大傾角綜放工作面采煤工藝分析研究

馬騰飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國厚煤層儲(chǔ)量共計(jì)40億t，產(chǎn)煤量占全國總產(chǎn)煤量53%。隨著采煤業(yè)的不斷發(fā)展，條件優(yōu)質(zhì)的厚煤層資源已經(jīng)越來越少，大傾角煤層的開發(fā)逐漸成為煤炭開采的主流。現(xiàn)階段，對(duì)于大傾角煤層的開采大多使用走向長壁采煤法，但該方法在采煤時(shí)會(huì)因煤層內(nèi)的煤矸石垮落后無法在采空區(qū)內(nèi)均勻分布而造成支架所承受的壓力無法均衡，從而導(dǎo)致采煤工作面的圍巖變形與垮落失衡。此外，有大傾角存在的情況下，工作面底板極易遭到破壞，會(huì)導(dǎo)致工作面礦壓劇烈、支架破損嚴(yán)重，大大增加發(fā)生安全事故的概率，且該方法效率低下，生產(chǎn)效率不高。全國范圍內(nèi)運(yùn)用大傾角綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)進(jìn)行開采的企業(yè)相對(duì)較少，因此，本文擬對(duì)大傾角綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)進(jìn)行研究，以期對(duì)大傾角綜放工作面開采提供一定的幫助。

1 工作面覆巖位移及其圍巖應(yīng)力分布分析

某煤礦某工作面煤層傾角為29°～46°，平均厚度為9.16 m，結(jié)構(gòu)單一，發(fā)展穩(wěn)定，較為適合采用綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)。本文以該煤礦為例進(jìn)行綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)工藝研究。首先對(duì)該工作面的覆巖移動(dòng)規(guī)律及圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行分析，建立的工作面模型如圖1所示。

圖1 某煤礦某工作面模型示意圖

通過對(duì)工作面進(jìn)行數(shù)值模擬可知，工作面在未進(jìn)行開采時(shí)其力學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定，開采后原本的受力分布被打破，壓力發(fā)生變化，底板與頂板形成對(duì)稱壓力拱。但是由于大傾角的存在，壓力拱受力將傾向于底板方向，形成非對(duì)稱壓力拱，從而造成壓力拱傾斜位移。當(dāng)傾角小于35°時(shí)，應(yīng)力變化與傾角變化相反，且隨著傾角的變大而減?。划?dāng)傾角超過35°時(shí)，放煤前后釋放壓力相近，集中應(yīng)力變化幅度增大，正壓力區(qū)域減小，釋放區(qū)域增大，應(yīng)力釋放充分。工作面在進(jìn)行放頂煤前，頂板豎直方向的位移大于底板豎直方向的位移，且最上方與最下方端頭的位移最少；工作面放煤后與放煤前的位移規(guī)律一致，但其上下兩端頭的位移較放煤前的位移有一定的增大。傾角大小對(duì)于塑形區(qū)域的影響與壓力變化相似，也是隨著傾角的增大而減小，放頂煤后巖層破壞范圍變大，破壞高度增加，但較放頂煤前變化幅度不大，僅發(fā)生較小變化。

2 采煤工藝優(yōu)化分析

2.1 采煤工藝優(yōu)化原則概述

采煤工藝的參數(shù)優(yōu)化主要針對(duì)的是放煤高度、采煤工作面長度、工作面布置方式等參數(shù)。在設(shè)備方面，在滿足開采要求的前提下需盡量增加采煤高度，提高生產(chǎn)效率；割煤與放煤的工作時(shí)間與循環(huán)時(shí)間應(yīng)盡量保持一致；需保證運(yùn)輸能力平衡，運(yùn)輸設(shè)備的實(shí)際運(yùn)輸能力與設(shè)計(jì)能力相匹配；需保證割煤與放煤協(xié)調(diào)、割煤循環(huán)最大化、放煤步距合理。

2.2 參數(shù)優(yōu)化分析

某工作面的上部頂板垮落完全、支架受力小、穩(wěn)定性高，為該工作面主要產(chǎn)煤層。中部支架受力較大，穩(wěn)定性差，但其為上部與下部區(qū)域的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)支架穩(wěn)定性與防護(hù)系統(tǒng)的防護(hù)能力，提高回采率，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。下部區(qū)域支架受力小，采空區(qū)已填實(shí)，但其受力較為分散，易造成傾倒滑移事故，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)的穩(wěn)定性，控制頂煤放出量，做好安全防護(hù)工作。

2.2.1 采煤高度的優(yōu)化

根據(jù)以往的數(shù)據(jù)資料分析可知，煤礦的采煤高度一般為2.7～3.7 m，結(jié)合某煤礦的實(shí)際情況，該煤礦采煤高度應(yīng)為3～3.5 m。

