采煤工藝參數的優化

王俊虎

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

煤炭是我國國民經濟高速發展的關鍵能源與動力。目前，煤炭在我國的使用量在全球范圍內居前列，而且在未來很長一段時間內煤炭將依然在我國的能源結構中占據主導地位。對于煤礦企業而言，在保證安全生產的前提下，如何提高綜采工作面煤炭的產出率，降低生產成本為其關注的關鍵。從根本上將，采煤參數及對應采煤工藝參數是決定煤炭開采率和開采成本的核心因素，其應與所應用工作面的實際情況相匹配，并在實際生產過程中隨著工作面的推進對采煤參數及對應工藝參數進行優化[1]。本文著重對采煤參數及對應工藝參數的優化進行研究。

1 工程概況

某煤礦的設計生產能力為30萬t/a，而且工作面目前開采的煤層為3號煤層，該煤層對應頂底板的情況勘測結果如表1所示。

表1 3號煤層工作面頂底板情況

3號煤層中砂巖排列相對緊密，硬度較大，中間夾雜部分有機物質；砂質泥巖中間夾雜著白云母片和相關有機物質；黑色泥巖中間夾雜著一定量的碳屑和相關有機物質。3號煤層工作面的正常涌水量為1～1.4 m3/h，涌水量較小不會影響正常開采；而且3號煤層地質結構相對簡單，便于開采。3號煤層結構也相對簡單，且煤層傾角范圍為2°～6°，對應煤層的平均硬度為3。目前，3號煤層工作面采用放頂煤開采技術，對應所采用的頂板管理為垮落法。

2 采煤工藝參數的優化

影響放煤開采效果的關鍵工藝參數包括有放煤方式和放煤步距。合理的放煤方式和放煤步距可以保證工作面的煤炭的產量、煤炭的品質以及采出率等。此外，放煤方式和放煤步距確定不合理導致其對頂煤的影響不同。因此，本文將基于數值模擬手段對放頂煤開采技術中的放煤步距和放煤方式等參數進行優化[2]。

2.1 放煤步距參數的優化

本文以某煤礦3號煤層工作面為基礎并基于PFC軟件建立仿真模型。經勘測，3號煤層工作面對應的煤層埋藏深度為200 m，煤層厚度為6.6 m。在目前開采方式下，所設計的采煤機的割煤高度為2 m，所對應的放頂煤采煤中的關鍵參數采放比為1.0∶2.3。結合3號煤層工作面的各種條件，設計如圖1所示的數值模擬模型。

圖1 3號煤層工作面數值模擬模型

如圖1所示，模型最上方為矸石，其余藍色、綠色以及淺藍色為煤層，對應巷道的尺寸：寬度為6 m，對應的高度值為3 m。對于放頂煤開采工藝而言，放煤步距參數與采煤機截割深度相關[3]。目前，3號煤層所選型采煤機截割煤層的厚度為0.6 m。根據一采一放、兩采一放、三采一放的開采方式對應的放煤步距值分別為0.6 m、1.2 m和1.8 m。經數值模擬分析后，可以最終確定最佳放煤步距參數，且考核的標準為在不同放煤步距參數下對應出煤量、放矸量以及總體含矸率等指標進行對，經數值模擬仿真分析，得出不同放煤步距參數下對應開采效果如表2所示。

表2 不同放煤步距對應的放煤效果對比

如表2所示，基于一采一放的開采方式對應的煤炭放出率為27.17 t，矸石放出量為4.84 t，總的含矸率為15%。經分析可知，當工作面推進至空巷影響區時，由于工作面頂煤的間隙已經發育成熟且具有極強的冒放性；此時，在一采一放采煤方式的影響下，在放煤口位置處的頂煤在后方煤矸石的推動作用下涌出，從而減少了頂煤的損失量，進而使得所采處煤炭中矸石的比例較小。

