阳煤集团一矿综放工作面最佳放煤参数研究

梁 勇

(华阳新材料科技集团有限公司 一矿，山西 阳泉 045000)

1 工程概况

阳煤集团一矿位于山西省阳泉市矿区红岭湾，主采的15号煤层埋深354.1～539.4 m，煤层倾角2～9°，平均倾角为4°，煤层厚度6.8～7.6 m，平均厚度6.24 m，煤层赋存稳定，可采指数为1.如表1所示，15号煤层上方覆岩依次为均厚3.54 m的泥岩及均厚14.41 m的石灰岩，下方岩层依次为均厚0.27 m的泥岩及均厚5.27 m的砂质泥岩。

表1 煤层顶底板岩性

阳煤集团主采的15号煤层厚度大，设计采用放顶煤开采工艺进行回采，为保证综放工作面回采率，需要确定最佳采放比及放煤步距[1-3]。

2 最佳放煤参数研究

根据阳煤集团一矿15号煤层地质条件，借助PFC数值模拟软件，建立数值模型，模型尺寸为长×高=41 m×11 m，其中煤层厚度设置为7.2 m，上方岩层厚度设置为3.8 m，为保证模拟效果，数值模型两侧10 m范围内煤岩体保持原始状态，并对左右边界设置约束，上边界为自由面，施加12.1 MPa，下边界模拟液压支架对煤体的挤压作用。模型使用的物理力学参数如表2所示，所建立模型如图1所示。为方便分析，模型中完全破碎的直接顶岩层以灰色颗粒表示，顶煤以黑色颗粒表示。

表2 煤岩层物理力学参数

图1 数值模型(m)

借助PFC数值模拟软件，分别对放煤高度为2 m、3 m和4 m，放煤步距为0.8 m、1.6 m和2.4 m进行模拟。

2.1 不同放煤高度

当放煤步距为0.8 m时，放煤高度为2 m、3 m、4 m时，工作面回采16 m，共计20个放煤步距时，顶煤放出量效果如图2所示。

如图2所示，每一种颜色都表示一个步距放出的顶煤，通过数值模拟不同放煤高度。结果表明：初次放煤时，放出的绿色颗粒近似一个缺角的椭球体，这个缺口是顶煤放落时被工作面放煤支架掩护梁切割形成的，往后再放煤时，顶煤就呈现出不规则的形态，大致为一个偏向于采空区的条带形。数值模拟结果显示，不同放煤高度，放煤量也不同，随着放煤高度的增大，条带越长，顶煤的放出量也越大。图中所示，黑色颗粒表示无法放出的顶煤，按照“见矸关窗”的原则[4-5]，在防止放出太多矸石的同时也会导致一部分顶煤无法放出。按照数值模拟结果显示，当放煤高度为2 m时，顶煤约有5 877.0 kg无法放出，顶煤损失量约为11.40%；当放煤高度为3 m时，顶煤约有7 815.6 kg无法放出，顶煤损失量约为12.49%；当放煤高度为4 m时，顶煤约有9 159.5 kg无法放出，顶煤损失量约为13.63%.结果表明，当放煤步距固定时，放煤高度为2 m时，顶煤损失量最小，即煤炭回收率最高。

2.2 不同放煤步距

借助PFC数值模拟软件，模拟当放煤高度为2 m时，放煤步距分别为0.8 m、1.6 m和2.4 m时，顶煤冒放效果如图3所示。

如图3所示，当放煤高度一定，不同放煤步距下，初次放煤，顶煤同样呈现缺角的椭球形，这个缺口是顶煤放落时被工作面放煤支架掩护梁切割形成的，往后再放煤时，顶煤就呈现出不规则的形态，大致为一个偏向于采空区的条带形。不同放煤步距，顶煤的条带面积并不相同。通过数值模拟发现，随着放煤步距的增大，放煤条带的宽度也越来越大，当放煤步距增大到2.4 m时，顶煤冒放形状接近于四边形的散状颗粒集合体。数值模拟结果如表3所示，当放煤步距为0.8 m时，顶煤约有5 877.0 kg无法放出，顶煤损失量约为11.40%；当放煤步距为1.6 m时，顶煤约有9 990 kg无法放出，顶煤损失量约为15.2%；当放煤步距为2.4 m时，顶煤约有12 930 kg无法放出，顶煤损失量约为18.8%.结果表明，当放煤高度固定时，放煤步距为0.8 m时，顶煤损失量最小，即煤炭回收率最高，见表3.

表3 不同放煤参数顶煤放出率

通过上述数值模拟可知，最佳放煤高度为2 m，最佳放煤步距为0.8 m，最佳割煤高度为4.24 m，采放比为2.12∶1.

3 现场试验

在阳煤集团一矿81403工作面进行现场试验，按照前述分析选取工作面配套设备。其中工作面采煤机选取MG620/1540-WD型采煤机，液压支架选用ZFY12000/23/34D型放顶煤液压支架，刮板输送机选用SGZ1000/2000型刮板输送机。工作面采用综合机械化低位放顶煤一次采全高采煤工艺，工作面每割一刀煤放一部顶煤，实行“一采一放，追机放顶煤”的作业方式。工作面采高控制在4.0 m，顶煤厚度2.24 m，采放比2.12∶1.割一刀煤、移一次架、推前溜、放一茬顶煤、收后溜、移一次端头架；机尾回柱放顶为一个正规循环，循环进度0.8 m.

采煤机自开缺口斜切进刀，斜切进刀距离为20 m.使用SL-750型双滚筒采煤机双向割煤，滚筒截深0.8 m，往返一次进两刀。采煤机司机应随时调整滚筒高度，保证采高且不割底，采煤机牵引速度不得超过3 m/min.采煤机在割煤时将大部分煤装入前部刮板输送机，剩余煤在推移前部刮板输送机过程中，前部刮板输送机上的铲煤板将煤装入前部刮板输送机；顶煤由放顶煤工操作放煤键盘，使支架后尾梁和尾梁插板配合动作，将顶煤落入后刮板输送机。通过现场监测，当放煤高度为2 m，放煤步距为0.8 m时，煤层回收率可达88.5%，经济效益良好。

4 结 语

阳煤集团一矿主采的15号煤层厚度较大，拟采用放顶煤开采工艺进行回采，为保证回收率，采用理论分析及数值模拟的方法确定了最佳放煤高度为2 m，最佳放煤步距为0.8 m，并结合现场地质条件，确定了工作面采煤机、液压支架、乳化液泵站及刮板输送机的型号和技术参数。通过在阳煤集团一矿81403工作面进行现场试验，放煤效果良好，煤炭回收率可达88.5%，现场经济效益良好。