采煤工作面的通風(fēng)要求與采煤高度密切相關(guān)，其公式為：

H≥Q/（Bvμ）

式中：H為采煤高度，m；Q為供風(fēng)量，m3/s；B為支架最小長度，m；v為最大風(fēng)速，m/s；μ為過風(fēng)斷面系數(shù)。

由于前后運(yùn)輸設(shè)備需同時(shí)進(jìn)行運(yùn)煤，且該煤礦煤塵較多，故設(shè)計(jì)較低風(fēng)速，將v設(shè)置為2.5～3 m/s，供風(fēng)量為21 m3/s，支架長度為4.5 m，過風(fēng)斷面系數(shù)應(yīng)0.6，則該工作面采煤高度應(yīng)為2.6～3.1 m。經(jīng)綜合分析可得：采煤高度為3 m，放煤高度為5.15 m。

2.2.2 工作面長度與傾角的優(yōu)化

工作面長度是影響采煤產(chǎn)量、回采率、工作面安全穩(wěn)定效果的關(guān)鍵因素。經(jīng)分析可知，該工作面長度為2 094～2 140 m，傾斜長度平均值為183.5 m。工作面長度較長，穩(wěn)定性差，經(jīng)過大傾角采煤后長度會(huì)繼續(xù)增加，故根據(jù)以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其長度應(yīng)設(shè)定為120～150 m。

工作面傾角是影響設(shè)備穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。當(dāng)傾角過大時(shí)，設(shè)備會(huì)發(fā)生下滑現(xiàn)象，因此應(yīng)將工作面設(shè)計(jì)為偽仰斜，角度一般為10°～20°，調(diào)整范圍為5°，其偽仰斜工作面示意圖如圖2所示。

圖2 偽仰斜工作面示意圖

2.2.3 采煤工藝優(yōu)化

采煤工藝的優(yōu)化主要針對(duì)支架與圍巖穩(wěn)定性、放煤工藝分區(qū)兩部分進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.3.1 支架與圍巖穩(wěn)定性的優(yōu)化

根據(jù)覆巖移動(dòng)及其圍巖應(yīng)力分布分析可知，下部區(qū)域傾角大、支架易發(fā)生傾斜，由于該區(qū)域采用R-S-F系統(tǒng)來穩(wěn)定支架，故應(yīng)加強(qiáng)支架的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，以提高下部區(qū)域的安全性與穩(wěn)定性。中間區(qū)域支架穩(wěn)定系統(tǒng)會(huì)隨巖層的位移而發(fā)生變化，穩(wěn)定性難以把控，故應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測中部支架的穩(wěn)定性，嚴(yán)格控制放煤量，以減少對(duì)支架穩(wěn)定性的影響。上部區(qū)域覆巖活動(dòng)頻繁，其特性與中部較為相似，但該區(qū)域傾角小，穩(wěn)定性高，故應(yīng)提高上部區(qū)域放煤量，從而提高該區(qū)域采煤效率，實(shí)現(xiàn)工作面的高效生產(chǎn)，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

2.2.3.2 采煤工藝分區(qū)的優(yōu)化

根據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)算與設(shè)計(jì)，對(duì)某工作面煤層進(jìn)行了合理化的放煤工藝分區(qū)，具體分區(qū)情況如圖3、圖4所示。

圖3 放煤工藝分區(qū)示意圖1

圖4 放煤工藝分區(qū)示意圖2

采煤工藝經(jīng)優(yōu)化后，其具體工藝過程為：AB兩段為上部區(qū)域，d1為割煤深度，從a1位置開始放煤，當(dāng)發(fā)現(xiàn)煤矸石時(shí)，關(guān)閉14窗口，a2進(jìn)行放煤，從上而下依次執(zhí)行，直到放煤全部結(jié)束；BC兩段為中部區(qū)域，放煤從b1開始，當(dāng)該支架放煤量減少后，關(guān)閉14窗口，從b2進(jìn)行放煤，以此類推，直至放煤結(jié)束；CD段為下部區(qū)域，放煤過程與中部、上部相似，以c1為起點(diǎn)，當(dāng)c1放煤量減少時(shí)，從c2進(jìn)行放煤，直到全部放煤結(jié)束。

將優(yōu)化后的采煤工藝應(yīng)用于實(shí)踐生產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)，工作面回采率較優(yōu)化前提高了11%，年產(chǎn)值較優(yōu)化前增長了16%，煤礦生產(chǎn)直接經(jīng)濟(jì)效益提高了12 684萬元。

3 結(jié)論

現(xiàn)階段，大傾角綜放工作面煤炭開采的主流方法為走向長壁采煤法，該方法安全系數(shù)差，生產(chǎn)效率低，因此，采用大傾角綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)對(duì)大傾角采煤工藝進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的采煤工藝使工作面回采率較優(yōu)化前提高了11%，年產(chǎn)值較優(yōu)化前增長了16%，煤礦生產(chǎn)直接經(jīng)濟(jì)效益提高了12 684萬元。經(jīng)優(yōu)化分析，該采煤工藝使采媒安全系數(shù)、回采率、產(chǎn)值大大提高，且對(duì)大傾角采煤發(fā)展有深遠(yuǎn)意義。