綜采工作面采煤參數(shù)及采煤工藝的優(yōu)化

韓志成

（西山煤電西銘礦，山西 太原 030052）

在多年煤炭開采的基礎(chǔ)上，我國煤炭資源處于容易開采的位置已均開采完。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，我國剩余絕大多數(shù)未開采煤層以埋藏深度深、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及巖層穩(wěn)定性差等地質(zhì)條件為主?？紤]到當(dāng)前采煤參數(shù)及采煤工藝所配套的綜采技術(shù)工作量較大、開采成本較高等劣勢導(dǎo)致工作面煤炭回采率、安全系數(shù)低[1]。因此，急需對復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層的采煤參數(shù)及對應(yīng)采煤工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

本文以某煤礦為例開展研究。經(jīng)探測，該礦區(qū)工作面屬于大傾角工作面，其傾角范圍從23°至45°，工作面平均傾角為30°。目前，該煤礦可開采的煤層包括有1號、5號、8號以及9號。在2014年對某煤礦進(jìn)行改造，其當(dāng)前生產(chǎn)能力可達(dá)6 Mt/a，主要以長壁開采和綜合機(jī)械化開采為主，其對應(yīng)工作面頂板的管理手段為全部垮落法。本文以5號煤層工作面進(jìn)行重點(diǎn)研究，該工作面的走向長度為1460 m，對應(yīng)采高為3.3 m。

經(jīng)實(shí)踐生產(chǎn)探測可知，5號煤層工作面所采用的上層與下層聯(lián)合支護(hù)方式。其中，上層支護(hù)方式以錨網(wǎng)+錨索+鋼帶聯(lián)合支護(hù)；下層以U型棚支護(hù)為主。在當(dāng)前綜采參數(shù)及工藝的生產(chǎn)條件下，工作面存在礦山壓力大、巷道變形嚴(yán)重等問題。為解決上述問題，需綜合對5號煤層工作面頂?shù)装迩闆r進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表1所示。

表1 5號煤層工作面頂?shù)装迩闆r

2 采煤參數(shù)及工藝的優(yōu)化

經(jīng)對5號煤層工作面進(jìn)行深入探測在“1”的基礎(chǔ)上可對其地質(zhì)及煤層條件進(jìn)行再次明確。其中，5號煤層的傾角范圍為7°～12°，其平均傾角為9.5°，煤層平均厚度為11.2 m；工作面的傾斜長度為150 m。按照5號煤層目前所采用的開采方式和倒班模式，每年可推進(jìn)工作面的長度為950 m，產(chǎn)煤量為1.8 Mt/a，與實(shí)際設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力不相匹配。因此，需對5號煤層目前所采用的采煤參數(shù)及工藝進(jìn)行優(yōu)化。

采放比和放煤步距是采煤參數(shù)中較為關(guān)鍵、核心的指標(biāo)[2]。因此，本節(jié)著重對綜采工作面的采放比和放煤步距進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 采放比的優(yōu)化

采放比是工作面所配置采煤機(jī)的破煤高度和放煤高度的比值。破煤高度與放煤高度的和為工作面的煤層厚度，當(dāng)破煤高度增大時(shí)，對應(yīng)的放煤高度會減小。實(shí)踐表明，當(dāng)破煤高度越大對應(yīng)工作面的回采率越高，設(shè)備工作效率越高；但是，當(dāng)破煤高度增大一定數(shù)值時(shí)，工作面的礦山壓力明顯增大，對支護(hù)設(shè)備的要求越高。因此，應(yīng)合理確定采放比參數(shù)。

首先，需確定工作面的破煤高度。破煤高度的確定需根據(jù)當(dāng)前市面上采煤機(jī)的采煤高度、通風(fēng)條件以及所應(yīng)用工作面的實(shí)際情況綜合確定。對于5號煤層工作面而言，巷道空間較大可配置較大型號的采煤機(jī)；且5號煤層平均厚為11.2 m，屬于厚煤層，在保證生產(chǎn)效率的前提下應(yīng)盡可能選擇大采高工藝。因此，在上述條件下結(jié)合市面采煤機(jī)的采高范圍，最終確定5號煤層工作面的采高為3.2 m[3]。

則，對應(yīng)工作面的放煤高度為11.2 m-3.2 m=8 m。

綜上所述，5號煤層工作面的采放比為3.2∶8.0=1.0∶2.5，該采放比滿足放頂煤開采，采放比不得小于1∶3的要求。

2.2 放煤步距的優(yōu)化

放煤步距為相隔采煤循環(huán)之間工作面推進(jìn)的距離。一般情況下，在實(shí)際生產(chǎn)中為與所選擇的采煤工藝相匹配，將放煤步距確定為采煤機(jī)截割深度的整數(shù)倍。目前，5號煤層工作面所配置采煤機(jī)的截割深度為0.9 m。根據(jù)放煤步距的設(shè)計(jì)原則，可將其設(shè)定為采煤機(jī)截割深度為一倍、兩倍和三倍，對應(yīng)的放煤步距為0.9 m、1.8 m和2.7 m[4]。

