特厚煤层综放开采放煤工艺参数研究

王雍昌

（山西同煤集团虎龙沟煤业有限公司 山西朔州036010）

上述学者大多通过模型实验和数值模拟优化放煤工艺提高采出率，而对综放开采放煤工艺参数的理论机理研究尚有不足。本文以虎龙沟煤矿81505工作面为工程背景，采用理论计算的方法分析综放开采顶煤高度范围，确定合理采放比，通过放煤步距对采出煤体的影响机理得出最佳放煤步距，最终结合地质条件给出合理的放煤工艺。

1 工程概述

虎龙沟煤矿81505工作面位于东盘区，地面标高1 421 m～1 585 m，井下标高1 062 m～1 094 m；工作面倾向长180 m，倾角3°～5°。

工作面开采煤层为3～5#煤，赋存稳定、结构复杂，总厚度28.73 m～36.39 m；上部受火成岩顺层侵蚀，下部可采煤层平均厚度12.73 m，含9～12层夹石（累厚3.38 m～3.81 m）。煤层直接顶为泥岩，平均厚度1.9 m；底板为砂质泥岩，平均厚度2.07 m。

2 合理采放比分析

采放比是综放工作面最重要的参数，直接影响放煤方式和放煤步距的选取。综放开采放煤过程类似于金属矿山开采中所应用的放矿椭球体理论。基于该理论，可以确定综放开采最大顶煤高度和最小顶煤高度。

2.1 基于放矿椭球体理论的最小顶煤高度

当两放煤口间距一定时，放出椭球体恰好处于相切状态的椭球体高度即为最小放煤高度hmin，此时脊背煤损失量为图中阴影部分A区域，如图1(a)所示[7]；若放出高度大于hmin，两放煤口产成的放煤椭球体呈相交状态，A区域将减小，脊背煤损失量下降；若放煤高度小于hmin，放煤椭球体不能相切，A区域增加，脊背煤损失增大，顶煤采出率偏低，如图1(b)所示。所以，当放煤口间距为l时顶煤的高度应不低于hmin。

图1最小顶煤高度

鉴于虎龙沟煤矿拟采用低位放顶煤液压支架，沿工作面方向各支架放煤口可形成一道连续放煤槽，不存在“脊背煤”损失，故而放煤椭球体理论放煤最小高度为0 m。

2.2 基于放矿椭球体理论的最大顶煤高度

对于软煤层，由于顶煤的冒落角大，冒落块度小，易于流动和放出，因此所允许的放煤最大厚度偏大。若煤层硬度较高，顶煤冒落角小于90°，放出椭球体的中心轴则会发生偏转，且偏转角θ存在最大值θmax，如图2所示。

水泥稳定碎石施工技术在市政道路施工过程中非常常见，是一项非常实用和便捷的施工技术。通过研究水泥稳定碎石基层施工技术，严格按照施工工序进行操作，采用质量优良的施工材料和设备，按照实际情况和相关标准进行调配，并在施工完成后加强施工养护，注意操作技巧和注意事项，提高市政道路建设质量并延长使用寿命。

图2最大放煤高度

此时顶煤所能放出的最高点为B，而B点以上的顶煤无法放出，据此得到可放出最大顶煤高度为hmax。

又因为l1=hmaxtanα，可得式(3)

式中，h—放煤高度，m；l0—支架到顶煤垮落面距离（即支架后方顶煤悬臂长度），m；α—顶煤垮落角，°；a,b—实验常数，a=0.52，b=-1.52。

当式(3)中轴偏角θ取得最大值θmax，则可得到l0、α值确定时的最大合理放煤高度：

低位放顶煤液压支架的l0为1 m～2 m，虎龙沟煤矿81505工作面开采煤层普氏系数为4.5，顶煤跨落角预计为60°，轴偏角为9°，代入式(4)，可得在顶煤破碎情况下最大合理顶煤高度为11.2 m～22.4 m。

2.3 合理采放比的确定

放顶煤开采的实质是顶煤产生松动、破坏、垮落的过程。底分层煤采出，后方形成采空区，顶煤呈悬臂梁形态，在上覆岩层压力和自重作用下垮落形成松散无规则的块体。为使顶煤可以充分破碎以提高采出率，放煤高度应保证顶煤有充分自由空间可以松散。故而顶煤垮落高度取决于机采高度以及顶煤碎胀系数，如式5所示：

式中，h2—顶煤高度，m；h′—机采高度，m；k—顶煤碎涨系数；H—开采煤层厚度。

故而合理的机采高度可通过式(6)计算，81505工作面平均煤厚12.73 m，且测得工作面顶煤碎涨系数为1.38，可确定工作面合理机采高度为3.5 m，放煤高度9.23 m，即采放比为1：2.64。所得结果符合基于放顶椭球体理论的的最大、最小顶煤高度范围。

