工作面放顶采煤工艺参数的优化

郭远游

（山西省同煤集团云岗矿， 山西 大同 037017）

煤炭作为我国国民经济发展的核心动力，未来很长一段时间内其仍然在我国能源结构中占据主导地位。我国煤炭储量主要集中于山西、内蒙古以及陕西等地，其地质结构不同对所采用的采煤工艺提出了不同的要求[1]。对于大倾角厚煤层而言，传统综采放顶煤开采技术由于其回采周期短、搬家频繁等缺陷，加之底板侧大量留滞三角煤难以放出，导致煤炭回收率低。为提升综采工作面煤炭高效、安全生产需根据所在煤层地质条件及结构对传统放顶煤开采的各项参数进行优化。本文将以同煤某矿工作面煤层为研究对象，对其传统采用的采煤工艺进行优化。

1 工程概述

以山西省同煤集团云岗矿工作面为研究对象，该综采工作面的具体情况描述如下：综采工作面上方为耕地；工作面为南北走向，长度约为540 m，切斜煤层的长度为80 m，煤层总面积约为43 200 m2。工作面煤层的平均倾角为35°。该工作面煤层的储量情况如表1 所示。

表1 工作面煤层储量情况

1）工作面地质情况。

直接顶的主要成分为细粒砂岩（厚度为4.47 m），基本顶的主要成分为中粒砂岩（厚度为7.75 m）；直接底的主要成分为砂质泥岩和粉砂岩（厚度为1.5 m），基本底的主要成分为中粒砂岩（厚度为9 m）。

2）工作面水文地质情况。

工作面正常涌水量为9 m3/h；工作面最大涌水量为29 m3/h。该工作面为瓦斯浓度相对较高，其相对涌出量为2.38 m3/t，绝对涌出量为0.327 m3/min。

2 采煤工艺的确定

结合该工作面的实际地质、水文以及煤层等情况，适合于该煤层的主要开采手段为综合机械化放顶采煤工艺和炮采放顶采煤工艺[2]。本文将从经济和安全性两个方面分析确定最终采用何种采煤工艺。

1）经济方面。

结合山西省同煤集团云岗矿采用机械化放顶开采工艺和炮采放顶开采工艺的经验，该工作面分别采用两种开采工艺的经济投入与产出对比如表2 所示。

表2 经济情况对比

分析表2 可知，基于综合机械化放顶开采工艺的开采效率及人员、成本投入均小于炮采放顶工艺。

2）安全性方面。

鉴于该工作面的瓦斯浓度较高，采用炮采的危险系数较高。此外，基于炮采放顶采煤工艺对顶板的维护相对困难，容易出现冒顶事故的发生[3]。而基于综合机械化放顶采煤工艺有利于对顶板的支护，其能够获得较好的支护效果。

该工作面采用综合机械化放顶采煤工艺为最佳工艺。

3 综合机械化放顶采煤参数的优化

经研究可知，影响综合机械化放顶采煤工艺回收率的主要因素包括放煤步距、采高以及采煤方向等[4]。本文将基于PFC2D 数值模拟软件对上述不同参数组合下顶煤的回收效率及采出率进行对比分析。根据理论计算结合经验的基础上，设定放煤步距分为0.6 m、1.2 m 以及1.8 m；设定采高分别为1.8 m、2.0 m 以及2.2 m。采煤方向可为自下向上和自上向下。

1）1.8 m 采高、不同放煤步距时的煤矸冒落情况分析。

经仿真可知，当采高为1.8 m 时，放煤步距为1.2 m 的煤炭放出量最少，且该种情况下混矸情况比较严重；当放煤步距为1.8 m 时，尽管其放煤量相对于1.2 m 的量大，但是其煤炭损失量在三种步距情况下最为严重。当放煤步距为0.6 m 时，其放煤量最大且其煤炭损失量最小。

2）2.0 m 采高、不同放煤步距时的煤矸冒落情况分析。

经仿真分析可知，当放煤步距为0.6 m 时，在整个放煤过程中有一两次的放煤量较少煤损较为严重，从整体上分析放煤步距为0.6 m 时的放煤效果不错，煤损整体效果极少且顶煤的放出量很大。当放煤步距为1.2 m 时，在整个放煤过程中有好几次煤体的放出两很少，且最后几次的顶煤的损失量非常严重。随着放煤步距的增大煤体颗粒占据了采空区，使得1.8 m 放煤步距情况下煤炭的放出量均小于1.2 m 和0.6 m；但是，随着放顶步距的增大，在最后两次由于煤矸石混入煤体中导致其损失量增大[5]。

因此，当采高为2.0 m 时，最佳的放煤步距为0.6 m。

3）2.2 m 采高、不同放煤步距时的煤矸冒落情况分析。

随着采高的增加，使得煤层上方的煤矸石很容易混入煤体中进而导致混矸现象的出现。而且，经仿真分析可知，当步距为1.8 m 和2.0 m 时其煤体损失量均很大。

当采用自下而上的的开采方向时，最佳放煤步距为0.6 m。且采用自下而上开采时的顶煤采出率对比如表3 所示。

分析表3 可知，当放顶煤步距为0.6 m，采高为2.0 m 时煤炭的采出率最高。即，采用自下而上开采方向时的最佳工艺参数为：放顶煤步距为0.6 m，采高为2.0 m。

表3 自下而上开采不同采煤工艺参数采出率对比

同理，经仿真分析可知当采用自上而下开采方向时，最佳放顶煤步距为0.6 m，且顶煤采出率的对比如表4 所示。

表4 自上而下开采不同采煤工艺参数采出率对比%

分析表4 可知，当放顶煤步距为0.6 m，采高为1.8 m 时煤炭的采出率最高为89.9%。

因此，对比两种开采方向下的最佳采出率可知，该工作面的最佳开采方向为自下而上。

4 结语

综合机械化放顶开采技术不论从经济还是从安全性方面为最适用于大倾角煤层的开采。放顶采煤工艺参数直接决定最终的煤炭采出率及煤体中的含矸率。因此，需根据实际煤层、地质以及水文条件对放煤步距、采高以及开采方向进行对比分析。经仿真分析可知，适用于该工作面的最佳开采工艺参数为自下而上的开采方向，采高为2 m，放煤步距为0.6 m。