特厚煤層綜放開(kāi)采放煤工藝參數(shù)研究

王雍昌

（山西同煤集團(tuán)虎龍溝煤業(yè)有限公司 山西朔州036010）

上述學(xué)者大多通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬優(yōu)化放煤工藝提高采出率，而對(duì)綜放開(kāi)采放煤工藝參數(shù)的理論機(jī)理研究尚有不足。本文以虎龍溝煤礦81505工作面為工程背景，采用理論計(jì)算的方法分析綜放開(kāi)采頂煤高度范圍，確定合理采放比，通過(guò)放煤步距對(duì)采出煤體的影響機(jī)理得出最佳放煤步距，最終結(jié)合地質(zhì)條件給出合理的放煤工藝。

1 工程概述

虎龍溝煤礦81505工作面位于東盤(pán)區(qū)，地面標(biāo)高1 421 m～1 585 m，井下標(biāo)高1 062 m～1 094 m；工作面傾向長(zhǎng)180 m，傾角3°～5°。

工作面開(kāi)采煤層為3～5#煤，賦存穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，總厚度28.73 m～36.39 m；上部受火成巖順層侵蝕，下部可采煤層平均厚度12.73 m，含9～12層夾石（累厚3.38 m～3.81 m）。煤層直接頂為泥巖，平均厚度1.9 m；底板為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.07 m。

2 合理采放比分析

采放比是綜放工作面最重要的參數(shù)，直接影響放煤方式和放煤步距的選取。綜放開(kāi)采放煤過(guò)程類似于金屬礦山開(kāi)采中所應(yīng)用的放礦橢球體理論。基于該理論，可以確定綜放開(kāi)采最大頂煤高度和最小頂煤高度。

2.1 基于放礦橢球體理論的最小頂煤高度

當(dāng)兩放煤口間距一定時(shí)，放出橢球體恰好處于相切狀態(tài)的橢球體高度即為最小放煤高度hmin，此時(shí)脊背煤損失量為圖中陰影部分A區(qū)域，如圖1(a)所示[7]；若放出高度大于hmin，兩放煤口產(chǎn)成的放煤橢球體呈相交狀態(tài)，A區(qū)域?qū)p小，脊背煤損失量下降；若放煤高度小于hmin，放煤橢球體不能相切，A區(qū)域增加，脊背煤損失增大，頂煤采出率偏低，如圖1(b)所示。所以，當(dāng)放煤口間距為l時(shí)頂煤的高度應(yīng)不低于hmin。

圖1最小頂煤高度

鑒于虎龍溝煤礦擬采用低位放頂煤液壓支架，沿工作面方向各支架放煤口可形成一道連續(xù)放煤槽，不存在“脊背煤”損失，故而放煤橢球體理論放煤最小高度為0 m。

2.2 基于放礦橢球體理論的最大頂煤高度

對(duì)于軟煤層，由于頂煤的冒落角大，冒落塊度小，易于流動(dòng)和放出，因此所允許的放煤最大厚度偏大。若煤層硬度較高，頂煤冒落角小于90°，放出橢球體的中心軸則會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且偏轉(zhuǎn)角θ存在最大值θmax，如圖2所示。

水泥穩(wěn)定碎石施工技術(shù)在市政道路施工過(guò)程中非常常見(jiàn)，是一項(xiàng)非常實(shí)用和便捷的施工技術(shù)。通過(guò)研究水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)，嚴(yán)格按照施工工序進(jìn)行操作，采用質(zhì)量?jī)?yōu)良的施工材料和設(shè)備，按照實(shí)際情況和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)配，并在施工完成后加強(qiáng)施工養(yǎng)護(hù)，注意操作技巧和注意事項(xiàng)，提高市政道路建設(shè)質(zhì)量并延長(zhǎng)使用壽命。

圖2最大放煤高度

此時(shí)頂煤所能放出的最高點(diǎn)為B，而B(niǎo)點(diǎn)以上的頂煤無(wú)法放出，據(jù)此得到可放出最大頂煤高度為hmax。

又因?yàn)閘1=hmaxtanα，可得式(3)