3 最佳放煤步距分析

放煤步距的大小直接影响到顶煤回收率及含矸率。若放煤步距过大，顶部矸石先于采空区侧矸石到达放煤口，则使采空区侧顶煤不能全部放出，造成煤炭资源浪费，如图3(a)所示；若放煤步距过小，则使顶部煤炭不能及时放出而造成资源浪费，如图3(b)所示。故而，仅有当放出体同时与顶部及采空区侧分界面相切，即两处矸石同时到达放煤口，才能最大限度减少煤炭损失，此时放煤步距方为合理放煤步距，如图3(c)所示。

图3放煤步距与煤炭损失的关系

图4合理放煤步距

根据以上合理放煤步距的要求，参考图4可以得出合理放煤步距L为[8]

式中，a—放出体长半轴，m；L0—放煤口距顶煤断裂面水平距离，m；α—顶煤断裂角，°；θ—放出体轴偏角，°；h2—顶煤厚度，m；ε—放出体偏心率。

虎龙沟煤矿81505工作面顶煤厚度9.23 m，取顶煤断裂角α=60°，放出体轴偏角θ=9°，放出体偏心率ε=0.25，放出体长半轴a=6.7 m，L0=0 m。然而考虑顶煤普氏系数为4.5，属极坚硬煤层，易挤压成拱，故应尽量减小放煤步距，对计算结果L作以系数为1/3的修正。经式(7)计算并修正得最佳放煤步距为0.94 m。考虑采煤工艺，拟定合理放煤步距为0.8 m，即采一刀放一次煤。

4 合理放煤方式理论分析

放煤方式是放顶煤工作面放煤顺序、次数的配合方式，从次数角度分析，可分为单轮放煤和多轮放煤；从放煤顺序角度可分为顺序放煤与间隔放煤。

鉴于81505平均厚度12.73 m，拟定顶煤厚度9.23 m，采取多轮放煤可使上部顶煤逐步破碎松散，有利于顺利放煤。同时，多轮放煤可使放煤过程中的煤矸分界面均匀下降，减少混矸，保证放出率的同时可有效减低含矸率。

81505工作面开采煤层普氏硬度为4.5，属极硬煤层，放煤时上方顶煤易挤压成拱。采取间隔顺序放煤，有利于在顶煤挤压成拱时破坏拱脚，使顶煤重新冒落放出，或采取补放措施，有利于提高顶煤采出率。此外，放顶煤工作面放煤时间往往远长于割煤时间，采取间隔放煤可以同时安排两个甚至更多放煤口同时作业，相对于顺序放煤可极大程度缩短综放工作面放煤时间，促进工作面高产高效。因此虎龙沟煤矿81505工作面可选用多轮间隔放煤方式。

5 现场应用及实测

5.1 放煤工艺确定

基于上述理论分析和现场生产经验，确定虎龙沟煤矿81505工作面放煤工艺相关参数，工作面使用ZF13000/25/38型液压支架进行低位放顶煤，机采高度3.5 m，顶煤9.23 m，采放比为1：2.64。采放工艺为一刀一放多轮间隔放煤，具体为放煤工分前后两组，每组一人，一组放单号支架顶煤，一组放双号支架顶煤，两组间隔5个支架；第一轮放煤只放1/2～1/3，然后折返再放余下的顶煤，放煤不净时再重复折返放煤，直至达到最佳放煤为止。

5.2 顶煤回收率及含矸率实测

通过下述方法对顶煤回收率及含矸率进行测量。(a)在工作面两端部对推进距离进行测定，明确当日工作面实际进尺；(b)沿工作面倾向方向在序号为20、40、60、80的支架处通过顶煤钻孔测定顶煤厚度，并测定工作面实际开采高度；(记录当日工作面皮带过煤量以确定实际日产量，求算工作面顶煤回收率；d）在当日未经洗选的原煤中随机抽取1 t，将矸石进行人工拣选，分别测定矸石、煤炭质量，求算放顶煤含矸率。为提高测量结果的准确度，实测分三次进行，均间隔10天，所得结果如表1所示。

表1现场实测结果

由表1分析可得，工作面平均顶煤回收率达到90.4%，平均顶煤含矸率21.2%。顶煤含矸率较高的主要原因是顶煤中含夹石9～12层，累厚3.38 m～3.81 m。与我国地质条件相近矿井综放开采工作面顶煤回收率和含矸率相比，拟定放煤工艺应用效果显著。

6 结论

（1）基于放矿椭球体理论，通过理论计算确定工作面合理机采高度为3.5 m，顶煤高度9.23 m，采放比为1：2.64。

（2）根据放煤步距对顶煤回收率的影响机理，结合采煤工艺和放煤方式，拟定合理放煤步距为0.8 m，采用一刀一放多轮间隔放煤方式。

（3）针对虎龙沟煤矿特厚煤层综放开采，确定工作面放煤工艺参数，现场实测结果表明，设计放煤工艺达到了高回收率、低含矸率的生产效果，研究结果可为综放开采矿井制定放煤工艺提供参考。