連續采煤配套設備分析及開采工藝參數優化

郭二斗

（華陽集團一礦，山西 陽泉 045000）

引言

一直以來，我國煤礦煤層大部分采用粗放性開采，主要以長壁綜合機械化開采為主，該種開采方式實施后會在工作面殘留下部分煤柱和呈現不規則形態的塊段煤等。為了避免上述殘留煤的浪費，需發明適用于塊段式煤炭的開采工藝。連續采煤工藝可應用于對塊段式煤炭的開采其回采率大于60%[1]；但是該種采煤工藝在實踐應用中存在頂板管理困難，由于還需留設較多的煤柱，存在煤炭資源回收率仍很低的問題。因此，針對塊段式煤層的連續開采還需對其巷道布置、頂板管理等方面進行優化，最終實現安全、高效的開采。

1 工程概況

本文所研究煤礦設計的生產能力為12 Mt/a，所研究工作面的水平走向長度為98 m，傾斜工作面的走向長度為12 m，整個工作面的走向長度為110 m；以該工作面1#煤層的開采為例，該煤層所屬工作面含水層的滲透系數為0.044 m/d，屬于積弱富水含水層。經探測，該工作面的最大涌水量為30 m3/h，正常涌水量為15 m3/h，為其所配套的排水系統的最大排水能力為50 m3/h，即在排水方面滿足要求。1# 煤層所屬工作面的頂底板地質條件，如表1 所示。

表1 1#煤層工作面頂底板地質條件

此外，該工作面瓦斯的絕對涌出量為0.19 m3/min，瓦斯的相對涌出量為0.293 m3/t；該煤礦工作面屬于低瓦斯工作面。

2 連續采煤的巷道布置及設備配套

2.1 連續采煤的巷道布置

針對走向長壁綜合機械化開采后所形成的塊段式煤層，本文提出采用連續采煤機對其進行開采，根據煤礦1#煤層工作面的特點，對其合理布置巷道的參數，如表2 所示。

表2 塊段式煤層工作面所布置巷道的參數

2.2 連續采煤的設備配套

對于連續采煤工藝而言，可采用連續運輸和間斷運輸兩種方式對其綜采設備進行配套。其中，基于連續運輸方式配套采煤設備要求對巷道的斷面面積較大對后期巷道的支護難度增大，不僅影響支護效果，而且還會影響開采的安全性[2]。基于間斷運輸方式配套并布置綜采設備，其在實際生產中操作簡答且方便，而且對巷道的適應能力強；同時，該種布置方式還有利于對頂板的管理和對片幫圍巖的控制。

因此，本工程采用間斷運輸方式對綜采設備進行布置，其對應的布置方式，如下頁圖1 所示。

圖1 連續綜采設備的布置示意圖

3 連續采煤工藝參數的初選與優化

根據工作面實際情況設計合理的采煤工藝。鑒于連續采煤機塊段式開采時對頂板管理的要求較高，因此，需要特別注意連續塊段式采煤工藝的頂板控制設計。

3.1 連續采煤工藝參數的初選

3.1.1 支巷長度的確定

支巷的主要功能：作為綜采設備運輸的巷道，便于對其他巷道的維修等。支巷的長度主要與主巷的掘進長度相關，其與工作面掘進費、運輸費以及維護費的系數相關[3]。綜合該煤礦的實際情況，初步將支巷的長度設計為80～120 m。

3.1.2 煤房極限跨度的確定

煤房極限跨度主要與工作面巖層、煤層的特性參數相關，保證一定寬度的煤房具有適用于工作面頂板的抗拉強度。煤房極限跨度計算公式，如式（1）所示。

將該煤礦工作面的相關參數代入式（1）中得出，適用于塊段式煤層開采煤房的極限跨度為9.53 m。即，煤房的跨度不能大于9.53 m；綜合1#煤層工作面的特點，確定煤房的跨度為5～6 m。

同理，采用理論計算和經驗計算的方式，確定隔離煤柱的留設尺寸為10 m，支巷的煤柱寬度設計為15～20 m 之間，采硐巷道所設計的刀間煤柱寬度為0.3～1.5m 之間即可。

3.2 連續塊段式開采工藝參數優化設計

為了驗證上述所設計的連續塊段式開采工藝參數是否能夠適用于塊段式煤層的開采，并對設計的工藝參數進行優化[4]，本節將通過數值模擬分析進行優化。

3.2.1 煤柱穩定性數值模擬模型建立

結合“2”中所設計各個巷道的參數建立數值模擬仿真模型，所依據的參數如下：支巷寬度按照5.4 m計算，采硐巷道的回采寬度按照3.3 m 計算，工作面煤層的采高按照4.2 m 計算。所建立的模型及巷道布置，如圖2 所示。

圖2 數值模擬仿真模型

3.2.2 煤柱寬度參數的優化確定

煤柱寬度參數不僅影響煤層開采的安全性，而且對煤炭回采率的影響較大。因此，合理確定煤柱寬度尤為重要[5]。以刀間煤柱寬度為例，對0.5 m、1 m、1.5 m和2 m的刀間煤柱在實際開采中的破壞程度，是否能夠保證對頂板的有效支撐進行仿真分析，進而得出最佳刀間煤柱寬度。鑒于篇幅有限，此處僅列出刀間煤柱寬度為2 m時的應力變化，如圖3 所示。

圖3 刀間煤柱寬度為2 m 時的應力變化

分析仿真結果可知：當刀間煤柱寬度為1.5 m 和2.0 m 時，煤柱受到開采動壓的影響導致其被破壞，但并沒有出現較為嚴重的拉伸破壞現象，其完整性保證工作面的安全生產。當刀間煤柱寬度為0.5 m 和1 m時，雖然煤柱發生了拉伸剪切破壞，但是煤柱還可處于塑性支撐的狀態，可對頂板進行有效支護。

綜上所述，為了兼顧工作面支護要求和資源回收率，最終確定刀間煤柱參數為0.5 m。同理，對應的保護煤柱寬度為10 m，聯巷殘留煤柱的寬度為1.5 m，大巷保護煤柱寬度為8～10 m 之間即可滿足要求。

4 結語

傳統采用走向長壁式開采方式會留下邊角塊煤柱，從而造成煤炭資源的浪費。為解決上述問題，本文提出基于連續采煤機實現對塊段式煤層的開采，該開采工藝主要存在的問題為其頂板管理困難。本文結合實際生產中重點針對其安全開采完成了塊段式煤層開采的巷道布置設計，并對關鍵煤柱參數設計進行優化。總結如下：

1）根據工作面情況，將巷道劃分為支巷、聯巷、采硐巷以及膠運輸槽巷道等，并確定了巷道的相關尺寸；并采用間斷運輸方式完成其綜采設備的布置，以保證生產效率，降低生產成本。

2）結合理論計算和數值模擬仿真手段尤其對煤柱寬度進行優化設計，其中刀間煤柱參數為0.5 m，保護煤柱寬度為10 m，聯巷殘留煤柱的寬度為1.5 m，大巷保護煤柱寬度為8～10 m。