距過小時，液壓支架后方的矸石就會優(yōu)先于頂煤到達放煤口，從而降低頂煤的放出率，導(dǎo)致大量資源損失；而當(dāng)放煤步距過大時，則會形成大量頂煤滯留于液壓支架后方的情況。因此，合理的放煤步距是綜放工作面頂煤放出率的重要保障。

圖2 不同放煤步距時的頂煤運移情況

2.3.2 頂煤放出率分析

關(guān)于8806綜放工作面頂煤放出率的概念，以模擬過程每個循環(huán)結(jié)束后的頂煤放出顆粒數(shù)為除數(shù)，以循環(huán)開始前支架上方的顆?？倲?shù)為被除數(shù)，其比例便為工作面頂煤放出率。

如圖3所示為“一刀一放、兩刀一放、三刀一放”時，工作面頂煤放出率與工作面推進距離之間的關(guān)系曲線圖。可見，工作面頂煤放出規(guī)律大致分為兩個階段，即頂煤初放階段和工作面正常放煤階段，但對于不同的放煤步距，工作面進入正常放煤階段的時間節(jié)點不同。一刀一放時，工作面推進約10m后進入正常放煤階段；兩刀一放時，工作面推進約12m時進入正常放煤階段；三刀一放時，工作面推進15m以后仍未進入正常放煤階段。而且，不同的放煤步距下，頂煤的穩(wěn)定放出率不同，由圖可見，一刀一放、兩刀一放、三刀一放時頂煤的穩(wěn)定放出率分別為76%、66%、60%。

綜合以上分析，當(dāng)工作面放煤步距為1.6m，即兩刀一放時，支架上方的頂煤運移效果達到理想，頂煤放出成功率最高、損失率最小。

2.4 放煤順序影響分析

由分析可知，放煤步距直接影響著頂煤的放出成功率，同樣，放煤順序?qū)斆旱姆懦雎室财鹬苯拥挠绊憽Ｒ虼?，在上文研究的基礎(chǔ)上，分別研究順序放煤和間隔放煤時的煤矸排出量，以此來分析放煤順序?qū)斆悍懦雎实挠绊憽?/p>

如圖4所示為順序放煤（1→2→3→4→5）和間隔放煤（1→3→5→2→4）時的支架放煤口煤矸放出量關(guān)系曲線圖?？梢姡樞蚍琶簳r，1～5號支架放煤口處的煤矸放出量呈整體下降趨勢，5號放煤口煤矸放出體積僅為5.24m3，較1號放煤口降低了30.9%；而放煤工藝為間隔放煤時，除了2號放煤口放煤量較小外，1號和3～5號放煤口的放煤量均高于順序放煤時放煤量，此時的工作面整體的放煤效果較好，頂煤放出成功率較高。

圖4 順序放煤和間隔放煤時的頂煤放出情況

3 放煤工藝優(yōu)化分析

基于以上研究結(jié)果，對南陽坡礦8806綜放工作面的放煤工藝進行優(yōu)化，即對放煤方式及放煤順序分別進行優(yōu)化，將放煤步距由原先的一刀一放調(diào)整為兩刀一放，放煤順序由原先的順序放煤調(diào)整為間隔放煤。同時，對優(yōu)化工藝后的綜放工作面進行試驗段放煤效果監(jiān)測。

如圖5所示，以工作面優(yōu)化前后各10架放煤支架的頂煤放出量為監(jiān)測對象，對放煤步距和放煤工藝進行優(yōu)化后，工作面頂煤放出率得到明顯提高。優(yōu)化前所監(jiān)測的10架放煤支架頂煤平均放出率為64.2%，優(yōu)化后的頂煤放出率為88.9%，同比增長了24.7%。且據(jù)工作面現(xiàn)場施工情況得知，工作面采用兩刀一放處理頂煤時，不論從管理的角度還是操作的角度，均較為簡便快捷。因此，此次優(yōu)化對綜放工作面的推進進度及頂煤回收率均有著明顯的改善效果，可為相似綜放工作面提供可靠的實際指導(dǎo)與參考價值。

圖5 優(yōu)化前后頂煤放出量對比

4 結(jié)論

（1）放煤步距過小則支架后方矸石易優(yōu)先頂煤到達放煤口阻礙頂煤運移，放煤步距過大則大量頂煤易滯留于支架后方不易放出；

（2）間隔放煤與順序放煤相比，前者對于工作面整體頂煤的放出效果更加明顯；

（3）針對8806綜放工作面，優(yōu)化放煤步距和放煤順序后，工作面頂煤平均放出率達到88.9%，較原先提升了24.7%。