回采工作面放煤工艺的优化设计

米建强+++孙昊

摘要： 放顶煤回采工艺参数的合理选取，对顶煤的有效回收起着重要的作用。本文采用实验室相似模拟的方法，从采放比、放煤步距等决定顶煤垮落空间的因素和顶煤块度等方面分析了其对顶煤垮落的影响，为煤层综放开采顶煤回收率的提高提供理论依据。

Abstract： The reasonable selection of top-coal caving mining technology parameter， plays an important role in the effective recovery of top-coal. This paper adopts the similarity simulation method， from caving ratio， drawing interval which determine the top-coal collapse space and the top-coal fragmental size and other aspects to analyze the influence on the top-coal collapse space and provide a theoretical basis for improving the recovery of top-coal in full-mechanized caving mining.

关键词： 放顶煤回采；工艺研究；放煤步距

Key words： top-coal caving mining；process research；drawing interval

中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）05-0076-03

0 引言

放顶煤开采是一种综合机械化长壁开采的技术，这种开采新技术在经济效益上有着巨大的优势，甚至可以说使采煤方法产生了根本性的变革。但是，放顶煤开采新技术对工作面采场围岩的破坏范围大，回采率低，瓦斯涌出量加大，出现了自然发火严重、煤尘超标等技术和安全问题。由于过去对该技术的基础研究欠缺，制约了该技术在我国的进一步发展。本文将结合实际案例，采用实验室相似模拟的方法，从采放比、放煤步距等决定顶煤垮落空间的因素和顶煤块度等方面分析了其对顶煤垮落的影响，为煤层综放开采顶煤回收率的提高提供理论依据。

1 回采工作面放煤工艺特点

放顶煤开采技术主要是提高放顶煤的开采的资源采出率技术，其主要特点是运用靳钟铭教授建立的顶煤冒放控制理论，以提高工作面顶煤放出率为主，解决相应的顶煤损失问题。另外，针对煤层赋存条件，实施上述相应的技术，可将工作面顶煤放出率提高80-90%以上。一般可在原有顶煤放出率的基础上，再提高5-10%，其经济效益是可观的，也是放顶煤开采可持续发展所必须的。

放顶煤工艺主要包括初末采放煤工艺、放煤步距、放煤方式和端头放煤等。基本的回采流程如图1所示。

1.1 初采和末采放煤工艺

目前，大多数综放工作面推出开切眼后即放煤，由于初采阶段矿压小，有时需要对顶煤采取松动措施。在工作面收尾前提前10m左右停止放顶煤并铺顶网，但须注意解决好两个方面的问题：选择合理的终采线位置，使撤架空间处于稳定的顶板条件下；要有效地防止后方矸石窜入。

1.2 放煤步距

在工作面的推进方向上，两次放顶煤之间的推进距离称为循环放煤步距。间接传热烘干机确定循环放煤步距的原则是：使放出范围内的顶煤能够充分破碎和松散，提高采出率，降低含矸率。

确定放煤步距时，首先应保证放煤口上方能够充满已松散的顶煤。放煤步距的大小主要与顶煤的厚度有关，顶煤厚度较小时，通常以一采一放較为合理；顶煤厚度较大时，则放煤步距可适当增大，可采用两采一放或二采一放。放煤步距还与顶板垮落和运动特点及顶煤的破碎程度等因素有关。

2 回采工作面放煤工艺优化设计

进入8月，新疆哈密市三道岭矿区煤炭销售状况转好，为迎合销售局面看好形势，集团公司自9月始，增加了该矿月度煤炭产量计划。完成计划，对矿井回采生产组织是考验，为保证按月均衡完成生产任务，处领导对相关保证工作做了安排，其中包括：优化N4004回采工作面放煤工艺，尽量出“精”煤。本文现结合回采面采掘情况，对煤炭生产工艺进行如下改进：

