煤礦開采工藝參數(shù)的優(yōu)化及試驗

王昱洲

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地礦，山西 太原 030022）

引言

煤礦開采效率直接決定整個煤礦的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)安全性，是企業(yè)關(guān)注的主要問題。影響煤礦開采效率的主要因素在于其該煤礦所采用的開采工藝是否與煤礦實際情況相匹配，開采工藝所配套的支護(hù)設(shè)計是否能夠保證煤礦的安全生產(chǎn)[1]。尤其是對于大傾角且煤層較厚的綜采工作面而言，確定開采工藝的可行性，并對開采工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并試驗研究后確定最佳開采工藝的思路非常重要。重點以16#大傾角厚煤層為實例開展上述研究。

1 工程概況

16#煤層工作面的平均煤層厚度為6.3 m，煤層的傾角范圍為1°～14°，平均傾角為5°；經(jīng)測量，該工作面煤層的平均容重為1.46 t/m3，工作面的頂?shù)装迩闆r，如表1 所示。

表1 16#煤層工作面頂?shù)装迩闆r

16#煤層工作面的總長度為2 353.53 m，工作面傾斜長度為297.46 m。目前，該工作面設(shè)計的開采高度為6 m，循環(huán)進(jìn)尺為0.865 m，工作面每天可推進(jìn)7 個循環(huán)尺。16#煤層工作面的斷面形狀為矩形，主要采用錨網(wǎng)基礎(chǔ)支護(hù)和錨索強(qiáng)化支護(hù)。16#煤層工作面在回采期間頂板的水主要以水滴和淋水的方式出現(xiàn)，主要以V 型含水量為主，但是對整個煤層的回采的影響不大。同時，16#煤層工作面屬于低瓦斯工作面，實際瓦斯涌出量僅為0.02 m3/min?，F(xiàn)場已經(jīng)配置了相應(yīng)的噴霧防塵裝置，且為保證工作面的安全生產(chǎn)加強(qiáng)對了其瓦斯及通風(fēng)情況的監(jiān)測。

2 工作面回采工藝參數(shù)的優(yōu)化

從工作面回采工藝的選擇和回采工藝參數(shù)的確定優(yōu)化兩方面開展研究。

2.1 工作面回采工藝方案的選擇

結(jié)合16#煤層綜采工作面的特點和開采條件，同時與國內(nèi)其他大傾角厚煤層工作面的開采為例，其可供選擇的開采工藝可包括有大采高一次采全厚綜采工藝、分層開采工藝以及放頂煤開采工藝三種。

其中，針對分層開采工藝應(yīng)用于16#煤層工作面，主要存在有巷道掘進(jìn)工作量大、開采容易冒頂、頂板管理困難、過斷層開采難度大、人工鋪網(wǎng)工作量大等問題。因此，16#煤層不宜采用分層開采工藝。

針對大采高一次全厚綜采工藝應(yīng)用于16#煤層工作面，主要存在煤壁片幫嚴(yán)重、丟煤嚴(yán)重的問題。因此，16#煤層工作面不宜采用大采高一次全厚綜采工藝[2]。

對于放頂煤開采工藝而言，其為當(dāng)前我國主流的開采工藝，可報考有走向長壁整層綜放、預(yù)采頂分層下放頂煤、傾斜分層放頂煤和水平分段綜放開采工藝。結(jié)合16#煤層工作面的開采條件，走向長壁整層綜放和水平分段綜放可滿足其要求。兩種放頂綜采工藝對應(yīng)的優(yōu)劣點，如表2 所示。

表2 長壁整層綜放和水平分段綜放開采工藝優(yōu)劣性對比

綜合對比長壁綜放和水平分段開采工藝的優(yōu)劣性，結(jié)合16#煤層工作面的開采條件，確定采用長壁綜放工藝對16#煤層進(jìn)行開采。

2.2 長壁綜放開采工藝參數(shù)的優(yōu)化

采放比的確定：應(yīng)用于16#煤層的合理放煤高度5.9 m，底分層采高為2.6 m；則對應(yīng)的最佳采放比為1∶2.27；

放煤間距的確定：在理論計算的基礎(chǔ)上要求放煤間距應(yīng)控制在1.377 m～2.754 m 之間；同時，16#煤層工作面的放煤高度為5.9 m 大于2.1 m 小于6.8 m，適用的最佳放煤間距為1.5 m。

