龐龐塔煤礦9-301綜放工作面放煤參數設計

王瑞杰

(霍州煤電集團呂臨能化有限公司 龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200)

隨著煤層傾角的增大，頂板巖層各向異性愈發明顯，導致工作面回采過程中頂板巖層的變形與垮落與水平煤層具有較大的差別，尤其是綜放工作面，由于煤層開采高度較大，更增大了工作面回采的難度[1-3]。因此，對于傾斜煤層放頂煤開采，放煤參數設計尤為重要，一旦放煤參數不合理，不但影響煤炭資源回收率，還易引發安全事故[4-5]。本文以龐龐塔煤礦為工程背景，對傾斜煤層綜放工作面放煤參數進行分析研究。

1 工程背景

龐龐塔煤礦是隸屬于霍州煤電集團的大型礦井，位于山西省呂梁市臨縣木瓜坪鄉吉家莊村。目前主采的9號煤層厚度為11.8 m，煤層傾角為15～36°，平均傾角25°，屬傾斜煤層。9號煤層偽頂為0.1～1 m的炭質泥巖，直接頂為5～7 m泥質灰巖，老頂為6～9 m的砂質泥巖，直接底為1～2 m的泥巖，老底為1～3 m的細粒砂巖,如表1所示。

表1 9號煤層頂底板

9號煤層設計采用放頂煤開采工藝進行回采，由于煤層傾角較大，在安全回采的前提下，為保證煤炭資源回收率需對放煤參數進行專項設計。

2 放煤參數設計

對煤炭資源回收率影響最大的兩個放煤參數分別為采放比及放煤步距。本文采用PFC數值模擬軟件以龐龐塔煤礦9號煤層為工程背景，建立數值模型，龐龐塔煤礦9號煤層及其頂板巖層物理力學參數如表2所示。

表2 9號煤層及其頂板巖層物理力學參數

數值模擬如圖1所示，煤層厚度為11.8 m，頂板巖層厚度為23 m，傾角為25°，初始狀態下，所有顆粒均為自然平衡狀態。

圖1 數值模型

根據龐龐塔煤礦地質條件及現有裝備水平，本次模擬對采高和放煤步距分別為3.0 m、3.2 m、3.4 m和0.8 m、1.6 m、2.4 m條件下，頂煤冒放情況進行分析。根據現場開采情況，工作面回采過程中，頂煤自然垮落，為限制含矸率，設置為見矸關門。

當采高為3.0 m，不同放煤步距條件下，頂煤損失如圖2所示。

圖2 采高3.0 m不同放煤步距頂煤損失情況

如圖2所示，在采高為3.0 m條件下，當放煤步距為0.8 m時，除了前幾次由于頂煤冒放過程中混入矸石導致頂煤放出量較小以外，整體來看，頂煤回收率為92.78%，損失量較小；當放煤步距為1.6 m時，同樣是前兩次放煤效果較差，經分析可知，頂煤及矸石均為松散顆粒，在初始放煤階段，頂煤還未完全放出時，上部矸石顆粒就已到達放煤口，由于見矸關門的設置，導致頂煤放出量較低，隨著工作面推進，煤矸分界線逐漸清晰，放煤效果就較為理想了，此時頂煤回收率為90.73%，頂煤損失量不大；當放煤步距為2.4 m時，初始階段頂煤放出量優于放煤步距為0.8 m和1.2 m，這是由于放煤步距較大，頂煤顆粒占據了采空區大量空間，矸石顆粒較少，因此初始階段頂煤放出量較大，隨著工作面不斷推進，煤矸分界線并不清晰，導致后續頂煤放出效果較差，頂煤回收率為84.99%，頂煤損失量較大。

當采高為3.2 m時，不同放煤步距條件下，頂煤損失如圖3所示。

圖3 采高3.2 m不同放煤步距頂煤損失情況

如圖3所示，同樣是放煤初始階段頂煤放出量較差，后續煤矸分界線逐漸清晰，頂煤放出量明顯提高。當放煤步距為0.8 m時，頂煤放出量較大，頂煤回收率可達94.46%，頂煤損失量較小；當放煤步距為1.6 m時，隨著放煤步距增大，初始階段，放煤量與放煤步距為0.8 m相比有所提升，但是在末采階段隨著矸石的混入，頂煤放出量較少，整體來看頂煤回收率為87.58%，頂煤損失量較大；當放煤步距為2.4 m時，放煤的初始階段頂煤放出量較為理想，但后續隨著矸石的混入，頂煤放出量較低，整體來看，頂煤回收率為86.22%，頂煤損失量較大。

