8103 综放工作面放煤工艺参数设计研究

2022-05-16张靖宇

山东煤炭科技 2022年4期

张靖宇

（晋能控股煤业集团北辛窑煤业公司，山西宁武 037000）

1 工程概况

同煤集团北辛窑煤业目前主采2#煤层，厚度为4.3～7.0 m，均厚为5.6 m，煤层倾角19°～25°，平均倾角为22°。煤层顶板岩层依次为平均厚度为8.63 m 泥岩直接顶和均厚为11.96 m 的中细砂岩基本顶，底板岩层依次为均厚4.18 m 的泥岩直接底和均厚4.03 m 的中细砂岩基本底。

2#煤层厚度较大，设计采用放顶煤开采工艺进行回采，对放顶煤开采工艺参数进行设计[1-4]。

2 合理放煤工艺技术参数的确定

借助PFC 数值模拟软件对工作面放煤过程进行模拟，以2#煤层赋存情况建立模型，分析不同采高、不同放煤步距条件下顶煤采出率，以便确定合理采高和放煤步距。

2.1 模型建立

为更好地了解顶煤和矸石的冒落情况，对煤层及上覆顶板岩层进行分层建模。煤层总厚5.6 m，共分成4 层，每层厚度为1.4 m；煤层上方顶板岩层也分成4 层，每层设置为3 m，共计12 m 顶板岩层。根据2#煤层赋存特点及相邻矿井的回采情况，拟对以下工况进行模拟：采煤高度分别取2.8 m、3.0 m、3.2 m 及3.4 m；放煤步距分别为0.8 m、1.6 m及2.4 m。为避免边界对工作面回采的影响，在模型前后两边各设置6 m 宽的煤柱，模型中工作面可推进长度设置为60 m。在模拟工作面回采过程中，为更好地研究采高及放煤步距对顶煤冒放的影响，模拟中设置顶煤仅受自然重力的影响而冒落，与实际生产相同，限制条件为见矸关门，即在模拟中设置条件，只要矸石颗粒从放煤口出来则终止放煤，循环进行下一个采煤、放煤工序。

2.2 采高为2.8 m 的模拟

当采高为2.8 m 时，分别对放煤步距为0.8 m、1.6 m 及2.4 m 的工况进行模拟，不同放煤步距条件下顶煤及矸石冒落状态如图1。

图1 采高为2.8 m 时不同放煤步距顶煤及矸石冒落状态

（1）如图1（a）所示，放煤步距为0.8 m 时，顶煤冒落过程中与矸石分界较为清晰，在待放顶煤中可以发现混入了少部分矸石，放煤效果较好，有部分顶煤遗留在采空区，煤炭损失量不大，整体效果较好。根据数值模拟结果显示，顶煤回收率为90.19%，顶煤含矸率为3.49%。

（2）如图1（b）所示，放煤步距为1.6 m 时，工作面回采过程中，顶煤冒放时，与矸石分界线明显，放煤效果良好。根据数值模拟结果显示，顶煤回收率为92.3%，顶煤含矸率为1.58%。

（3）如图1（c）所示，放煤步距为2.4 m 时，放煤过程中，顶煤与矸石分界线并不清晰，导致矸石混入待放顶煤中，过早地触发限制条件，见矸关门，导致煤炭损失量大。根据数值模拟结果显示，顶煤回收率为85.97%，顶煤含矸率为1.13%。

2.3 采高为3.0 m 的模拟

当采高为3.0 m 时，分别对放煤步距为0.8 m、1.6 m 及2.4 m 的工况进行模拟，不同放煤步距条件下顶煤及矸石冒落状态如图2。

图2 采高为3.0 m 时不同放煤步距顶煤及矸石冒落状态

（1）如图2（a）所示，放煤步距为0.8 m 时，顶煤冒落过程中与矸石分界并不明显，有少部分顶煤遗留在采空区，煤炭损失量不大，整体放煤效果较好。根据数值模拟结果显示，顶煤回收率为91.15%，顶煤含矸率为2.10%。

（2）如图2（b）所示，放煤步距为1.6 m 时，工作面回采过程中，顶煤冒放时，与矸石分界线明显，整体来看，放煤效果较好。根据数值模拟结果显示，顶煤回收率为92.06%，顶煤含矸率为1.56%。

（3）如图2（c）所示，放煤步距为2.4 m 时，放煤过程中，顶煤与矸石分界线并不清晰，由于设置了限制条件，即见矸关门，导致煤炭损失量大。根据数值模拟结果显示，顶煤回收率为83.11%，顶煤含矸率为1.14%。

2.4 采高为3.2 m 的模拟

当采高为3.2 m 时，分别对放煤步距为0.8 m、1.6 m 及2.4 m 的工况进行模拟，不同放煤步距条件下顶煤及矸石冒落状态如图3。

图3 采高为3.2 m 时不同放煤步距顶煤及矸石冒落状态

（1）如图3（a）所示，放煤步距为0.8 m 时，顶煤冒落过程中与矸石分界较为明显，放煤效果较好，只有少部分顶煤遗留在采空区，煤炭损失量不大，整体放煤效果较好。根据数值模拟结果显示，顶煤回收率为90.67%，顶煤含矸率为2.35%。

（2）如图3（b）所示，放煤步距为1.6 m 时，工作面回采过程中，顶煤冒放时，与矸石分界线明显，整体来看，放煤效果良好，煤炭损失量不大。根据数值模拟结果显示，顶煤回收率为92.78%，顶煤含矸率为1.73%；

（3）如图3（c）所示，放煤步距为2.4 m 时，放煤过程中，顶煤与矸石分界线并不清晰，导致矸石混入待放顶煤中，过早地触发限制条件，见矸关门，导致煤炭损失量大。根据数值模拟结果显示，顶煤回收率为83.36%，顶煤含矸率为1.08%。

2.5 采高为3.4 m

当采高为3.4 m 时，分别对放煤步距为0.8 m、1.6 m 及2.4 m 的工况进行模拟，不同放煤步距条件下顶煤及矸石冒落状态如图4。

（1）如图4（a）所示，放煤步距为0.6 m 时，顶煤冒落过程中与矸石分界不明显，放煤效果一般，有部分顶煤遗留在采空区，煤炭损失量较大，整体放煤效果一般。根据数值模拟结果显示，顶煤回收率为87.46%，顶煤含矸率为3.15%。

（2）如图4（b）所示，放煤步距为1.2 m 时，工作面回采过程中，顶煤冒放时，与矸石分界线并不明显，且在待放顶煤中可以发现混入了部分矸石，整体来看，放煤效果一般，由于设置了限制条件，即见矸关门，因此导致煤损较大。根据数值模拟结果显示，顶煤回收率为85.87%，顶煤含矸率为1.61%。

（3）如图4（c）所示，放煤步距为1.8 m 时，放煤过程中，顶煤与矸石分界线并不清晰，导致矸石混入待放顶煤中，过早地触发限制条件，见矸关门，导致煤炭损失量大。根据数值模拟结果显示，顶煤回收率为83.40%，顶煤含矸率为0.88%。

图4 采高为3.4 m 时不同放煤步距顶煤及矸石冒落状态

综合从顶煤回收率及顶煤含矸率角度考虑，当工作面采高为3.2 m，放煤步距为1.6 m 时，顶煤回收率最高，达到92.78%，而此时含矸率为1.73%，也在可接受范围内。因此确定北辛窑煤业2#煤层放顶煤开始最佳参数为：采高3.2 m，放煤高度2.4 m，采放比1:0.75，两刀一放，放煤步距为1.6 m。