固庄煤业综放工作面合理放煤工艺研究

薛武涛

(山西省阳泉固庄煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000)

1 工程概况

固庄煤业15708工作面位于15号煤层七采区东翼，煤层平均煤厚为6.75 m，煤层倾角为3～5°，煤层含夹矸2～3层，夹矸厚度多在0.05～0.15 m，赋存稳定。煤层顶底板情况如表1所示。

表1 煤层顶底板结构

15708工作面走向长度为400 m，倾向长度为138 m，工作面西部为15701、15702工作面采空区，东部和南部为邓家峪小煤窑破坏区，北部为15303、15304工作面采空区。工作面巷道沿煤层底板布置，采用综合机械化放顶煤方法开采，其机采高度为2.4 m，放顶煤高度为4.35 m，采放比为1∶1.7，顶板管理采用全部垮落法。为尽可能地提高15708综放工作面的顶煤回收率，需对其合理的放煤工艺展开研究。

2 放煤工艺数值模拟分析

2.1 合理放煤步距

1) 模拟方案。根据15708工作面实际赋存条件，采用PFC2D颗粒流模拟软件建立模型，其中机采高度为2.4 m，放顶煤高度为4.35 m，采放比为1∶1.7.在纵向上用不同颜色的颗粒将顶煤进行分层，便于后续分析。模拟时采用平行黏接本构，根据煤岩体物理力学试验对煤层及顶板矸石层进行赋参，如表2所示。

表2 煤岩体参数

模拟中通过wall单元建立支架并模拟放煤过程，共设置三个方案，分别为一采一放、两采一放及三采一放，由于采煤机截割深度为0.6 m，则三种方案的放煤步距分别为0.6 m、1.2 m及1.8 m.模拟结束后，通过命令对三种放煤步距下放出的顶煤量及含矸率进行量化统计(按颗粒数量统计顶煤及矸石的放出量)。

2) 模拟结果分析。三种放煤步距推进放煤后的煤矸分界线特征如图1、图2和图3所示。可知，当放煤步距为一采一放时，矸石大部分堆积在底板，由于步距较小，矸石容易混入放煤口，造成含矸率较高；当放煤步距为三采一放时，步距较大，部分顶煤来不及放出便被遗留进采空区，造成顶煤回收率降低；而放煤步距为两采一放时的煤矸分界线较均匀，且界面明显，放煤效果要优于一采一放及三采一放。

图1 一采一放模拟结果

图2 两采一放模拟结果

图3 三采一放模拟结果

三种放煤步距下的顶煤放出量及含矸率统计结果如表3所示。一采一放的顶煤回收率为76.1%，三采一放的顶煤回收率为68.6%；而两采一放的顶煤回收率最高，为80.2%，较一采一放及三采一放分别提高了4.1%、11.6%.同时，一采一放时的含矸率最高，为10.5%，而两采一放及三采一放的含矸率基本相差不大。因此，确定出合理的放煤步距为两采一放(1.2 m).

表3 不同放煤步距放煤量统计结果

2.2 合理放煤方式

放煤方式是放煤工艺中最复杂的工序，主要包含了放煤顺序、放煤量、放煤次数以及同时打开的放煤口数量等。其中放煤顺序又分为顺序放煤及间隔放煤，放煤次数又分为单轮放煤、双轮放煤及多轮放煤，同时打开的放煤口数量分为单口打开放煤及多口分段放煤等。由于在实际生产中，放煤量无法精确控制，而多口分段放煤管理难度较高，因此在研究合理放煤方式时，只对放煤顺序及放煤次数进行分析，根据矿井以往的生产经验确定出三种放煤方式，分别为：单轮间隔放煤、双轮间隔放煤及双轮顺序放煤。

1) 模拟方案。采用PFC2D模拟软件建立模型，同时布置12个支架(1号～12号)，模拟工作面倾向方向的放煤过程，三种方案的具体步骤如下：

方案一：单轮间隔放煤。先打开支架编号为单数的支架放煤口进行放煤，放煤口见矸后停止放煤，随后打开编号为双数的支架放煤口，将上一段遗留的脊煤放出。

方案二：双轮间隔放煤。先依此打开单号支架的放煤口(1号、3号、5号，…，)进行放煤，一次放煤量为顶煤的1/2，随后依此打开双号支架的放煤口(2号、4号、6号，…，)进行第二轮放煤，也只放出顶煤的1/2，再按此步骤重复一轮，见矸停止。

方案三：双轮顺序放煤。支架按顺序依此进行放煤，第一次的放煤量为顶煤的1/2，第一轮结束后，进行第二轮依此放煤，将顶煤全部放出，见矸关闭放煤口。各方案模拟结果如下：

单轮间隔放煤时，煤矸分界线下沉不均匀，不规则，这是由于单号支架放煤时，带动双号支架上方的顶煤向两侧滑动并形成了脊煤不易放出，导致双号支架放煤时混矸严重，提前结束放煤，进而造成顶煤回收率偏低。

双轮顺序放煤时的煤矸分界线下沉均匀，且分界线较圆滑，放煤效果也较理想。

双轮间隔放煤，放出顶煤1/2的量时，煤矸分界线下沉较均匀，但第二轮放完单号支架上方的顶煤后，双号支架上方的矸石基本达到了放煤口，导致双号支架放煤时提早见矸而停止放煤，使得顶煤回收率偏低。

三种放煤方式的顶煤放出量及含矸率统计结果如表4所示。单轮间隔放煤的效果最差，双轮顺序放煤的顶煤回收率最高且含矸率最低，分别为73.3%、8.9%.

3 现场工程实践

根据数值模拟结果确定出合理的放煤工艺为两采一放、双轮顺序放煤，按此工艺指导15708综放工作面的现场生产试验，并统计放煤量及含矸率。现场试验时长为15 d，工作面推进长度为70.2 m，顶煤的平均回收率为86.4%，工作面平均回收率为90.68%，含矸率为12.53%，放煤效果较理想，取得了良好的经济效益。

表4 不同放煤方式放煤量统计结果

4 结 语

通过PFC2D模拟软件分析了固庄煤业15708综放工作面的合理放煤工艺。模拟结果表明：放煤步距为两采一放时的顶煤回收率最高，而一采一放时混矸严重，三采一放时采空区遗煤较多；双轮顺序放煤的顶煤回收率最高，且含矸率最低。现场试验结果表明，采用两采一放及双轮顺序放煤的工艺后，工作面平均回收率为90.68%，顶煤的平均回收率为86.4%，含矸率为12.53%，放煤效果较理想。