2.1 工艺优化设计思路

如何落实“优化采面放煤工艺”，建议实施步骤为：

①对采面放煤基本要求进行分析；

②根据矿井采面煤炭赋存及装备现状，依据放煤理论，经分析，先仅从理论出发，选定若干“合理”的放煤方案；

③根据矿井生产实际，确定放煤效果优劣的检验指标；

④对选定的每个理论试验方案，分别安排实际操作，进行实际验证，并收集效果检验统计数据；

⑤矿井从中优选、确定采面最优放煤方式，形成标准，今后强制执行。

2.2 工艺优化设计试验

理想的放煤方式应使得煤矸接触面均匀下沉，从而使煤矸有效地分开，最大限度地回收顶煤而减少混矸。放煤过程中如不能很好地控制放煤方式，放出的顶煤混矸就会很严重，且造成相当程度的丢煤。

2.2.1 放煤步距的选择

合理的放煤步距是提高回采率降低含矸率的重要因素之一。理想的放煤步距应是使得顶煤上方的矸石与后方矸石同时到达放煤口，这样可取得最好的放煤效果。放煤步距过大则顶煤上方的矸石首先到达放煤口，使后面的顶煤不能放出，而放煤步距过小则在放煤初期后方矸石就涌入放煤口，使上部的顶煤不能全部放出。实践表明，如放煤步距确定合理，则顶煤放出量最多，含矸石量最少。

放煤步距的选择，在我国，有如下经验公式可供借鉴：

L=（0.15-0.21）h

其中h——放煤口至煤层顶部的垂高。

该矿目前在采采面煤厚11m，其中：留底煤厚度0.8m、割煤高度4m、放煤高度6.2m，采放比为1：1.55。

经计算L=（0.15-0.21）10.2=1.53-2.14m，采面割煤步距为0.8m，L=割煤1.91-2.68排，矿井放煤步距确定为二排一放较为合适。

该矿与兄弟矿的煤层赋存条件相似，他们的放煤步距选择经验可供借鉴。

潞新一矿、二矿的放煤研究有如下结论：

采用一排一放：即放煤步距为0.8m时，工作面采空区侧的矸石先于顶煤到达支架放煤口，使工作面支架后方的顶煤无法及时放出，放煤效果较差；

当采用两排一放时，即放煤步距为1.6m时，可以使工作面顶煤与采空区侧的矸石同时到达支架放煤口，放煤效果较好；

当采用三排一放时，即放煤步距为2.4m时，工作面顶煤先于采空区侧的矸石到达支架放煤口，造成采空区侧遗煤，放煤效果较差。

N4004采面割煤高度较一二矿加大，顶煤后部断裂滑移空间加大，且采用大阻力液压支架反复支撑破碎顶煤求得可放性（放煤口宽度变大，取消了顶煤松动爆破工艺），此两点是与两兄弟矿相比最大的不同。

矿井放煤步距的确定：矿井放煤步距暂确定为二排一放。

2.2.2 放煤方式的选择

放矿有个“椭球体理论”，此理论对指导放煤工艺有现实意义。

该理论指出：“后顶部煤炭破碎后，是按近似椭球体形状向下自然流动下来的，即原来所占的空间形状为一个旋转椭球体，放煤椭球体表面上的颗粒将大体同时到达放煤口；椭球体煤炭放出后，后部形成放出漏斗被矸煤充填”。椭球体的几何尺寸、双曲线漏斗面的最大直徑与采煤高度间有经验公式。

放顶煤支架选定后，放煤口间距固定，加之采煤高度一定，放煤方式的选择是影响放煤效果的的最关键环节。椭球体理论能指导放煤方式的选择。但此理论，有深度，笔者努力分析过，弄不懂；需集成矿井采矿人员的智慧，甚至请外援。

