王瑞杰

(霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司 龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200)

隨著煤層傾角的增大，頂板巖層各向異性愈發(fā)明顯，導(dǎo)致工作面回采過(guò)程中頂板巖層的變形與垮落與水平煤層具有較大的差別，尤其是綜放工作面，由于煤層開(kāi)采高度較大，更增大了工作面回采的難度[1-3]。因此，對(duì)于傾斜煤層放頂煤開(kāi)采，放煤參數(shù)設(shè)計(jì)尤為重要，一旦放煤參數(shù)不合理，不但影響煤炭資源回收率，還易引發(fā)安全事故[4-5]。本文以龐龐塔煤礦為工程背景，對(duì)傾斜煤層綜放工作面放煤參數(shù)進(jìn)行分析研究。

1 工程背景

龐龐塔煤礦是隸屬于霍州煤電集團(tuán)的大型礦井，位于山西省呂梁市臨縣木瓜坪鄉(xiāng)吉家莊村。目前主采的9號(hào)煤層厚度為11.8 m，煤層傾角為15～36°，平均傾角25°，屬傾斜煤層。9號(hào)煤層偽頂為0.1～1 m的炭質(zhì)泥巖，直接頂為5～7 m泥質(zhì)灰?guī)r，老頂為6～9 m的砂質(zhì)泥巖，直接底為1～2 m的泥巖，老底為1～3 m的細(xì)粒砂巖,如表1所示。

表1 9號(hào)煤層頂?shù)装?/p>

9號(hào)煤層設(shè)計(jì)采用放頂煤開(kāi)采工藝進(jìn)行回采，由于煤層傾角較大，在安全回采的前提下，為保證煤炭資源回收率需對(duì)放煤參數(shù)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

2 放煤參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)煤炭資源回收率影響最大的兩個(gè)放煤參數(shù)分別為采放比及放煤步距。本文采用PFC數(shù)值模擬軟件以龐龐塔煤礦9號(hào)煤層為工程背景，建立數(shù)值模型，龐龐塔煤礦9號(hào)煤層及其頂板巖層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 9號(hào)煤層及其頂板巖層物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬如圖1所示，煤層厚度為11.8 m，頂板巖層厚度為23 m，傾角為25°，初始狀態(tài)下，所有顆粒均為自然平衡狀態(tài)。

圖1 數(shù)值模型

根據(jù)龐龐塔煤礦地質(zhì)條件及現(xiàn)有裝備水平，本次模擬對(duì)采高和放煤步距分別為3.0 m、3.2 m、3.4 m和0.8 m、1.6 m、2.4 m條件下，頂煤冒放情況進(jìn)行分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采情況，工作面回采過(guò)程中，頂煤自然垮落，為限制含矸率，設(shè)置為見(jiàn)矸關(guān)門。

當(dāng)采高為3.0 m，不同放煤步距條件下，頂煤損失如圖2所示。

圖2 采高3.0 m不同放煤步距頂煤損失情況

如圖2所示，在采高為3.0 m條件下，當(dāng)放煤步距為0.8 m時(shí)，除了前幾次由于頂煤冒放過(guò)程中混入矸石導(dǎo)致頂煤放出量較小以外，整體來(lái)看，頂煤回收率為92.78%，損失量較??；當(dāng)放煤步距為1.6 m時(shí)，同樣是前兩次放煤效果較差，經(jīng)分析可知，頂煤及矸石均為松散顆粒，在初始放煤階段，頂煤還未完全放出時(shí)，上部矸石顆粒就已到達(dá)放煤口，由于見(jiàn)矸關(guān)門的設(shè)置，導(dǎo)致頂煤放出量較低，隨著工作面推進(jìn)，煤矸分界線逐漸清晰，放煤效果就較為理想了，此時(shí)頂煤回收率為90.73%，頂煤損失量不大；當(dāng)放煤步距為2.4 m時(shí)，初始階段頂煤放出量?jī)?yōu)于放煤步距為0.8 m和1.2 m，這是由于放煤步距較大，頂煤顆粒占據(jù)了采空區(qū)大量空間，矸石顆粒較少，因此初始階段頂煤放出量較大，隨著工作面不斷推進(jìn)，煤矸分界線并不清晰，導(dǎo)致后續(xù)頂煤放出效果較差，頂煤回收率為84.99%，頂煤損失量較大。

當(dāng)采高為3.2 m時(shí)，不同放煤步距條件下，頂煤損失如圖3所示。

圖3 采高3.2 m不同放煤步距頂煤損失情況

如圖3所示，同樣是放煤初始階段頂煤放出量較差，后續(xù)煤矸分界線逐漸清晰，頂煤放出量明顯提高。當(dāng)放煤步距為0.8 m時(shí)，頂煤放出量較大，頂煤回收率可達(dá)94.46%，頂煤損失量較小；當(dāng)放煤步距為1.6 m時(shí)，隨著放煤步距增大，初始階段，放煤量與放煤步距為0.8 m相比有所提升，但是在末采階段隨著矸石的混入，頂煤放出量較少，整體來(lái)看頂煤回收率為87.58%，頂煤損失量較大；當(dāng)放煤步距為2.4 m時(shí)，放煤的初始階段頂煤放出量較為理想，但后續(xù)隨著矸石的混入，頂煤放出量較低，整體來(lái)看，頂煤回收率為86.22%，頂煤損失量較大。