式中，h—放煤高度，m；l0—支架到頂煤垮落面距離（即支架后方頂煤懸臂長(zhǎng)度），m；α—頂煤垮落角，°；a,b—實(shí)驗(yàn)常數(shù)，a=0.52，b=-1.52。

當(dāng)式(3)中軸偏角θ取得最大值θmax，則可得到l0、α值確定時(shí)的最大合理放煤高度：

低位放頂煤液壓支架的l0為1 m～2 m，虎龍溝煤礦81505工作面開(kāi)采煤層普氏系數(shù)為4.5，頂煤跨落角預(yù)計(jì)為60°，軸偏角為9°，代入式(4)，可得在頂煤破碎情況下最大合理頂煤高度為11.2 m～22.4 m。

2.3 合理采放比的確定

放頂煤開(kāi)采的實(shí)質(zhì)是頂煤產(chǎn)生松動(dòng)、破壞、垮落的過(guò)程。底分層煤采出，后方形成采空區(qū)，頂煤呈懸臂梁形態(tài)，在上覆巖層壓力和自重作用下垮落形成松散無(wú)規(guī)則的塊體。為使頂煤可以充分破碎以提高采出率，放煤高度應(yīng)保證頂煤有充分自由空間可以松散。故而頂煤垮落高度取決于機(jī)采高度以及頂煤碎脹系數(shù)，如式5所示：

式中，h2—頂煤高度，m；h′—機(jī)采高度，m；k—頂煤碎漲系數(shù)；H—開(kāi)采煤層厚度。

故而合理的機(jī)采高度可通過(guò)式(6)計(jì)算，81505工作面平均煤厚12.73 m，且測(cè)得工作面頂煤碎漲系數(shù)為1.38，可確定工作面合理機(jī)采高度為3.5 m，放煤高度9.23 m，即采放比為1：2.64。所得結(jié)果符合基于放頂橢球體理論的的最大、最小頂煤高度范圍。

3 最佳放煤步距分析

放煤步距的大小直接影響到頂煤回收率及含矸率。若放煤步距過(guò)大，頂部矸石先于采空區(qū)側(cè)矸石到達(dá)放煤口，則使采空區(qū)側(cè)頂煤不能全部放出，造成煤炭資源浪費(fèi)，如圖3(a)所示；若放煤步距過(guò)小，則使頂部煤炭不能及時(shí)放出而造成資源浪費(fèi)，如圖3(b)所示。故而，僅有當(dāng)放出體同時(shí)與頂部及采空區(qū)側(cè)分界面相切，即兩處矸石同時(shí)到達(dá)放煤口，才能最大限度減少煤炭損失，此時(shí)放煤步距方為合理放煤步距，如圖3(c)所示。

圖3放煤步距與煤炭損失的關(guān)系

圖4合理放煤步距

根據(jù)以上合理放煤步距的要求，參考圖4可以得出合理放煤步距L為[8]

式中，a—放出體長(zhǎng)半軸，m；L0—放煤口距頂煤斷裂面水平距離，m；α—頂煤斷裂角，°；θ—放出體軸偏角，°；h2—頂煤厚度，m；ε—放出體偏心率。

虎龍溝煤礦81505工作面頂煤厚度9.23 m，取頂煤斷裂角α=60°，放出體軸偏角θ=9°，放出體偏心率ε=0.25，放出體長(zhǎng)半軸a=6.7 m，L0=0 m。然而考慮頂煤普氏系數(shù)為4.5，屬極堅(jiān)硬煤層，易擠壓成拱，故應(yīng)盡量減小放煤步距，對(duì)計(jì)算結(jié)果L作以系數(shù)為1/3的修正。經(jīng)式(7)計(jì)算并修正得最佳放煤步距為0.94 m?？紤]采煤工藝，擬定合理放煤步距為0.8 m，即采一刀放一次煤。

