复采综放工作面工艺参数优化研究

2024-01-12文力

山西化工 2023年12期

文力

（山西乡宁焦煤集团神角煤业有限公司，山西临汾 042100）

鉴于我国富煤贫油少气的资源赋存特征，在未来很长一段时间内煤炭依然在能源结构中占据主导地位。在开采初期，由于采用旧式房柱式开采工艺或者采用以掘代采的开采工艺，加上管理不到位导致煤炭的回收率降低，进而造成了煤炭资源的浪费[1]。为保证煤矿可持续发展，需要对破坏区域的煤炭资源进行复采，加之旧采区残余煤炭条件相对复杂，且巷道断面小的问题，本文将针对复采工作面的开采工艺进行优化。

1 工程概况

1301 工作面属于复采工作面，该工作面煤层结构相对简单，平均厚度为6.65 m，煤层倾角为2°～6°之间，属于无烟煤且相对稳定。该工作面的水文地质条件属于中等类型，一般情况的涌水量仅为1.0～1.4 m3/h。1301 工作面煤层为3#煤层，在初期开采时采用巷柱式进行开采，开采率偏低，而且在初期开采后已经对整个煤层的完整性构成破坏。因此，为了能够切实掌握1301 复采工作面的现场情况，采用瞬变电磁阀、无线电波坑道透视法等技术手段对其地质条件和巷道分布情况进行探测[2]。经探测，1301 复采工作面的顶底板条件如表1 所示。

表1 1301 复采工作面顶底板条件

工作面顶底板岩层的主要力学参数测定结果如表2 所示。

以上述所探测到1301 复采综放工作面的数据，并基于PFC2D 数值模拟软件对工作面开采工艺参数进行优化。具体研究如下：

2 复采综放工作面放煤步距的优化

1301 复采综放工作面煤层的埋藏深度为200 m，实际操作的割煤高度为2 m，采放比为1∶2.3。根据1301 复采综放工作面的实际情况，基于PF2CD 数值模拟软件构建仿真模型，如图1 所示。

图1 放煤步距优化数值模拟仿真模型

如图1 所示，蓝色和绿色分别为上部顶煤和中部顶煤；红色为矸石。基于上述所构建的模型，分别对放煤步距为0.6、1.2、1.8 m 三种情况下对应的在实体煤开采时、过小断面空巷和过大断面空巷三种情况下对应的放煤效果进行对比。其中，过小断面的为工作面的旧采小空巷，其宽度为2.5 m，高度为2.0 m；过大断面为工作面的旧采小空巷，其宽度为6.0 m，高度为3.0 m。数值模拟仿真结果如表3 所示。

表3 不同放煤步距对应的放煤效果

如表3 所示，当对实体煤进行开采时，虽然放煤步距为0.6 m 时顶煤的放出率最高可达88.8%，但是其对应的矸石率高达34%；而当放煤步距为1.2 m 时顶煤的放出率为85.9%，对应的含矸率也最低仅为13%；而当放煤步距为1.8 时，顶煤放出率最低，含矸率为17%。因此，当对实体煤进行开采时，应将放煤步距设定为1.2 m。

当对过小断面煤体进行开采时，随着放煤步距的增加顶煤放出率逐渐减小，但差距不明显；放煤步距为0.6、1.8 m 时对应的含矸率最高，而放煤步距为1.2 m 时含矸率最低。因此，针对工作面过小断面对煤体进行开采时，为保证顶煤的回收率和煤质，应将放煤步距设定为1.2 m。

当对过大断面煤体进行开采时，随着放煤步距的增加顶煤放出率逐渐减小，含矸率呈现先增大后变小的变化趋势。当放煤步距为1.8 时，虽然含矸率最低对应煤质最好，但是顶煤放出率最小，造成了煤炭的浪费；而当放煤步距为0.6 m 时，顶煤放出率最大且含矸率指标居中；而当放煤步距为1.2 m 时，指标相比放煤步距0.6 m 的情况均较差。

综上所述，对于实体煤开采和过小断面煤层的开采可直接将放煤步距设定为1.2 m；而对于过大断面煤层的开采将放煤步距设定为0.6 m 为最佳。考虑到开采的方便性，尽可能的将放煤步距设定为1.2 m，而对于过大断面煤层开采需要对其关口进行调整，达到大幅度提升顶煤放出率的指标[3]。

3 复采综放工作面放煤方式的优化

基于PF2CD 软件构建放煤方式优化的数值模拟仿真模型，如图2 所示。

图2 放煤方式优化数值模拟仿真模型

放煤口宽度设计为0.7 m，相邻放煤口的中心间距为1.5 m。基于上述模型分别对单轮顺序放煤、单轮顺序局部间隔放煤以及双轮顺序放煤三种放煤方式对应的放煤效果进行对比，仿真结果如表4 所示：

表4 不同放煤方式对应放煤效果对比

如表4 所示，采用单轮局部间隔放煤和双轮顺序放煤对应的顶煤放出率和含矸率指标相近。但是，在实际操作中，采用双轮顺序放煤相比较单轮局部间隔放煤需要往返操作较多。因此，当工作面较短时，可采用双轮顺序放煤获得最佳的顶煤放出率和含矸率的指标；而当工作面较长时，可采用工艺相对简单且效率相对较高的单轮局部间隔放煤方式[4]。