采高、放煤步距等參數的優化

王 強

（山西鄉寧焦煤集團通合煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

0 引言

一直以來，綜采工作面的生產效率在很大程度上決定于其所選擇的采煤方法。綜合機械化放頂采煤方法是當前主流的開采方案，根據工作面的煤層、地質以及巷道布置情況確定最佳的采放比和放煤步距等參數對于保證最終的開采效率具有重要意義[1-3]。傳統針對采放比、放煤步距等參數主要依靠經驗完成，為進一步提高工作面生產的安全性和生產效率，本文將基于FLAC3D軟件對不同采放比、放煤步距進行優選。

1 工程概況

本文所研究的礦井以斜井方式進行開拓，煤礦共布置有6 個井筒，包括有主斜井、副斜井、進風井以及回風斜井等。以該煤礦16# 煤礦的開采為例，該煤層與其相鄰煤層17#煤層之間的最大間距為7.32 m，最小間距為3.7 m，二者之間平均間距為5.5 m；該工作面煤層的最大厚度為10.51 m，最小厚度為1.67 m，煤層平均厚度為8.5 m。總的來講，16#煤層相對穩定且結構復雜，可全采。經探測，工作面煤層瓦斯的相對涌出量為0.4 m3/t，絕對涌出量為1.18 m3/min。16#煤層的頂底板條件，如表1 所示。

表1 16#煤層頂底板條件

目前，該工作面采用綜采放頂煤開采工藝進行開采，頂板采用全部垮落法進行管理，每天可循環進度0.6 m；對應采煤工藝中采高為2.5 m，放煤高度為6 m；現場配套有普通液壓支架、過渡型液壓支架和端頭液壓支架三種；所配套采煤機的具體型號為MG900/2210-WD，刮板輸送機的具體型號為SGZ-1000/1400。

2 FLAC3D 數值模擬軟件構建

本文將基于FLAC3D 軟件對綜采放頂煤開采工藝參數中的放煤步距和采放比兩個參數進行優選。因此，本節將根據16#煤層綜采工作面煤層、地質等條件完成數值模擬仿真模型的構建。為保證最終所優化的采煤工藝參數可真正指導實踐生產，達到高效、安全的目的，在構建模型時尤其需要注意其準確性。因此，在16#煤層工作面現場對頂板和底板的巖層進行曲線，對巖體的力學參數進行測定，測定結果如表2所示。

表2 16#煤層頂板和底板巖層力學參數

在上述基礎條件分析的基礎上，構建長度為163.2 m 的模型，如圖1 所示。

圖1 數值模擬仿真模型

將如圖1 所示的數值模擬仿真模型的四周側面采用滾動支撐方式；水平方向采用不限制其移動；模型底部采用固定支撐方式[4-5]。并通過表2 中頂板和底板的巖體參數對模型中的相應參數進行設置。

3 采放比、放煤步距參數的優化

當前工作面所配套普通液壓支架的最大支撐高度為3.5 m，最小支撐高度為1.8 m；因此，對采高分別為2、2.5、3、3.5 m 四種情況進行分析；鑒于工作面所配套的采煤機滾筒的截割深度為0.6 m；因此，放煤步距取值為滾筒截割深度的整數倍，分別為0.6 m、1.2 m。本節采用控制變量法對不同采高和放煤步距對應的煤體的破壞情況進行對比，具體仿真結果如下：

3.1 放煤步距為0.6 m，不同采高對應煤體的破壞情況

當放煤步距為0.6 m，對不同采高為2、2.5、3、3.5 m 四種情況下對應工作面煤體的破壞情況進行仿真，仿真結果如圖2 所示：

圖2 放煤步距為0.6 m 時，不同采高對應煤體的破壞情況

分析如圖2 所示的數值模擬仿真結果，得出如下結論：

1）當采高為2 m，放煤步距為0.6 m 時，工作面頂煤主要以拉伸破壞為主，且破壞深度可達4.5 m；對應煤壁的破壞縱深至0.6 m，影響范圍很小。

2）當采高為2.5 m，放煤步距為0.6 m 時，工作面頂煤除了拉伸破壞外，還存在寬度1.5 m、高度1 m 的范圍出現剪切破壞，且破壞深度延伸至頂部的6.5 m；對應煤壁的破壞范圍縱深同樣為0.6 m。

3）當采高為3 m，放煤步距為0.6 m 時，工作面頂煤除了拉伸破壞外，還存在寬度2.1 m、高度1.25 m的范圍出現剪切破壞，且破壞深度延伸至頂部的8.5 m，充滿整個頂煤范圍；對應煤壁的破壞范圍縱深延伸為1 m。

4）當采高為3.5 m，放煤步距為0.6 m 時，工作面頂煤除了拉伸破壞外，還存在寬度2.4 m、高度1.75 m的范圍出現剪切破壞，且破壞深度延伸至頂部的8.5 m，充滿整個頂煤范圍；對應煤壁的破壞范圍縱深延伸至1.5 m。

3.2 放煤步距為1.2 m，不同采高對應煤體的破壞情況

當放煤步距為1.2 m，對不同采高為2、2.5、3、3.5 m 四種情況下對應工作面煤體的破壞情況進行仿真，仿真結果如圖3 所示。

圖3 放煤步距為1.2 m 時，不同采高對應煤體的破壞情況

分析如圖3 所示的數值模擬仿真結果，得出如下結論：

1）當采高為2 m，放煤步距為1.2 m 時，工作面頂煤主要以剪切破壞為主，且破壞深度可達1.75 m，高度為6.5 m；但是，在工作面中部仍然存在很大區域未被破壞，僅呈現一定的屈服應力，容易導致大塊煤炭堵住放煤口。對應煤壁的破壞縱深至0.6 m，影響范圍不大。

2）當采高為2.5 m，放煤步距為1.2 m 時，工作面頂煤主要以剪切破壞為主，而且整個工作面的破壞程度相對充分，破壞率為74.37%；對應煤壁的破壞縱深至1m，而且主要表現為剪切破壞，影響范圍較大。

3）當采高為3 m，放煤步距為1.2 m 時，工作面頂煤同樣以剪切破壞為主，而且對應頂部破壞區域仍在擴大，破壞率為77.56%；對應煤壁破壞縱深至1 m，而且主要表現為剪切破壞，影響范圍較大。

4）當采高為3.5 m，放煤步距為1.2 m 時，工作面頂煤同樣以剪切破壞為主，而且對應頂部破壞區域仍在擴大，破壞率為83.04%；對應煤壁破壞縱深至1 m，而且主要表現為剪切破壞，影響范圍較大。

4 結語

綜采放頂采煤方法為當前綜采工作面的主流開采方式，為保證綜采工作面生產的安全性和高效的生產效率，需要結合實際情況設計合理且匹配的放煤步距和采高。本文重點對不同采高和放煤步距對煤體的破壞情況進行仿真分析，得出：

1）當采高范圍在2～2.5 m 之間時，隨著放煤步距的增大，煤壁相對完整，且其壓力峰值區域較大；

2）當采高范圍在2.5～2.5 m 之間時，煤壁所承受的壓力峰值向煤壁深處轉移，且煤壁被破碎的現象嚴重，極易導致其出現片幫現象，影響開采的安全性。

因此，最終應將采高控制在2～2.5 m 之間，將放煤步距控制為0.6 m，在保證生產安全性的基礎上，也保證了頂煤的回收率。