厚煤層綜放工作面放煤方式技術(shù)實(shí)踐＊

張 濤 劉劍友

（山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東省青島市，266590）

厚煤層綜放工作面放煤方式技術(shù)實(shí)踐＊

張 濤 劉劍友

（山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東省青島市，266590）

影響綜放工作面回采率的因素除放煤步距以外，放煤方式也起著極為重要的作用。為確定工作面合理的放煤方式，提高頂煤回收率，針對(duì)北徐樓煤礦的實(shí)際地質(zhì)條件對(duì)不同放煤方式進(jìn)行了理論分析和PFC2D軟件模擬研究，掌握了頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律及不同放煤方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并確定該煤礦采用單輪順序的放煤方式。通過在該礦進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，驗(yàn)證其是否滿足礦井生產(chǎn)設(shè)計(jì)需要。

綜放工作面 放煤方式 數(shù)值模擬 工業(yè)試驗(yàn)

綜放開采過程中不可避免地會(huì)導(dǎo)致頂煤的損失，放頂煤采煤法放煤方式與放煤順序?qū)C采放頂煤工作面的頂煤回收率和含矸率有著重要影響。以北徐樓煤礦的實(shí)際地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，以PFC2D計(jì)算程序?yàn)檠芯渴侄危诠ぷ髅娌筛邽?.5m的條件下，分析確定合理的放煤方式。

1 工作面地質(zhì)條件

3下01綜采放頂煤工作面平均長(zhǎng)約87m，走向長(zhǎng)約788m，開采平均深度804.9m。回采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組3下煤，煤層厚度6.4～8.6m，平均厚7.0m，煤層傾角11～20°。偽頂泥巖厚度2.6～3.2m，平均厚2.9m。直接頂細(xì)粒砂巖，平均厚度19.06m；其次為泥巖，平均厚度2.55m。直接底泥巖平均厚2.67m；其次為細(xì)粒砂巖，平均厚度4.46m。3下01工作面所在區(qū)域內(nèi)的主要地質(zhì)構(gòu)造為一向斜，并有一條斷層。

2 PFC2D數(shù)值模擬

2.1 模擬方案

綜放過程中，在超前支承應(yīng)力和支架支撐力等共同作用下，從支架上方至前方頂煤始動(dòng)點(diǎn)，頂煤和上方直接頂被破碎成松散塊體，打開放煤口后破碎頂煤和直接頂流向放煤口，符合散體流動(dòng)特征。頂煤和直接頂松散體各自的大小雖然并不一致，為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，將其看作均勻分布的顆粒介質(zhì)。

在2.5m采高條件下，模擬方案中以連續(xù)的8個(gè)支架為一個(gè)單元，模型共設(shè)定兩個(gè)單元，分別模擬3種放煤方式，依據(jù)放煤效果對(duì)3種不同的放煤方式進(jìn)行分析比較。

（1）單輪間隔放煤：先打開1＃、3＃、5＃、7＃單號(hào)支架放煤，見矸后關(guān)閉放煤口，再打開雙號(hào)支架放煤，將雙號(hào)支架上的脊背煤放出。

（2）單輪順序放煤：依照1＃、2＃、3＃……的順序，依次將兩個(gè)單元中的頂煤放出，見矸后關(guān)閉放煤口。

（3）雙輪順序放煤：先按1＃、2＃、3＃……的順序，放出支架上方1／2的煤量，滯后一段距離后再依次將頂煤放完，見矸后關(guān)閉放煤口。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，建立放煤模型。

2.2 放煤效果分析

對(duì)3種放煤方式進(jìn)行模擬，分析其放煤效果。

（1）單輪間隔放煤過程見圖1。在單輪間隔多口放煤過程中，放煤支架上方形成規(guī)則的落煤空間，符合橢球體放礦理論。頂煤放落空間形成的橢球空間，具有一定的自穩(wěn)性，阻礙了頂煤的自由下落。在放煤過程中應(yīng)反復(fù)擺動(dòng)尾梁，破壞橢球空間的穩(wěn)定性，減小頂煤塊度，加快頂煤的冒落和放出。由于放煤支架兩架寬度大于相鄰橢球體軸心之間的長(zhǎng)度，因而在雙號(hào)支架上方形成未能放出的脊背煤。放單號(hào)架時(shí)，相鄰雙號(hào)架上方部分頂煤隨上部矸石向兩側(cè)已放單號(hào)支架上方滑落。放煤過程中，煤矸分界線下落不規(guī)則，易造成混矸，在放出雙號(hào)架上方的脊背煤時(shí)，易提前見矸關(guān)閉放煤窗口，造成頂煤的損失，降低了回收率。放出一部分矸石雖可相應(yīng)提高頂煤的回收率，但又會(huì)增加混矸率。

（2）單輪順序放煤過程見圖2。單輪順序放煤過程中，放煤支架上方也形成了橢球空間，放煤過程中應(yīng)及時(shí)擺動(dòng)尾梁，破壞橢球空間的穩(wěn)定，加速頂煤的放出。采用單輪順序方式放煤后，相鄰未放支架上方頂煤因兩側(cè)受力不一致，使頂煤進(jìn)一步松散而加速流向放煤口。與單輪間隔放煤方式相比，單輪順序放煤時(shí)，未放支架上方的煤只向已放一側(cè)支架上方滑落，煤矸分界面下降曲線也比單輪間隔放煤平緩，避免了提前見矸關(guān)窗，提高了回收率并可相應(yīng)降低混矸率。

