连续采煤配套设备分析及开采工艺参数优化

郭二斗

（华阳集团一矿，山西 阳泉 045000）

引言

一直以来，我国煤矿煤层大部分采用粗放性开采，主要以长壁综合机械化开采为主，该种开采方式实施后会在工作面残留下部分煤柱和呈现不规则形态的块段煤等。为了避免上述残留煤的浪费，需发明适用于块段式煤炭的开采工艺。连续采煤工艺可应用于对块段式煤炭的开采其回采率大于60%[1]；但是该种采煤工艺在实践应用中存在顶板管理困难，由于还需留设较多的煤柱，存在煤炭资源回收率仍很低的问题。因此，针对块段式煤层的连续开采还需对其巷道布置、顶板管理等方面进行优化，最终实现安全、高效的开采。

1 工程概况

本文所研究煤矿设计的生产能力为12 Mt/a，所研究工作面的水平走向长度为98 m，倾斜工作面的走向长度为12 m，整个工作面的走向长度为110 m；以该工作面1#煤层的开采为例，该煤层所属工作面含水层的渗透系数为0.044 m/d，属于积弱富水含水层。经探测，该工作面的最大涌水量为30 m3/h，正常涌水量为15 m3/h，为其所配套的排水系统的最大排水能力为50 m3/h，即在排水方面满足要求。1# 煤层所属工作面的顶底板地质条件，如表1 所示。

表1 1#煤层工作面顶底板地质条件

此外，该工作面瓦斯的绝对涌出量为0.19 m3/min，瓦斯的相对涌出量为0.293 m3/t；该煤矿工作面属于低瓦斯工作面。

2 连续采煤的巷道布置及设备配套

2.1 连续采煤的巷道布置

针对走向长壁综合机械化开采后所形成的块段式煤层，本文提出采用连续采煤机对其进行开采，根据煤矿1#煤层工作面的特点，对其合理布置巷道的参数，如表2 所示。

表2 块段式煤层工作面所布置巷道的参数

2.2 连续采煤的设备配套

对于连续采煤工艺而言，可采用连续运输和间断运输两种方式对其综采设备进行配套。其中，基于连续运输方式配套采煤设备要求对巷道的断面面积较大对后期巷道的支护难度增大，不仅影响支护效果，而且还会影响开采的安全性[2]。基于间断运输方式配套并布置综采设备，其在实际生产中操作简答且方便，而且对巷道的适应能力强；同时，该种布置方式还有利于对顶板的管理和对片帮围岩的控制。

因此，本工程采用间断运输方式对综采设备进行布置，其对应的布置方式，如下页图1 所示。

图1 连续综采设备的布置示意图

3 连续采煤工艺参数的初选与优化

根据工作面实际情况设计合理的采煤工艺。鉴于连续采煤机块段式开采时对顶板管理的要求较高，因此，需要特别注意连续块段式采煤工艺的顶板控制设计。

3.1 连续采煤工艺参数的初选

3.1.1 支巷长度的确定

支巷的主要功能：作为综采设备运输的巷道，便于对其他巷道的维修等。支巷的长度主要与主巷的掘进长度相关，其与工作面掘进费、运输费以及维护费的系数相关[3]。综合该煤矿的实际情况，初步将支巷的长度设计为80～120 m。

3.1.2 煤房极限跨度的确定

煤房极限跨度主要与工作面岩层、煤层的特性参数相关，保证一定宽度的煤房具有适用于工作面顶板的抗拉强度。煤房极限跨度计算公式，如式（1）所示。

将该煤矿工作面的相关参数代入式（1）中得出，适用于块段式煤层开采煤房的极限跨度为9.53 m。即，煤房的跨度不能大于9.53 m；综合1#煤层工作面的特点，确定煤房的跨度为5～6 m。

同理，采用理论计算和经验计算的方式，确定隔离煤柱的留设尺寸为10 m，支巷的煤柱宽度设计为15～20 m 之间，采硐巷道所设计的刀间煤柱宽度为0.3～1.5m 之间即可。

3.2 连续块段式开采工艺参数优化设计

为了验证上述所设计的连续块段式开采工艺参数是否能够适用于块段式煤层的开采，并对设计的工艺参数进行优化[4]，本节将通过数值模拟分析进行优化。

3.2.1 煤柱稳定性数值模拟模型建立

结合“2”中所设计各个巷道的参数建立数值模拟仿真模型，所依据的参数如下：支巷宽度按照5.4 m计算，采硐巷道的回采宽度按照3.3 m 计算，工作面煤层的采高按照4.2 m 计算。所建立的模型及巷道布置，如图2 所示。

图2 数值模拟仿真模型

3.2.2 煤柱宽度参数的优化确定

煤柱宽度参数不仅影响煤层开采的安全性，而且对煤炭回采率的影响较大。因此，合理确定煤柱宽度尤为重要[5]。以刀间煤柱宽度为例，对0.5 m、1 m、1.5 m和2 m的刀间煤柱在实际开采中的破坏程度，是否能够保证对顶板的有效支撑进行仿真分析，进而得出最佳刀间煤柱宽度。鉴于篇幅有限，此处仅列出刀间煤柱宽度为2 m时的应力变化，如图3 所示。

图3 刀间煤柱宽度为2 m 时的应力变化

分析仿真结果可知：当刀间煤柱宽度为1.5 m 和2.0 m 时，煤柱受到开采动压的影响导致其被破坏，但并没有出现较为严重的拉伸破坏现象，其完整性保证工作面的安全生产。当刀间煤柱宽度为0.5 m 和1 m时，虽然煤柱发生了拉伸剪切破坏，但是煤柱还可处于塑性支撑的状态，可对顶板进行有效支护。

综上所述，为了兼顾工作面支护要求和资源回收率，最终确定刀间煤柱参数为0.5 m。同理，对应的保护煤柱宽度为10 m，联巷残留煤柱的宽度为1.5 m，大巷保护煤柱宽度为8～10 m 之间即可满足要求。

4 结语

传统采用走向长壁式开采方式会留下边角块煤柱，从而造成煤炭资源的浪费。为解决上述问题，本文提出基于连续采煤机实现对块段式煤层的开采，该开采工艺主要存在的问题为其顶板管理困难。本文结合实际生产中重点针对其安全开采完成了块段式煤层开采的巷道布置设计，并对关键煤柱参数设计进行优化。总结如下：

1）根据工作面情况，将巷道划分为支巷、联巷、采硐巷以及胶运输槽巷道等，并确定了巷道的相关尺寸；并采用间断运输方式完成其综采设备的布置，以保证生产效率，降低生产成本。

2）结合理论计算和数值模拟仿真手段尤其对煤柱宽度进行优化设计，其中刀间煤柱参数为0.5 m，保护煤柱宽度为10 m，联巷残留煤柱的宽度为1.5 m，大巷保护煤柱宽度为8～10 m。