4 合理放煤方式理論分析

放煤方式是放頂煤工作面放煤順序、次數(shù)的配合方式，從次數(shù)角度分析，可分為單輪放煤和多輪放煤；從放煤順序角度可分為順序放煤與間隔放煤。

鑒于81505平均厚度12.73 m，擬定頂煤厚度9.23 m，采取多輪放煤可使上部頂煤逐步破碎松散，有利于順利放煤。同時(shí)，多輪放煤可使放煤過(guò)程中的煤矸分界面均勻下降，減少混矸，保證放出率的同時(shí)可有效減低含矸率。

81505工作面開(kāi)采煤層普氏硬度為4.5，屬極硬煤層，放煤時(shí)上方頂煤易擠壓成拱。采取間隔順序放煤，有利于在頂煤擠壓成拱時(shí)破壞拱腳，使頂煤重新冒落放出，或采取補(bǔ)放措施，有利于提高頂煤采出率。此外，放頂煤工作面放煤時(shí)間往往遠(yuǎn)長(zhǎng)于割煤時(shí)間，采取間隔放煤可以同時(shí)安排兩個(gè)甚至更多放煤口同時(shí)作業(yè)，相對(duì)于順序放煤可極大程度縮短綜放工作面放煤時(shí)間，促進(jìn)工作面高產(chǎn)高效。因此虎龍溝煤礦81505工作面可選用多輪間隔放煤方式。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及實(shí)測(cè)

5.1 放煤工藝確定

基于上述理論分析和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定虎龍溝煤礦81505工作面放煤工藝相關(guān)參數(shù)，工作面使用ZF13000/25/38型液壓支架進(jìn)行低位放頂煤，機(jī)采高度3.5 m，頂煤9.23 m，采放比為1：2.64。采放工藝為一刀一放多輪間隔放煤，具體為放煤工分前后兩組，每組一人，一組放單號(hào)支架頂煤，一組放雙號(hào)支架頂煤，兩組間隔5個(gè)支架；第一輪放煤只放1/2～1/3，然后折返再放余下的頂煤，放煤不凈時(shí)再重復(fù)折返放煤，直至達(dá)到最佳放煤為止。

5.2 頂煤回收率及含矸率實(shí)測(cè)

通過(guò)下述方法對(duì)頂煤回收率及含矸率進(jìn)行測(cè)量。(a)在工作面兩端部對(duì)推進(jìn)距離進(jìn)行測(cè)定，明確當(dāng)日工作面實(shí)際進(jìn)尺；(b)沿工作面傾向方向在序號(hào)為20、40、60、80的支架處通過(guò)頂煤鉆孔測(cè)定頂煤厚度，并測(cè)定工作面實(shí)際開(kāi)采高度；(記錄當(dāng)日工作面皮帶過(guò)煤量以確定實(shí)際日產(chǎn)量，求算工作面頂煤回收率；d）在當(dāng)日未經(jīng)洗選的原煤中隨機(jī)抽取1 t，將矸石進(jìn)行人工揀選，分別測(cè)定矸石、煤炭質(zhì)量，求算放頂煤含矸率。為提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，實(shí)測(cè)分三次進(jìn)行，均間隔10天，所得結(jié)果如表1所示。

表1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

由表1分析可得，工作面平均頂煤回收率達(dá)到90.4%，平均頂煤含矸率21.2%。頂煤含矸率較高的主要原因是頂煤中含夾石9～12層，累厚3.38 m～3.81 m。與我國(guó)地質(zhì)條件相近礦井綜放開(kāi)采工作面頂煤回收率和含矸率相比，擬定放煤工藝應(yīng)用效果顯著。

6 結(jié)論

（1）基于放礦橢球體理論，通過(guò)理論計(jì)算確定工作面合理機(jī)采高度為3.5 m，頂煤高度9.23 m，采放比為1：2.64。

（2）根據(jù)放煤步距對(duì)頂煤回收率的影響機(jī)理，結(jié)合采煤工藝和放煤方式，擬定合理放煤步距為0.8 m，采用一刀一放多輪間隔放煤方式。

（3）針對(duì)虎龍溝煤礦特厚煤層綜放開(kāi)采，確定工作面放煤工藝參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)放煤工藝達(dá)到了高回收率、低含矸率的生產(chǎn)效果，研究結(jié)果可為綜放開(kāi)采礦井制定放煤工藝提供參考。