2.2.1 放煤步距為0.9 m

當(dāng)放煤步距為0.9 m時(shí)，隨著工作面的不斷推進(jìn)并在完成16個(gè)放煤循環(huán)時(shí)，對應(yīng)工作面頂板煤炭顆粒的流動情況如圖1所示。

圖1 16個(gè)放煤循環(huán)對應(yīng)頂煤顆粒流

當(dāng)工作面推進(jìn)16個(gè)放煤循環(huán)時(shí)，即工作面推進(jìn)0.9 m×16=14.4 m；放煤高度為8 m，采煤機(jī)的破煤高度為3.2 m。結(jié)合5號煤層工作面的容重參數(shù)為0.9 t/m3，得出理論上的放煤步距為0.9 m時(shí)的放煤量為14.4 m×8 m×3.2 m×0.9 t/m3=331.776 t。

經(jīng)在工作面實(shí)際生產(chǎn)采用放煤步距為0.9 m開采時(shí)，對應(yīng)實(shí)際煤炭放出量為267 t。則，當(dāng)放煤步距為0.9 m時(shí)，對應(yīng)煤炭回收率為267/331.776=80.48%。

2.2.2 放煤步距為1.8 m

當(dāng)放煤步距為1.8 m時(shí)，隨著工作面的不斷推進(jìn)并在完成16放煤循環(huán)時(shí)，對應(yīng)工作面頂板煤炭顆粒的流動情況如圖2所示。

圖2 16個(gè)放煤循環(huán)對應(yīng)頂煤顆粒流

當(dāng)工作面推進(jìn)16個(gè)放煤循環(huán)時(shí)，即工作面推進(jìn)1.8 m×16=28.8 m；放煤高度為8 m，采煤機(jī)的破煤高度為3.2 m。結(jié)合5號煤層工作面的容重參數(shù)為0.9 t/m3，得出理論上的放煤步距為1.8 m時(shí)的放煤量為28.8 m×8 m×3.2 m×0.9 t/m3=663.552 t。

經(jīng)在工作面實(shí)際生產(chǎn)采用放煤步距為1.8 m開采時(shí)，對應(yīng)實(shí)際煤炭放出量為507 t。則，當(dāng)放煤步距為1.8 m時(shí)，對應(yīng)煤炭回收率為507/663.552=76.41%。

2.2.3 放煤步距為2.7 m

當(dāng)放煤步距為2.7 m時(shí)，隨著工作面的不斷推進(jìn)并在完成16放煤循環(huán)時(shí)，對應(yīng)工作面頂板煤炭顆粒的流動情況如圖3所示。

圖3 16個(gè)放煤循環(huán)對應(yīng)頂煤顆粒流

當(dāng)工作面推進(jìn)16個(gè)放煤循環(huán)時(shí)，即工作面推進(jìn)2.7 m×16=43.2 m；放煤高度為8 m，采煤機(jī)的破煤高度為3.2 m。結(jié)合5號煤層工作面的容重參數(shù)為0.9 t/m3，得出理論上的放煤步距為2.7 m時(shí)的放煤量為43.2 m×8 m×3.2 m×0.9 t/m3=995.328 t。

經(jīng)在工作面實(shí)際生產(chǎn)采用放煤步距為1.8 m開采時(shí)，對應(yīng)實(shí)際煤炭放出量為721 t。則，當(dāng)放煤步距為2.7 m時(shí)，對應(yīng)煤炭回收率為721/995.328=72.44%。

綜上所述，當(dāng)放煤步距為0.9 m時(shí)對應(yīng)工作面回收率最高。因此，確定最佳放煤步距為0.9 m。

3 結(jié)論

綜采工作面的生產(chǎn)能力和安全性在很大程度上受制于所采用的采煤工藝和參數(shù)。而在眾多采煤參數(shù)及工藝中，以采放比和放煤步距最為關(guān)鍵、重要[5]。確定采煤參數(shù)及采煤工藝最重要的考核指標(biāo)為煤炭回收率。本文在結(jié)合煤炭生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)理論基礎(chǔ)確定5號煤層工作面的采放比為1.0∶2.5，其中采煤高度為3.2 m，放煤高度為8 m；所選擇最佳放煤不均為0.9 m，對應(yīng)的煤炭回收率為80.48%。