南阳坡矿综放顶煤放出率及工艺优化研究

刘 健

（大同煤矿集团综采办公室，山西 大同 037000）

本文以南阳坡矿8806综放工作面为研究背景，分别模拟分析了不同放煤步距及放煤工艺下工作面顶煤放出率，并以此对8806工作面做出了相应的放煤工艺优化，使得工作面整体顶煤放出情况得到了进一步改善，也为其他类似工作面提供了一定的理论指导意义与实际参考价值。

1 工程概况

1.1 工作面概况

朔州煤电南阳坡矿8806综放工作面位于井田408盘区西部，北部为23m断层，东部为实煤区，西南部为柴家村保护煤柱，南接408盘区辅运、皮带、回风大巷。工作面可采长度445m，工作面长度180m，平均倾角3°，可采面积80100m2。

8806工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤方法，全部垮落法处理采空区顶板。工作面采高3.5m，放煤高度7.6m，采煤机截深0.8m，放煤步距为一刀一放，初次放煤步距为25m。

1.2 煤层概况

8806工作面回采5#煤层，斜立方体节理，局部裂隙发育，含星散状黄铁矿（FeS2)结核，结构复杂，煤层夹有厚度0.01～0.30m四至六层炭质泥岩夹石，煤层利用厚度11.1m。5#煤层顶底板特征如表1所示。

表1 顶底板岩性特征

2 数值模拟分析

结合南阳坡煤矿8806综放工作面现场放煤过程中的顶煤运移特征测试分析，由于采场煤层顶板泥岩层厚度较大、岩性较弱、强度较低，层间粘聚力较小，故其在工作面支架后方随采随落。同时，在采场矿山压力及采动影响的作用下，工作面顶煤由较为完整的一体转变为较为松散、不规则的块状煤体甚至煤屑，通过综放支架放煤口流出。

针对顶煤运移特征，对综放工作面做出以下基本假设，以方便数值模型的建立与计算：

（1）采场煤壁及顶板赋存状态正常，不发生片帮及冒落；

（2）采场液压支架承受顶煤及直接顶的自身重力；

（3）采场顶煤视为松散破碎状态的准刚体，不受拉应力作用。

2.1 模型建立

为进一步分析8806综放工作面顶煤放出规律，利用PFC3D模拟软件建立长×宽×高=30m×12m×25m的模型，如图1所示。模型内设置10架放顶煤支架，将该模型底面视为固定边，四周视为简支边，模型上边界视为自由边界，仅受重力作用，模型速度与加速度均设置为零，放煤支架由wall单元建立，并通过Fish语言来模拟控制放煤支架放煤口的闭合与打开。

图1 数值计算模型

2.2 模型参数确定

数值模型建立以后，为能够更加真实、有效地反映工作面顶煤放出及移架的整个工艺流程，根据8806综放工作面的综放支架参数，确定数值模型中的有效支架参数，选择参数如表2所示。

表2 支架参数选择

结合表2中的工作面支架参数，已知工作面5#煤层可采厚度为11.1m，工作面采高3.5m，放煤高度7.6m，利用上述模型分别对不同放煤步距方式下的顶煤运移规律及放出率进行分析研究，模拟方案如下：

（1）一刀一放，放煤步距0.8m；

（2）两刀一放，放煤步距1.6m；

（3）三刀一放，放煤步距2.4m。

依照以上方法进行模拟时，以支架放煤口出现矸石时关闭放煤口为准，分别模拟分析不同放煤步距时的工作面顶煤运移规律及顶煤放出率。设置顶煤及直接顶属性如表3所示。

表3 顶煤及直接顶颗粒参数

2.3 放煤步距影响分析

2.3.1 顶煤运移情况分析

如图2所示，当放煤步距过小时，液压支架后方的矸石就会优先于顶煤到达放煤口，从而降低顶煤的放出率，导致大量资源损失；而当放煤步距过大时，则会形成大量顶煤滞留于液压支架后方的情况。因此，合理的放煤步距是综放工作面顶煤放出率的重要保障。

图2 不同放煤步距时的顶煤运移情况

2.3.2 顶煤放出率分析

关于8806综放工作面顶煤放出率的概念，以模拟过程每个循环结束后的顶煤放出颗粒数为除数，以循环开始前支架上方的颗粒总数为被除数，其比例便为工作面顶煤放出率。

如图3所示为“一刀一放、两刀一放、三刀一放”时，工作面顶煤放出率与工作面推进距离之间的关系曲线图。可见，工作面顶煤放出规律大致分为两个阶段，即顶煤初放阶段和工作面正常放煤阶段，但对于不同的放煤步距，工作面进入正常放煤阶段的时间节点不同。一刀一放时，工作面推进约10m后进入正常放煤阶段；两刀一放时，工作面推进约12m时进入正常放煤阶段；三刀一放时，工作面推进15m以后仍未进入正常放煤阶段。而且，不同的放煤步距下，顶煤的稳定放出率不同，由图可见，一刀一放、两刀一放、三刀一放时顶煤的稳定放出率分别为76%、66%、60%。

综合以上分析，当工作面放煤步距为1.6m，即两刀一放时，支架上方的顶煤运移效果达到理想，顶煤放出成功率最高、损失率最小。

2.4 放煤顺序影响分析

由分析可知，放煤步距直接影响着顶煤的放出成功率，同样，放煤顺序对顶煤的放出率也起着直接的影响。因此，在上文研究的基础上，分别研究顺序放煤和间隔放煤时的煤矸排出量，以此来分析放煤顺序对顶煤放出率的影响。

如图4所示为顺序放煤（1→2→3→4→5）和间隔放煤（1→3→5→2→4）时的支架放煤口煤矸放出量关系曲线图。可见，顺序放煤时，1～5号支架放煤口处的煤矸放出量呈整体下降趋势，5号放煤口煤矸放出体积仅为5.24m3，较1号放煤口降低了30.9%；而放煤工艺为间隔放煤时，除了2号放煤口放煤量较小外，1号和3～5号放煤口的放煤量均高于顺序放煤时放煤量，此时的工作面整体的放煤效果较好，顶煤放出成功率较高。

图4 顺序放煤和间隔放煤时的顶煤放出情况

3 放煤工艺优化分析

基于以上研究结果，对南阳坡矿8806综放工作面的放煤工艺进行优化，即对放煤方式及放煤顺序分别进行优化，将放煤步距由原先的一刀一放调整为两刀一放，放煤顺序由原先的顺序放煤调整为间隔放煤。同时，对优化工艺后的综放工作面进行试验段放煤效果监测。

如图5所示，以工作面优化前后各10架放煤支架的顶煤放出量为监测对象，对放煤步距和放煤工艺进行优化后，工作面顶煤放出率得到明显提高。优化前所监测的10架放煤支架顶煤平均放出率为64.2%，优化后的顶煤放出率为88.9%，同比增长了24.7%。且据工作面现场施工情况得知，工作面采用两刀一放处理顶煤时，不论从管理的角度还是操作的角度，均较为简便快捷。因此，此次优化对综放工作面的推进进度及顶煤回收率均有着明显的改善效果，可为相似综放工作面提供可靠的实际指导与参考价值。

图5 优化前后顶煤放出量对比

4 结论

（1）放煤步距过小则支架后方矸石易优先顶煤到达放煤口阻碍顶煤运移，放煤步距过大则大量顶煤易滞留于支架后方不易放出；

（2）间隔放煤与顺序放煤相比，前者对于工作面整体顶煤的放出效果更加明显；

（3）针对8806综放工作面，优化放煤步距和放煤顺序后，工作面顶煤平均放出率达到88.9%，较原先提升了24.7%。