本文利用“椭球体理论”，按不同的放煤方式，对该矿后部放煤形态、煤矸混入状态做出如下分析：

在放煤“分段”选择上，建议按现采面双向进刀、两组人员分两段配合放煤（保证采放平行作业，且放煤速度基本上能跟上割煤速度）。

①分段单轮顺序放煤。

②分段多轮顺序放煤。

放煤工两人，一人按4#、5#、6#……支架顺序进行放煤，每次放出顶煤量的1/2，放至53#架后，再从1#架开始放第二轮，将煤放完即可；另一人按54#、55#、56#……支架顺序进行放煤，每次放出顶煤量的1/2，放至110#架后，再从54#架开始放第二轮，将煤放完结束。

③分段间隔单轮顺序放煤。

④分段单轮顺序折返式放煤。

先放4#支架，见矸关门，改放5#支架，待见矸后折返回头补放4#支架，4#支架第一次未放净的残留余煤因5#支架活动而再次松散，这时可补放干净，然后跳过5#支架放6#支架，见矸关门后再折返补放5#支架，将5#支架第一次未放净的残留煤经4#、6#左右两架松动后补放干净，之后再放7#支架，这样依次放7#、8#、9#……每向前放一架，即返回补放前一架，使每一架放煤后都进行一次补放；为加快放煤速度，安排两人分段同时放煤

2.3 选定方案的试验安排

①时间安排：每十天为一个选定方案的试验期；方案一试验时间为：2015年9月11日夜班始～9月20日中班止（计10个原班）。

②单个方案试验在执行上需特别强调事项。

因该矿北翼皮带输送机的运煤能力是不能保证采面前后溜同时大量出煤的，故在此次放煤工艺改进试验前，综采队采煤工序实际执行上是做如下平衡安排的（总体上为随采随放）：下行割煤前溜大量出煤时，追机移架，后部缝隙不可避免有少量漏煤（后溜出少量漏煤），另后部也多安排小煤量放煤；反向扫空刀及上端部斜切进刀前溜少量出煤同时，后部开始大量放煤。

现采用两排一放后，在单纯第二刀返空刀的25min时间内，割二刀煤形成的顶煤肯定是放不完的，这时需要停止前部割煤，等放煤结束，方可进入下一个正规循环（既“割二放一”一个完整作业循环包含停机放煤环节），这是需特别强调的事项。

在本方案“一、基本分析”中，“采面按每日进7刀（2h50min/刀），年可采煤量可达550万t”，但实际完成一次割煤加扫空刀，2h即可完成，二次割煤用时剩下的近2h应能完成后部顶煤的全部放完。

另上端部斜切进刀时，也需注意割二放一，第一刀返空刀时后部不放，待第二刀割煤移架后方可放煤。

2.4 效益预测

①通过对临时支护设计的优化及管理，大大降低了沙墩子矿顶板安全事故的发生，大大提升了掘进工作面安全系数，保障了员工的作业环境安全，根据提升了安全系数这一项，预计一年能够为砂墩子矿带来近60万的间接效益；

②通过临时支护设计优化，很大程度上降低了前探梁安设时间，增加了生产作业时间，提升人工工效利用率，此项在一年时间里直接及间接将为砂墩子煤矿带来近40万元效益；

③由此两项收益可以看出，通过对临时支护装置的设计优化，一年将为砂墩子矿节省近100万元，如若按十年以及长远考虑，其所产生经济效益将不可估量。

3 结束语

本文仅仅基于工程实例，结合放顶煤开采工艺特点，采用试验法对放顶煤开采工艺进行了优化设计，虽然该开采工艺所取得的经济效益十分可观，但是仍需要大量实践去验证和进一步的优化设计。采矿单位应该充分认识到该开采工艺所带来的巨大的经济效益，尽量结合单位所经营矿采项目对该工艺进行充分的实践，并在实践中不断优化调整开采工艺，从而提升整个矿采生产领域的技术水平。

参考文献：

[1]徐永良.魏家地煤矿在突出煤层中进行综放开采的研究与应用[J].甘肃科技，2016（05）.

[2]宋正阳.散体煤岩自然安息角相似模拟试验研究[J].煤炭技术，2015（06）.

[3]宋庆军.综放工作面放煤自动化技术的研究与应用[D].中国矿业大学，2015.