當(dāng)采高為3.4 m時(shí)，不同放煤步距條件下，頂煤損失如圖4所示。

如圖4所示，當(dāng)采高為3.4 m，放煤步距為0.8 m時(shí)，頂煤回收率為89.96%，頂煤損失量較大；放煤步距為1.6 m時(shí)，頂煤回收率為84.69%，頂煤損失量較大；放煤步距為2.4 m時(shí)，頂煤回收率僅為82.94%，頂煤損失量較大。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)采高為3.4 m時(shí)，無(wú)論放煤步距為多少，頂煤回收率均不理想，頂煤損失量較大。這是因?yàn)殡S著采高的增大，在工作面回采過(guò)程中，煤炭分界線并不清晰，而且上方頂煤厚度相對(duì)較小，導(dǎo)致頂板矸石極易混入頂煤，從而降低頂煤回收率。

圖4 采高3.4 m不同放煤步距頂煤損失情況

綜上所述，不同采高、不同放煤步距條件下頂煤回收率如表3所示，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，最佳采高為3.2 m，最佳放煤步距為0.8 m.

表3 不同采高不同放煤步距條件下頂煤回收率

考慮到放頂煤采煤工藝本身的特點(diǎn)，頂煤損失主要由初采損失、末采損失、端頭損失、工藝損失和底煤損失組成，因此提出以下措施降低頂煤損失量：

1) 減少工藝損失。放頂煤工藝損失發(fā)生在放頂煤過(guò)程中，合理的放頂煤程序，即按照垮落頂煤的移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行放煤，即可將工藝損失減少到最低限度。當(dāng)頂煤不能一次垮落時(shí)，采用多輪放煤可以給上位頂煤提供足夠的垮落空間和時(shí)間，從而可以保證頂煤充分垮落，不至于造成部分頂煤丟失在采空區(qū)。

2) 減少末采損失。末采期間，為保證采場(chǎng)空間圍巖穩(wěn)定性及安全撤架，采用留頂煤收尾方法，即根據(jù)頂煤穩(wěn)定性，距停采線10～20 m開(kāi)始不放頂煤，以頂煤為頂板進(jìn)行設(shè)備回撤。

3) 減少底煤損失。根據(jù)工作面煤層賦存條件，合理調(diào)整層位，盡可能不留底煤。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

按照上述設(shè)計(jì)方案在龐龐塔煤礦9-301工作面進(jìn)行試驗(yàn)，9-301綜放工作面采高為3.2 m，放煤高度為8.6 m，采放比為1∶2.69，放煤步距為0.8 m，一采一放，采用單輪順序放煤方式。工作面采用端部斜切進(jìn)刀雙向割煤方式，生產(chǎn)工序如圖5所示，采煤機(jī)機(jī)頭斜切進(jìn)刀，采煤機(jī)完成機(jī)頭斜切進(jìn)刀后，將前部輸送機(jī)推向煤壁，上行割煤，采煤機(jī)機(jī)尾斜切進(jìn)刀，將輸送機(jī)推向煤壁，采煤機(jī)向下割煤。

圖5 9-301工作面生產(chǎn)工序

當(dāng)采煤機(jī)開(kāi)始割煤后，滯后移架工序4架的距離，開(kāi)始放頂煤工序，從工作面一端開(kāi)始，順序打開(kāi)支架放煤口進(jìn)行放煤，并與移架的順序相一致，一次最多同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)支架放煤口。為了減弱直接頂和老頂初次來(lái)壓時(shí)對(duì)支架的沖擊，初采20 m以內(nèi)不進(jìn)行放煤。當(dāng)工作面回采20 m后，開(kāi)始放煤，放煤時(shí)，先收回支架放煤插板，然后操作尾梁千斤頂，使尾梁擺到適當(dāng)位置，以便能使頂煤直接流入后部輸送機(jī)。反復(fù)升降支架尾梁，使頂煤與直接頂離層、破碎，從而通過(guò)尾梁處流入后部輸送機(jī)中。在反復(fù)升降支架尾梁時(shí)，應(yīng)密切注意支架前梁上部頂板狀況。若出現(xiàn)頂板破碎等情況，應(yīng)立即停止放煤，并對(duì)支架進(jìn)行補(bǔ)液，確保頂板安全。放煤過(guò)程中，如遇大塊煤矸，可使用尾梁、插板對(duì)其進(jìn)行破碎。見(jiàn)矸量較大時(shí)，升起尾梁、伸出插板停止放煤，完成放煤工作。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)采高為3.2 m，放煤步距為0.8 m時(shí)，頂煤回收率可達(dá)92.1%，含矸率僅為5.9%，表明上述放煤參數(shù)合理可行。

4 結(jié) 語(yǔ)

確定了龐龐塔煤礦9號(hào)煤層放頂煤工作面最佳采高為3.2 m，最佳放煤步距為0.8 m；提出了專項(xiàng)措施用于減少9-301工作面頂煤損失量；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，頂煤回收率可達(dá)92.1%，含矸率僅為5.9%，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。