當采高為3.4 m時，不同放煤步距條件下，頂煤損失如圖4所示。

如圖4所示，當采高為3.4 m，放煤步距為0.8 m時，頂煤回收率為89.96%，頂煤損失量較大；放煤步距為1.6 m時，頂煤回收率為84.69%，頂煤損失量較大；放煤步距為2.4 m時，頂煤回收率僅為82.94%，頂煤損失量較大。數值模擬結果顯示，當采高為3.4 m時，無論放煤步距為多少，頂煤回收率均不理想，頂煤損失量較大。這是因為隨著采高的增大，在工作面回采過程中，煤炭分界線并不清晰，而且上方頂煤厚度相對較小，導致頂板矸石極易混入頂煤，從而降低頂煤回收率。

圖4 采高3.4 m不同放煤步距頂煤損失情況

綜上所述，不同采高、不同放煤步距條件下頂煤回收率如表3所示，數值模擬結果顯示，最佳采高為3.2 m，最佳放煤步距為0.8 m.

表3 不同采高不同放煤步距條件下頂煤回收率

考慮到放頂煤采煤工藝本身的特點，頂煤損失主要由初采損失、末采損失、端頭損失、工藝損失和底煤損失組成，因此提出以下措施降低頂煤損失量：

1) 減少工藝損失。放頂煤工藝損失發生在放頂煤過程中，合理的放頂煤程序，即按照垮落頂煤的移動規律進行放煤，即可將工藝損失減少到最低限度。當頂煤不能一次垮落時，采用多輪放煤可以給上位頂煤提供足夠的垮落空間和時間，從而可以保證頂煤充分垮落，不至于造成部分頂煤丟失在采空區。

2) 減少末采損失。末采期間，為保證采場空間圍巖穩定性及安全撤架，采用留頂煤收尾方法，即根據頂煤穩定性，距停采線10～20 m開始不放頂煤，以頂煤為頂板進行設備回撤。

3) 減少底煤損失。根據工作面煤層賦存條件，合理調整層位，盡可能不留底煤。

3 現場試驗

按照上述設計方案在龐龐塔煤礦9-301工作面進行試驗，9-301綜放工作面采高為3.2 m，放煤高度為8.6 m，采放比為1∶2.69，放煤步距為0.8 m，一采一放，采用單輪順序放煤方式。工作面采用端部斜切進刀雙向割煤方式，生產工序如圖5所示，采煤機機頭斜切進刀，采煤機完成機頭斜切進刀后，將前部輸送機推向煤壁，上行割煤，采煤機機尾斜切進刀，將輸送機推向煤壁，采煤機向下割煤。

圖5 9-301工作面生產工序

當采煤機開始割煤后，滯后移架工序4架的距離，開始放頂煤工序，從工作面一端開始，順序打開支架放煤口進行放煤，并與移架的順序相一致，一次最多同時打開兩個支架放煤口。為了減弱直接頂和老頂初次來壓時對支架的沖擊，初采20 m以內不進行放煤。當工作面回采20 m后，開始放煤，放煤時，先收回支架放煤插板，然后操作尾梁千斤頂，使尾梁擺到適當位置，以便能使頂煤直接流入后部輸送機。反復升降支架尾梁，使頂煤與直接頂離層、破碎，從而通過尾梁處流入后部輸送機中。在反復升降支架尾梁時，應密切注意支架前梁上部頂板狀況。若出現頂板破碎等情況，應立即停止放煤，并對支架進行補液，確保頂板安全。放煤過程中，如遇大塊煤矸，可使用尾梁、插板對其進行破碎。見矸量較大時，升起尾梁、伸出插板停止放煤，完成放煤工作。通過現場監測，當采高為3.2 m，放煤步距為0.8 m時，頂煤回收率可達92.1%，含矸率僅為5.9%，表明上述放煤參數合理可行。

4 結 語

確定了龐龐塔煤礦9號煤層放頂煤工作面最佳采高為3.2 m，最佳放煤步距為0.8 m；提出了專項措施用于減少9-301工作面頂煤損失量；現場試驗結果，頂煤回收率可達92.1%，含矸率僅為5.9%，取得了良好的經濟效益。