采高、放煤步距等参数的优化

王 强

（山西乡宁焦煤集团通合煤业有限公司，山西 临汾 042100）

0 引言

一直以来，综采工作面的生产效率在很大程度上决定于其所选择的采煤方法。综合机械化放顶采煤方法是当前主流的开采方案，根据工作面的煤层、地质以及巷道布置情况确定最佳的采放比和放煤步距等参数对于保证最终的开采效率具有重要意义[1-3]。传统针对采放比、放煤步距等参数主要依靠经验完成，为进一步提高工作面生产的安全性和生产效率，本文将基于FLAC3D软件对不同采放比、放煤步距进行优选。

1 工程概况

本文所研究的矿井以斜井方式进行开拓，煤矿共布置有6 个井筒，包括有主斜井、副斜井、进风井以及回风斜井等。以该煤矿16# 煤矿的开采为例，该煤层与其相邻煤层17#煤层之间的最大间距为7.32 m，最小间距为3.7 m，二者之间平均间距为5.5 m；该工作面煤层的最大厚度为10.51 m，最小厚度为1.67 m，煤层平均厚度为8.5 m。总的来讲，16#煤层相对稳定且结构复杂，可全采。经探测，工作面煤层瓦斯的相对涌出量为0.4 m3/t，绝对涌出量为1.18 m3/min。16#煤层的顶底板条件，如表1 所示。

表1 16#煤层顶底板条件

目前，该工作面采用综采放顶煤开采工艺进行开采，顶板采用全部垮落法进行管理，每天可循环进度0.6 m；对应采煤工艺中采高为2.5 m，放煤高度为6 m；现场配套有普通液压支架、过渡型液压支架和端头液压支架三种；所配套采煤机的具体型号为MG900/2210-WD，刮板输送机的具体型号为SGZ-1000/1400。

2 FLAC3D 数值模拟软件构建

本文将基于FLAC3D 软件对综采放顶煤开采工艺参数中的放煤步距和采放比两个参数进行优选。因此，本节将根据16#煤层综采工作面煤层、地质等条件完成数值模拟仿真模型的构建。为保证最终所优化的采煤工艺参数可真正指导实践生产，达到高效、安全的目的，在构建模型时尤其需要注意其准确性。因此，在16#煤层工作面现场对顶板和底板的岩层进行曲线，对岩体的力学参数进行测定，测定结果如表2所示。

表2 16#煤层顶板和底板岩层力学参数

在上述基础条件分析的基础上，构建长度为163.2 m 的模型，如图1 所示。

图1 数值模拟仿真模型

将如图1 所示的数值模拟仿真模型的四周侧面采用滚动支撑方式；水平方向采用不限制其移动；模型底部采用固定支撑方式[4-5]。并通过表2 中顶板和底板的岩体参数对模型中的相应参数进行设置。

3 采放比、放煤步距参数的优化

当前工作面所配套普通液压支架的最大支撑高度为3.5 m，最小支撑高度为1.8 m；因此，对采高分别为2、2.5、3、3.5 m 四种情况进行分析；鉴于工作面所配套的采煤机滚筒的截割深度为0.6 m；因此，放煤步距取值为滚筒截割深度的整数倍，分别为0.6 m、1.2 m。本节采用控制变量法对不同采高和放煤步距对应的煤体的破坏情况进行对比，具体仿真结果如下：

3.1 放煤步距为0.6 m，不同采高对应煤体的破坏情况

当放煤步距为0.6 m，对不同采高为2、2.5、3、3.5 m 四种情况下对应工作面煤体的破坏情况进行仿真，仿真结果如图2 所示：

图2 放煤步距为0.6 m 时，不同采高对应煤体的破坏情况

分析如图2 所示的数值模拟仿真结果，得出如下结论：

1）当采高为2 m，放煤步距为0.6 m 时，工作面顶煤主要以拉伸破坏为主，且破坏深度可达4.5 m；对应煤壁的破坏纵深至0.6 m，影响范围很小。

2）当采高为2.5 m，放煤步距为0.6 m 时，工作面顶煤除了拉伸破坏外，还存在宽度1.5 m、高度1 m 的范围出现剪切破坏，且破坏深度延伸至顶部的6.5 m；对应煤壁的破坏范围纵深同样为0.6 m。

3）当采高为3 m，放煤步距为0.6 m 时，工作面顶煤除了拉伸破坏外，还存在宽度2.1 m、高度1.25 m的范围出现剪切破坏，且破坏深度延伸至顶部的8.5 m，充满整个顶煤范围；对应煤壁的破坏范围纵深延伸为1 m。

4）当采高为3.5 m，放煤步距为0.6 m 时，工作面顶煤除了拉伸破坏外，还存在宽度2.4 m、高度1.75 m的范围出现剪切破坏，且破坏深度延伸至顶部的8.5 m，充满整个顶煤范围；对应煤壁的破坏范围纵深延伸至1.5 m。

3.2 放煤步距为1.2 m，不同采高对应煤体的破坏情况

当放煤步距为1.2 m，对不同采高为2、2.5、3、3.5 m 四种情况下对应工作面煤体的破坏情况进行仿真，仿真结果如图3 所示。

图3 放煤步距为1.2 m 时，不同采高对应煤体的破坏情况

分析如图3 所示的数值模拟仿真结果，得出如下结论：

1）当采高为2 m，放煤步距为1.2 m 时，工作面顶煤主要以剪切破坏为主，且破坏深度可达1.75 m，高度为6.5 m；但是，在工作面中部仍然存在很大区域未被破坏，仅呈现一定的屈服应力，容易导致大块煤炭堵住放煤口。对应煤壁的破坏纵深至0.6 m，影响范围不大。

2）当采高为2.5 m，放煤步距为1.2 m 时，工作面顶煤主要以剪切破坏为主，而且整个工作面的破坏程度相对充分，破坏率为74.37%；对应煤壁的破坏纵深至1m，而且主要表现为剪切破坏，影响范围较大。

3）当采高为3 m，放煤步距为1.2 m 时，工作面顶煤同样以剪切破坏为主，而且对应顶部破坏区域仍在扩大，破坏率为77.56%；对应煤壁破坏纵深至1 m，而且主要表现为剪切破坏，影响范围较大。

4）当采高为3.5 m，放煤步距为1.2 m 时，工作面顶煤同样以剪切破坏为主，而且对应顶部破坏区域仍在扩大，破坏率为83.04%；对应煤壁破坏纵深至1 m，而且主要表现为剪切破坏，影响范围较大。

4 结语

综采放顶采煤方法为当前综采工作面的主流开采方式，为保证综采工作面生产的安全性和高效的生产效率，需要结合实际情况设计合理且匹配的放煤步距和采高。本文重点对不同采高和放煤步距对煤体的破坏情况进行仿真分析，得出：

1）当采高范围在2～2.5 m 之间时，随着放煤步距的增大，煤壁相对完整，且其压力峰值区域较大；

2）当采高范围在2.5～2.5 m 之间时，煤壁所承受的压力峰值向煤壁深处转移，且煤壁被破碎的现象严重，极易导致其出现片帮现象，影响开采的安全性。

因此，最终应将采高控制在2～2.5 m 之间，将放煤步距控制为0.6 m，在保证生产安全性的基础上，也保证了顶煤的回收率。