基于兩采一放的開采方式時對應的煤炭放出率為24.71 t，矸石放出量為7.08 t，總的含矸率為22%。與一采一放開采方式相比較，煤炭放出量明顯降低，且對應矸石放出量和含矸率明顯增加。導致上述現象的主要原因在于，兩采一放采煤方式下使得煤矸石提前達到放煤口導致其頂煤無法快速放出甚至被堵死。

基于三采一放的開采方式時對應的煤炭放出率為22.01 t，矸石放出量為1.84 t，總的含矸率為8%。與上述兩種采煤方式相比較，雖然頂煤放出量略小，但是整體開采處煤炭含矸率和矸石放出量明顯低于前兩種開采方式。

當放煤步距為1.8 m時，雖然煤炭放出量略小，但是其所采出煤炭的質量最高。因此，最終確定3號煤層工作面對應的最佳放煤步距為1.8 m。

2.2 放煤方式參數的優化

除了放煤步距這一參數外，放煤方式也是影響放頂煤開采的關鍵因素。基于2.1研究可知，3號煤層對應的最佳開采方式為三采一放，對應的最佳放煤步距為1.8 m。在此基礎上，本節將同樣基于PFC數值模擬軟件對放煤方式進行優化設計。對于放煤方式而言，根據放煤輪數可以分為單輪和雙輪；根據放煤順序可以分為順序和間隔[4]。因此，本節理論上將基于PFC數值模擬軟件對單輪順序、單輪間隔、雙輪順序以及雙輪間隔四種放煤方式進行對比，最終得出最佳放煤方式。但是，結合實際放煤經驗及相關理論基礎，本節僅對單輪順序、單輪順序局部間隔、雙輪順序三種方式的放煤效果進行模擬分析。

根據3號煤層工作面所采用放頂煤開采工藝下對應的放煤口的位置關系在模型中進行設置。具體設置如下：所對應放煤口的寬度為0.7 m，相鄰兩個放煤口之間的間距為1.5 m。所建立的放煤初始模型如圖2所示。

圖2 放煤初始模型

所謂單輪順序放煤指的是在不考慮采動的影響下，按照液壓支架的順序依次進行放煤操作，直到發現煤矸石后停止放煤；單輪順序局部間隔放煤指的是，一開始僅對相對完整區域的頂煤放出，而后才對受采動影響區域的頂煤進行放出；雙輪順序放煤指的是，第一輪先對不受空巷影響的頂煤按照液壓支架順序進行放出；第二輪對所有頂煤按照液壓支架順序放出，直到發現煤矸石后停止放煤。不同放煤方式下對應的放煤效果如表3所示。

表3 不同放煤方式下對應放煤效果對比

如表3所示，在三種放煤方式下對應的煤炭放出總量、頂煤放出率以及含矸率等參數的對比下，以雙輪順序放煤方式下對應的煤炭放出總量最大，頂煤放出率最高且含矸率最小。綜合分析可知，三種放煤方式下的區別主要在于空巷影響區域的放煤效果，而雙輪順序放煤方式對空巷影響區域的放煤效果最佳[5]。因此，最終確定3號煤層工作面的最佳放煤方式為雙輪順序放煤。

3 結論

采煤參數及對應工藝參數為影響綜采工作面煤炭質量和采出率的根本因素。本文以某煤礦3號煤層工作面煤層的開采為例，基于PFC數值模擬軟件對其關鍵的放煤步距和放煤方式進行優化確定，具體總結如下：

1）當放煤步距為1.8 m時，與放煤步距為0.6 m和1.2 m相比較可知，其對應的煤炭放煤總量雖然略少，但是其所放出煤炭中的矸石量和含矸率為最低，即采出煤炭的質量最高；

2）對單輪順序、雙輪順序以及單輪順序局部間隔放煤方式時，雙輪順序放煤方式下對應的煤炭放出總量最大，且含矸率最小，即采出煤炭質量最高。

最終確定某煤礦3號煤層工作面對應的最佳放煤步距為1.8 m，最佳放煤方式為雙輪順序放煤。