綜采工作面采煤參數及采煤工藝的優化

韓志成

（西山煤電西銘礦，山西 太原 030052）

在多年煤炭開采的基礎上，我國煤炭資源處于容易開采的位置已均開采完。經統計，我國剩余絕大多數未開采煤層以埋藏深度深、煤層結構復雜以及巖層穩定性差等地質條件為主。考慮到當前采煤參數及采煤工藝所配套的綜采技術工作量較大、開采成本較高等劣勢導致工作面煤炭回采率、安全系數低[1]。因此，急需對復雜結構煤層的采煤參數及對應采煤工藝進行優化設計。

1 工程概況

本文以某煤礦為例開展研究。經探測，該礦區工作面屬于大傾角工作面，其傾角范圍從23°至45°，工作面平均傾角為30°。目前，該煤礦可開采的煤層包括有1號、5號、8號以及9號。在2014年對某煤礦進行改造，其當前生產能力可達6 Mt/a，主要以長壁開采和綜合機械化開采為主，其對應工作面頂板的管理手段為全部垮落法。本文以5號煤層工作面進行重點研究，該工作面的走向長度為1460 m，對應采高為3.3 m。

經實踐生產探測可知，5號煤層工作面所采用的上層與下層聯合支護方式。其中，上層支護方式以錨網+錨索+鋼帶聯合支護；下層以U型棚支護為主。在當前綜采參數及工藝的生產條件下，工作面存在礦山壓力大、巷道變形嚴重等問題。為解決上述問題，需綜合對5號煤層工作面頂底板情況進行分析，分析結果如表1所示。

表1 5號煤層工作面頂底板情況

2 采煤參數及工藝的優化

經對5號煤層工作面進行深入探測在“1”的基礎上可對其地質及煤層條件進行再次明確。其中，5號煤層的傾角范圍為7°～12°，其平均傾角為9.5°，煤層平均厚度為11.2 m；工作面的傾斜長度為150 m。按照5號煤層目前所采用的開采方式和倒班模式，每年可推進工作面的長度為950 m，產煤量為1.8 Mt/a，與實際設計的生產能力不相匹配。因此，需對5號煤層目前所采用的采煤參數及工藝進行優化。

采放比和放煤步距是采煤參數中較為關鍵、核心的指標[2]。因此，本節著重對綜采工作面的采放比和放煤步距進行優化。

2.1 采放比的優化

采放比是工作面所配置采煤機的破煤高度和放煤高度的比值。破煤高度與放煤高度的和為工作面的煤層厚度，當破煤高度增大時，對應的放煤高度會減小。實踐表明，當破煤高度越大對應工作面的回采率越高，設備工作效率越高；但是，當破煤高度增大一定數值時，工作面的礦山壓力明顯增大，對支護設備的要求越高。因此，應合理確定采放比參數。

首先，需確定工作面的破煤高度。破煤高度的確定需根據當前市面上采煤機的采煤高度、通風條件以及所應用工作面的實際情況綜合確定。對于5號煤層工作面而言，巷道空間較大可配置較大型號的采煤機；且5號煤層平均厚為11.2 m，屬于厚煤層，在保證生產效率的前提下應盡可能選擇大采高工藝。因此，在上述條件下結合市面采煤機的采高范圍，最終確定5號煤層工作面的采高為3.2 m[3]。

則，對應工作面的放煤高度為11.2 m-3.2 m=8 m。

綜上所述，5號煤層工作面的采放比為3.2∶8.0=1.0∶2.5，該采放比滿足放頂煤開采，采放比不得小于1∶3的要求。

2.2 放煤步距的優化

放煤步距為相隔采煤循環之間工作面推進的距離。一般情況下，在實際生產中為與所選擇的采煤工藝相匹配，將放煤步距確定為采煤機截割深度的整數倍。目前，5號煤層工作面所配置采煤機的截割深度為0.9 m。根據放煤步距的設計原則，可將其設定為采煤機截割深度為一倍、兩倍和三倍，對應的放煤步距為0.9 m、1.8 m和2.7 m[4]。

2.2.1 放煤步距為0.9 m

當放煤步距為0.9 m時，隨著工作面的不斷推進并在完成16個放煤循環時，對應工作面頂板煤炭顆粒的流動情況如圖1所示。

圖1 16個放煤循環對應頂煤顆粒流

當工作面推進16個放煤循環時，即工作面推進0.9 m×16=14.4 m；放煤高度為8 m，采煤機的破煤高度為3.2 m。結合5號煤層工作面的容重參數為0.9 t/m3，得出理論上的放煤步距為0.9 m時的放煤量為14.4 m×8 m×3.2 m×0.9 t/m3=331.776 t。

經在工作面實際生產采用放煤步距為0.9 m開采時，對應實際煤炭放出量為267 t。則，當放煤步距為0.9 m時，對應煤炭回收率為267/331.776=80.48%。

2.2.2 放煤步距為1.8 m

當放煤步距為1.8 m時，隨著工作面的不斷推進并在完成16放煤循環時，對應工作面頂板煤炭顆粒的流動情況如圖2所示。

圖2 16個放煤循環對應頂煤顆粒流

當工作面推進16個放煤循環時，即工作面推進1.8 m×16=28.8 m；放煤高度為8 m，采煤機的破煤高度為3.2 m。結合5號煤層工作面的容重參數為0.9 t/m3，得出理論上的放煤步距為1.8 m時的放煤量為28.8 m×8 m×3.2 m×0.9 t/m3=663.552 t。

經在工作面實際生產采用放煤步距為1.8 m開采時，對應實際煤炭放出量為507 t。則，當放煤步距為1.8 m時，對應煤炭回收率為507/663.552=76.41%。

2.2.3 放煤步距為2.7 m

當放煤步距為2.7 m時，隨著工作面的不斷推進并在完成16放煤循環時，對應工作面頂板煤炭顆粒的流動情況如圖3所示。

圖3 16個放煤循環對應頂煤顆粒流

當工作面推進16個放煤循環時，即工作面推進2.7 m×16=43.2 m；放煤高度為8 m，采煤機的破煤高度為3.2 m。結合5號煤層工作面的容重參數為0.9 t/m3，得出理論上的放煤步距為2.7 m時的放煤量為43.2 m×8 m×3.2 m×0.9 t/m3=995.328 t。

經在工作面實際生產采用放煤步距為1.8 m開采時，對應實際煤炭放出量為721 t。則，當放煤步距為2.7 m時，對應煤炭回收率為721/995.328=72.44%。

綜上所述，當放煤步距為0.9 m時對應工作面回收率最高。因此，確定最佳放煤步距為0.9 m。

3 結論

綜采工作面的生產能力和安全性在很大程度上受制于所采用的采煤工藝和參數。而在眾多采煤參數及工藝中，以采放比和放煤步距最為關鍵、重要[5]。確定采煤參數及采煤工藝最重要的考核指標為煤炭回收率。本文在結合煤炭生產經驗和相關理論基礎確定5號煤層工作面的采放比為1.0∶2.5，其中采煤高度為3.2 m，放煤高度為8 m；所選擇最佳放煤不均為0.9 m，對應的煤炭回收率為80.48%。