放煤步距的確定：根據(jù)特厚煤層放煤步距計算的經(jīng)驗公式，并結(jié)合16#煤層的放煤高度參數(shù)，得出放煤步距的合理范圍為0.862 5 m～1.207 5 m[3]。

2.2.1 采放比的優(yōu)化

采放比主要與放煤高度相關(guān)，因此在放煤口邊長為0.5 m，放煤口間距為1.5 m 且放煤步距0.6 m 時，對放煤高度從3 m～8 m 變化時頂煤的放出率進(jìn)行對比，對比結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 頂煤放出率與放煤高度的關(guān)系

如圖1 所示，當(dāng)放煤高度為5 m～6 m 時對應(yīng)的頂煤放出率最高；同時，隨著放煤高度的增加對應(yīng)頂煤放出率增加；當(dāng)16#煤層工作面放煤高度為5 m～6 m時，對應(yīng)的采高范圍為2.5 m～3.5 m 時，則采放比應(yīng)控制在1∶1.43～1∶1.24 之間。

2.2.2 放煤間距的優(yōu)化

放煤間距與頂煤高度相關(guān)，不同放煤高度對應(yīng)不同放煤間距，對應(yīng)的矸石混入率，如表3 所示。

表3 不同放煤間距對應(yīng)矸石混入率

如表3 所示，當(dāng)放煤1.7 m 時對應(yīng)矸石的混入率最小。同時，當(dāng)放煤高度為5.9 m 時對應(yīng)的放煤間距的理論計算結(jié)果為0.2×5.9+0.5=1.68 m。

因此，最終確定放煤間距為1.68 m。

2.2.3 放煤步距的優(yōu)化

根據(jù)行業(yè)內(nèi)學(xué)者的研究成果可知：當(dāng)工作面頂煤高度位于4 m～6 m 時，放煤步距一般為放煤間距為一半。因此，16#煤層工作面的最佳放煤步距為0.84 m。

3 工程實踐驗證

結(jié)合上述研究，最終確定的開采工藝參數(shù)如下：采高為2.6 m，放煤高度為5.9 m，采放比為1∶2.27；放煤間距為1.68 m，放煤步距為0.84 m。但是考慮到實際情況確定的工藝參數(shù)應(yīng)在如下合理范圍之內(nèi)：采高應(yīng)控制在2.59 m～2.67 m 之間，放煤高度應(yīng)控制在5.83 m～5.91 m之間，放煤步距應(yīng)控制在0.8 m～0.84 m之間[4]。

結(jié)合上述工藝參數(shù)為其配置合理的綜采設(shè)備和支護(hù)方案后，在應(yīng)用半年內(nèi)的主要指標(biāo)參數(shù)，如表4所示。

表4 回采工藝參數(shù)優(yōu)化后的應(yīng)用指標(biāo)

如表4 所示，回采工藝參數(shù)后整個六個月生產(chǎn)期間頂煤回收率增加，產(chǎn)量和回采率均增加。

4 結(jié)語

針對大傾角厚煤層工作面的開采采用高效、合理且安全的開采工藝對于保證生產(chǎn)效率和安全性具有重要意義[5]。本文以16#煤層工作面為例重點對應(yīng)用于其的回采工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并對應(yīng)用效果進(jìn)行驗證，并總結(jié)如下：

1）16# 煤層工作面的適用的開采工藝為綜采放頂工藝中的長壁綜采工藝；

2）在工藝參數(shù)確定基礎(chǔ)上，優(yōu)化后的工藝參數(shù)如下：采高為2.6 m，放煤高度為5.9 m，采放比為1∶2.27；放煤間距為1.68 m，放煤步距為0.84 m。

3）經(jīng)實踐應(yīng)用，回采工藝優(yōu)化后工作面的平均日產(chǎn)量可達(dá)4 714.9 t，頂煤平均回收率為91.06%，平均回采率為93.36%。