采煤工作面放煤工艺参数的优化

2020-09-09 00:39宋晓波

山西化工 2020年4期

宋晓波

(山西潞安集团郭庄煤业有限责任公司，山西长治 046100)

引言

煤炭作为一种促使我国国民经济飞速增长的不可再生资源，在开采时应确保工作面的煤炭资源被充分开采，以免造成浪费。近年来应用于我国综采工作面的采煤技术和综采设备的自动化水平得到明显提升，但是仍然无法保证工作面的可开采煤炭被充分开采[1]。目前，应用于综采工作面的主要采煤方式为综合机械化放顶采煤。因此，需根据矿井地质、水文条件以及煤层特点对综采放顶工艺进行优化，达到充分、高效、快速开采煤层的目的。本文着重对采煤工作面放顶工艺参数进行优化。

1 工程概述

本文所研究矿井工作面煤层属于大倾角煤层，其倾角范围在35°～42°，平均倾角为37°，工作面位于地下48 m～68 m，工作面地表面为耕地无建筑物存在；该工作面上部为正在开采2#采煤工作面，下部为尚未开采的实煤体。该工作面上顺槽长度为560 m，下顺槽长度为520 m，倾斜煤层的平均长度为80 m，整个工作面的长度约为412 900 m3。该工作面煤层的回采率可达93%。

工作面地质条件：该工作面煤层的厚度为4.6 m，且煤层结构相对稳定，以亮煤为主。该工作面的顶底板地质情况如表1所示。

表1 工作面顶底板地质情况

工作面水文条件：该工作面的正常涌水量估计可达到6 m3/h，最大涌水量估计可达到25 m3/h。

工作面其他条件：该工作面瓦斯的相对涌出量为2.65 m3/t，其瓦斯的绝对涌出量为0.5 m3/min。因此，定义该矿井为瓦斯矿井，不适宜采用炮采放顶采煤工艺。除此之外，在实际开采过程中工作面的粉尘爆炸指数可达14.35%,存在一定的爆炸危险性。

经对该工作面地质、水文、瓦斯以及煤层等因素进行综合分析，拟定该工作面最适宜采用综合机械化放顶采煤工艺。本文将对该采煤工艺参数进行优化，由于该工作面含有80 m的大倾角煤层[2]。因此，需分别对倾斜长壁开采和走向长壁开采的放顶工艺进行优化。

2 倾斜长壁放顶煤工艺参数的优化

本文基于PFC2D数值模拟软件对综采条件下工作面顶煤的冒落形态和煤炭损失图形进行仿真分析，与此同时参考工作面煤炭的回收率和含矸率对放顶工艺参数进行优化。

2.1 仿真模拟方案的设计

影响综采工作面采出率的两个主要因素为放煤步距和采高。因此，对不同放煤步距和不同采高情况下工作面煤层的回收率和煤矸冒放状态进行分析[3]。其中，研究的放煤步距分别为0.6、1.2、1.8 m；采高分别为1.8、2.0、2.2 m。基于PFC2D所搭建的初始仿真模型如图1所示。

图1 倾斜工作面初始仿真模型

2.2 仿真结果分析

不同采高和放煤步距下工作面顶煤采出率的仿真结果如表2所示。

表2 不同采高、不同放煤步距下的采出率 %

如表2所示，当采高为2 m，放煤步距为0.6 m时自下而上采煤工艺下工作面的采出率最高，为93%；而当放煤步距为1.8 m，采高为2.2 m时工作面的采出率最小，仅为83%。造成上述现象的主要原因在于顶煤的厚度较小，导致大部分矸石混入煤中，进而使得过早见矸而结束[4]。此外，放煤步距过大导致顶煤还没完全放出来就有煤矸石混入其中，从而使得放煤提前结束。

不同采高和放煤步距下工作面顶煤含矸率的仿真结果如表3所示。

表3 不同采高、不同放煤步距下的含矸率 %

如表3所示，当放煤步距为1.8 m，采高为1.8 m时其含矸率最小，仅为0.7%；当放煤步距为0.6 m，采高为2.2 m时其含矸率最大。

综合分析，在考虑到经济效益和生产成本的基础上选择最优采煤工艺的放煤步距为0.6 m，采高为2.0 m。

3 走向长壁放顶煤工艺参数的优化

3.1 仿真模拟方案的设计

走向长壁放顶煤工艺参数的优化，同样基于PFC2D仿真软件对不同放煤步距和不同采高情况下工作面煤层的回收率和煤矸冒放状态进行分析[5]。其中，研究的放煤步距分别为0.6、1.2、1.8 m；研究对采高分别为1.8、2.0、2.2、2.4 m。基于PFC2D所搭建的初始仿真模型如图2所示。

图2 走向长壁工作面初始仿真模型

3.2 仿真结果分析

不同采高和放煤步距下工作面顶煤的采出率的仿真结果如表4所示。

表4 不同采高、不同放煤步距下的采出率 %

如表4所示，当采高为1.8 m，放煤步距为0.6 m时采煤工艺下工作面的采出率最高，为94.2%；而当放煤步距为1.8 m，采高为1.8 m时工作面的采出率最小，仅为80.0%。

不同采高和放煤步距下工作面顶煤含矸率的仿真结果如表5所示。

表5 不同采高、不同放煤步距下的含矸率 %

如表3所示，当放煤步距为1.8 m，采高为2.4 m时其含矸率最小，仅为0.8%；当放煤步距为0.6 m，采高为1.8 m时其含矸率最大。