圖1 單輪間隔放煤過程示意圖

（3）雙輪順序放煤過程見圖3。從礦壓破碎頂煤的角度來講，采用雙輪順序放煤方式時(shí)，先放出一部分頂煤，為上方未放頂煤的運(yùn)動(dòng)提供了空間，能夠?qū)ι喜课捶彭斆哼M(jìn)行進(jìn)一步破碎，減小頂煤塊度，增加頂煤的流動(dòng)性，使頂煤更易于放出。放煤時(shí)，放煤窗口上方頂煤受到不均衡力的作用，沒有出現(xiàn)橢球體空間或不易出現(xiàn)橢球空間，配合放煤時(shí)擺動(dòng)支架尾梁，頂煤能夠順利地放出。

圖2 單輪順序放煤過程示意圖

與單輪放煤相比較，采用雙輪順序放煤方式時(shí)，分兩次將頂煤放出，二次放煤時(shí)，未放支架向相鄰已放支架滑落的頂煤相對(duì)較少，減少了頂煤的損失。此外，放煤時(shí)煤矸分界線下降均衡，煤矸不易混雜，防止了因見矸而提前關(guān)閉放煤口，能夠有效提高回收率并降低灰分。

圖3 雙輪順序放煤過程示意圖

2.3 結(jié)果分析

對(duì)比單輪間隔、單輪順序及雙輪順序3種放煤方式的放煤效果，統(tǒng)計(jì)出各放煤方式的頂煤放出率及單口放煤時(shí)間，見表1。

表1 不同放煤方式頂煤放出率與單口放煤時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出，單輪間隔放煤的頂煤回收率最低，為85.26%；雙輪順序放煤的頂煤回收率最高，為93.52%；單輪順序的頂煤回收率比雙輪順序稍低，為89.17%。按放煤效果考慮，雙輪順序放煤最優(yōu)，其次是單輪順序放煤和單輪間隔放煤。

從現(xiàn)場(chǎng)工作組織來看，單輪間隔及雙輪順序放煤方式需往返操作，且雙輪放煤時(shí)工序繁雜，耗費(fèi)工時(shí)長(zhǎng)，不利于工作面的高效連續(xù)生產(chǎn)，而單輪順序的回收率雖稍低，但單輪順序放煤簡(jiǎn)化了放煤工序，提高了工作效率。

分析3種放煤方式的單口放煤時(shí)間，單輪順序放煤方式所用時(shí)間最少，單輪間隔次之，雙輪順序放煤所用時(shí)間最多，比較可知單輪順序節(jié)省時(shí)間的效果明顯優(yōu)于其它兩種放煤方式，有利于工作面的快速推進(jìn)和產(chǎn)量的提高。

選擇放煤方式時(shí)，不僅應(yīng)考慮頂煤回收率以及單口放煤時(shí)間，還應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)施工組織，盡量降低工序的復(fù)雜性以確保工作面的連續(xù)生產(chǎn)。綜合對(duì)比3種放煤方式的頂煤放出率、單口放煤時(shí)間以及現(xiàn)場(chǎng)施工組織，確定選用回收率較高且放煤時(shí)間短的單輪順序放煤方式。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

試驗(yàn)工作面從2010年9月正式進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)階段，工業(yè)性試驗(yàn)期間截止到2011年5月，在試驗(yàn)工作面采用單輪順序放煤方式，通過工區(qū)技術(shù)員測(cè)量工作面推進(jìn)度、副井電子稱稱重原煤產(chǎn)量及洗選廠統(tǒng)計(jì)矸石量等手段，統(tǒng)計(jì)8個(gè)月的工作面的推進(jìn)情況和工作面的產(chǎn)量。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2。

表2 工作面主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

工作面從2010年9月到2011年5月總共推進(jìn)578m，原煤產(chǎn)量總共41.9萬t，平均月產(chǎn)量為5.2萬t，平均日產(chǎn)煤為1748t，平均回收率為88.29%。

［1］ 宋振騏.實(shí)用礦山壓力控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998

［2］ 蔣金泉.綜放頂煤放出規(guī)律與放煤步距的離散元仿真研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（18）

［3］ 徐永圻.煤礦開采學(xué)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999

［4］ 孟憲瑞，李憲民.現(xiàn)代放頂煤開采理論與實(shí)用技術(shù)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001

［5］ 宇黎亮，周志利，顧群虎，魏清.4326超長(zhǎng)綜放工作面安裝工序的統(tǒng)籌規(guī)劃［J］.煤，2000（2）

［6］ 曹勝根.綜放高效開采關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008（2）

［7］ 范志忠，于雷，于海勇.大采高綜放開采降低含矸率途徑分析［J］.中國煤炭，2011（2）

［8］ Fu Qiang，Wu Jian，Wang Jiachen.Study on the application of Distinct Element Method in long wall topcoal caving mining［C］.Proceedings of the 99International workshop on underground thick－seam mining，1999

Practice of caving manner in fully mechanized top－coal caving face in thick coal seam

Zhang Tao1，Liu Jianyou1
（College of Resources and Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China）

Among the factors affecting the recovery value in fully mechanized top－coal caving face，the caving manner is of utmost importance as well as caving interval.In order to determine the reasonable caving manner and increase recovery value of top coal，this paper adopts theoretical analysis and PFC2Dsimulation software to analyze the different caving manners according to the actual geological conditions in Beixulou Coal Mine，to have mastered the motion law of the top coal and the advantages and disadvantages of the different caving manners and have determined the caving manner in one－round order in Beixulou Coal Mine.Then some industrial tests are carried out to verify whether it can meet the needs of production design of that coal mine.

fully mechanized top－caving face，manner of caving，numerical simulation，industrial test

TD823.971

A

山東科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：YCA110307）

張濤（1988－），男，山東濰坊人，山東科技大學(xué)研究生，主要從事采礦方面研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）