水峪煤业综放工作面顶煤回收率影响因素研究

梁小龙

(汾西矿业集团水峪煤业，山西 孝义 032300)

引 言

放顶煤采煤法早在20世纪40年代就开始在法国、苏联、南斯拉夫等国家得到应用，我国50年代初曾在开滦、大同、峰峰和鹤壁等矿区采用放顶煤采煤法，1982年又在国外引进了综采放顶煤技术。由于放顶煤采煤方法具有掘进率低、成本低、产量高、效益好等优点，在我国各大矿区得到广泛应用。但放顶煤开采一直被诟病的缺陷是顶煤回收率低、煤炭资源浪费严重，相比精耕细作的分层开采，放顶煤开采资源回收率低是个不争的事实，正因为如此，才更需要行业从业人员对放顶煤开采的顶煤回收率进行研究[1-3]。针对水峪煤业6125工作面的具体地质及生产条件，研究顶煤冒放性和回收率的影响因素，从而在工艺环节设计及现场管理方面下功夫，最大限度的提高资源回收率。

1 工程概况

工程实践地点为水峪煤业6125工作面，该工作面主采9#煤层，煤层平均厚度8.5 m，平均倾角5°，工作面走向长1 440 m，倾向长190 m，采用一次采全厚低位放顶煤综采采煤法，顶板管理采用采空区自然垮落法。煤层直接顶是砂质泥岩，基本顶是泥岩、砂岩、中砂岩的混合岩层，平均厚度达到11.5 m，致密稳定；煤层底板是泥质砂岩，平均厚度0.8 m，节理发育。在工作面现场采集了煤岩试样，按照要求加工制作标准试块并进行煤岩力学性质测定实验，得出：煤层试块的抗压强度为9.5 MPa，抗拉强度为1.8 MPa，内摩擦角为39°，黏聚力为2.7 MPa；顶板岩层试块的抗压强度在24.8 MPa～64.7 MPa，抗拉强度在2.37 MPa～8.59 MPa，内摩擦角在38°～43°，黏聚力在5.61 MPa～12.9 MPa。

2 顶煤回收率影响因素分析

影响顶煤回收率的因素较多，总体来说分为地质因素和生产因素两种，地质因素包括开采深度、煤层强度、煤层厚度、结构面分布及发育情况等；生产因素包括采放比、放煤步距、支架工作阻力、放煤口位置等。根据6125工作面的具体地质生产条件，影响顶煤冒放性的因素主要包括以下几种：

1) 煤体强度。适中的煤体强度有利于提高顶煤冒放性，强度过大时不易破碎，煤体不易破碎、掉落和放出，强度太小又会使煤体过分破碎甚至粉化，造成放煤困难、粉尘增加等。同时，煤体强度又会受到埋藏深度及节理裂隙发育的影响。

2) 煤层夹矸影响。夹矸对放煤的影响较为关键，如果夹矸层较厚、硬度较大，工作面推进后不能及时垮落，导致夹矸层上面的煤也不能及时放出；反之夹矸层会与煤体一并冒落放出。一般来说，夹矸层厚度在300 mm以内时对顶煤冒放性的影响不大。

3) 直接顶条件。直接顶如果有适宜的厚度和硬度，可以随放顶煤冒落，起到相互促进的作用；而如果直接顶厚度较小或者强度过大而无法随采随冒，无法及时填充采空区，就容易导致顶煤落入采空区，通过放煤口进入刮板输送机的难度增大，顶煤回收率降低。

4) 采放比。采放比的定义是采煤机割煤厚度与放顶煤厚度的比值，属于可人为干预的影响顶煤冒放性的因素，采放比参数的设计至关重要，需要参考煤层厚度、煤层硬度、采煤机械设备等因素，一般来说，在允许的条件下，采放比不允许超过1:3，设计时尽可能提高机采高度更有利于提高煤炭资源回收率，但机采高度过大也会造成含矸率增大。

5) 放煤步距。放煤步距过大，容易导致顶煤落入采空区无法放出；放煤步距过小，会导致顶板与顶煤混合，含矸率升高。总的来说，根据具体的地质生产条件与参数，计算出水峪煤业9#煤层属于Ⅱ类煤层，顶煤冒放性较好，容易实现顶煤的随采随冒及放出，且适宜选择低位放顶煤支架。

3 采放比及放煤步距的确定

采放比和放煤步距作为可人工干预的放煤参数，必须进行合理化选择。

3.1 采放比的数值模拟研究

根据水峪煤业的回采经验，6125工作面的采放比选项包括1∶1、1∶2、1∶3三种。选用PFC2D颗粒流数值软件对不同采放比条件下的顶煤冒放性、顶煤回收率及含矸率进行模拟分析。

分析模拟结果可知：如图1所示，采放比为1∶1时，机采高度较大，割煤后采空区空间较大，且顶板冒落后能快速到达放煤口，随顶煤一块放出，导致含矸率较高，大块矸石堵塞放煤口后顶煤无法继续放出，顶煤回收率较低；如图2所示，采放比为1∶2时，顶煤及顶板自由冒放，形成较合理的放煤漏斗，有利于提高顶煤采出率，控制含矸率；如图3所示，采放比1∶3时，顶煤及顶板自由冒放，但由于放煤厚度的增大，在煤、矸下落时容易发生煤矸互窜，顶煤放出率较好，但含矸率也明显升高。综合来说，采放比1∶2时的模拟效果更优。现场实践及统计数据证明，采放比1∶2时的顶煤回收率超过88%，含矸率控制在7%以内。

图1 采放比1:1时模拟效果图

图2 采放比1:2时模拟效果图

图3 采放比1:3时模拟效果图

3.2 放煤步距的统计学分析

在选择1:2采放比的条件下，继续对放煤步距的影响进行研究。根据回采经验，6125工作面的放煤步距选项包括0.8 m、1.6 m、2.4 m三种，分别对应1刀1放、2刀1放、3刀1放三种放煤工艺。研究方法选择现场实测法，分别统计推进10个放煤循环的顶煤回收率及含矸率，煤及矸石的重量以电子称读数去除机采煤重量后获得。统计表如表1所示。

表1 不同放煤步距时顶煤回收率及含矸率统计表

统计结果显示：放煤步距0.8 m时放煤频次明显过高，虽然顶煤回收率达到91.1%，但含矸率高达近一成，会造成煤炭运输提升成本及洗选成本升高，煤价降低，于经济指标无益；放煤步距1.6 m时顶煤回收率略低于1刀1放，但含矸率控制在5.3%，综合效果较好；放煤步距2.4 m时虽然含矸率控制较好，但顶煤回收率仅78.2%，也不合理。故选择的放煤步距为1.6 m，即2刀1放。

4 结语

综上所述，在特定的地质条件下，若想提高综放工作面的顶煤回收率，可人工干预的采放比及放煤步距两项参数至关重要。根据生产经验及数字模拟结果，在选定1∶2的采放比后，又在生产实践中通过科学的统计分析，得出采用2刀1放的放煤工艺时，能够在顶煤回收率及含矸率两项指标上找到最佳平衡点。但具体的工作还依赖于科学合理的生产管理手段，更依赖于现场操作工人的放煤技术和经验，从而最大限度的回收煤炭资源，控制含矸率，使得回采工作和经济效益达到最佳。