放顶煤回采工艺参数及设备选型

祖海军

(晋能控股煤业集团同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037003)

引 言

综采工作面回采工艺参数的合理与否将直接决定其生产能力、回采率和生产成本。因此，综采工作面工艺参数的合理确定对煤矿企业尤为重要。目前，我国煤矿已经初步实现了综合机械化生产，与传统采煤相比安全性和回采率得到显著提升。我矿主要采用分层机械化回采工艺，在实际应用中存在巷道准备工作量大，后期对巷道的维护成本高、难度大等问题[1]。为解决当前分层机械化回采工艺成本较高的问题，将对其回采工艺进行优化，并完成对应综采设备的选型。

1 工程概况

本文以某煤矿215021工作面为研究载体，该工作面的走向长度为1 090 m。对不同预应力锚杆支护效应进行对比研究，需全面掌握该工作面顶底板情况。经探测得出，215021的顶底板情况，如表1所示。

表1 215021工作面顶底板情况

根据215021工作面围岩的稳定性将其分为四类，分别为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类。其中，Ⅰ类围岩属于稳定性围岩，位于巷道顶板2 m的位置内；Ⅱ类围岩属于中等稳定性围岩，位于巷道顶板2 m～4 m的位置内；Ⅲ类围岩属于不稳定围岩，围岩巷道顶板4 m～6 m的位置内；Ⅳ类围岩属于极不稳定围岩，位于巷道顶板6 m的范围之内[2]。经探测，215021工作面煤层的总体走向为40°～60°，倾角范围为7°～12°；煤层工作面的走向长度为260 m，其中包括倾斜工作面的走向长度为174 m，煤层平均厚度为10.48 m。

2 工作面放顶煤回采工艺及设备选型

经对215021工作面煤层、地质以及水文条件的进一步探测，并结合周围工作面的生产经验可得：可对该工作面采用放顶煤的回采工艺，并通过煤层注水和顶煤预裂的方式对工作面的顶煤进行弱化操作。根据215021工作面周围31031工作面的放煤经验，其对应每个放煤时间约为2.5 min，则在一个循环中放煤需要的总时间为2.5×90(台液压支架)=225 min；31031工作面所实际运行中共有两个放煤口同时进行放煤操作，则在每个循环所需的放煤时间为225÷2=112.5 min。

因此，对于31031工作面而言在三班倒的工作制度中，每班均可完成2个循环，每天可完成4个循环操作。结合215021工作面的走向长度，拟采用31031工作面的采煤机等生产能力参数，初步确定215021工作面的年产量可达1.9 Mt。

2.1 回采工艺参数的确定

2.1.1 采放比的确定

对于放顶煤开采工艺而言，煤炭的开采率由采煤机破煤所采出煤炭的量和放顶操作所放出煤炭的量两部分组成。所谓采放比指的就是采煤机破煤所采出煤层的高度和放顶操作所放出煤炭煤层高度的比值。根据《煤炭安全规程》的相关规定可知，对于放顶煤开采工艺要求采放比不得大于1∶3。实践表明，随着采煤高度的增加对应放煤高度就会减小，从而可提升工作面煤层的回收率，整体提升工作面的回采效率；但是，采煤高度的增加从另一个方面分析还会增加工作面的矿山压力，从而对液压支架以及采取支护手段的要求越高[3]。

2.1.1.1 采煤高度的确定

所谓采煤高度指的是其割煤高度，在实际生产中要求采煤机割煤高度需与其破煤速度相匹配；需根据工作面的通风要求综合确定；需保证工作面有合理的生产空间。目前，国内工作面的采煤高度一般可取2.5 m～3.6 m。综合215021工作面的地质、煤层以及水文等条件，最终确定采煤高度为3 m[4]。

2.1.1.2 放煤高度的确定

对于同一个生产工作面而言，放煤高度与采煤高度的和为该工作面的煤层厚度。经探测可知，215021工作面煤层的平均厚度为10.58 m，则对应放煤高度为10.58-3=7.58 m。

因此，对于215021工作面而言其采放比=3/7.58=1/2.5。

2.1.2 放煤步距的确定

所谓放煤步距指的是，前一次与后一次循环之间工作面推进的距离。一般的，放煤步距的确定需综合考虑采煤机的截割深度，以确保其能够与工作面对应的采煤工序相配。目前，应用于我矿采煤机的截割深度为0.8 m，而且在实际应用中普遍存在放煤方式包括有采一放一、采二放一，以及采三放一等。因此，本节将基于PFC数值模拟软件采放比为1:1.5时，对应放煤步距分别为0.8 m、1.6 m以及2.4 m的回采效果进行对比分析。经数值模拟分析结果，如表2所示。

表2 不同放煤步距对应的回采率

不难看出，随着放煤步距的增加对应工作面的实际放煤量在不断减小，其对应回采率也在不断降低。因此，为了保证综采工作面的回采率最大，将最佳放煤步距确定为0.8 m。

2.1.3 放煤方式的确定

工作面放煤方式根据其实际采用放煤口的刷领、放煤的顺序以及放煤量的不同可组成多样的放煤方式[5]。目前，与215021工作面相邻工作面主要以单轮间隔放煤、单轮顺序放煤以及多轮顺序放煤三种放煤方式为主。因此，将基于PFC数值模拟软件对不同放煤方式下对应放出率进行对比分析。经数值模拟分析结果，如表3所示。

表3 不同放煤方式对应放出率

如表3所示，当采用多轮顺序放煤方式时对应顶煤的放出率最大为95.3%，当采用单轮顺序放煤方式时对应顶煤的放出率最小为87.1%。因此，为了提高综采工作面煤炭的利用率，可采用多轮顺序放煤方式。

2.2 设备选型

综采工作面设备选型主要是对工作面“三机”设备的选型，包括有采煤机、液压支架和刮板输送机。

2.2.1 采煤机的选型

对于215021工作面而言，最佳截割高度应为3 m，结合上述所确定的采放比为1/2.5，并综合考虑该工作面采煤机与其他工作面采煤机的通用性，将滚筒的直径确定为1.8 m～2.4 m。

经理论计算，要求所选型采煤机的最大落煤量不得小于761 t/h，截割功率不得小于1 152 kW。因此，综合分析最终选择采煤机的截割功率为1 200 kW，对应滚筒的直径为2 m。

2.2.2 液压支架的选型

液压支架选型的关键依据为工作面所需支护的高度和液压支架的工作阻力。结合上述所确定回采工艺的放煤高度为7.58 m以及工作面围岩、煤层以及地质等条件，最终得出液压支架的工作阻力不得小于1.1 MPa。此外，结合该工作面的采煤高度，将液压支架的最低支护高度确定为1.8 m，对应最高支护高度为3.5 m。

2.2.3 刮板输送机的选型

刮板输送机需与采煤机、原因支架等相配套，其关键参数为运输能力。结合采煤机的截割深度、采煤高度与该放顶回采工艺的回采率等指标，确定刮板输送机的运输能力不得小于782 t/h。

3 结语

综采工作面生产的安全性、成本以及效率在一定程度上与其所采用回采工艺的相关参数有关。为解决215021工作面原分层机械化开采时存在巷道准备工作量大、维护成本高以及回采率低的问题，对其放顶煤回采工艺参数综合确定，最后确定放顶回采工艺中关键参数如下：采放比为1/25,放煤步距为0.8 m，放煤方式为多轮顺序；并要求所选型采煤机的截割功率为1 200 kW，液压支架工作阻力为1.1 MPa，刮板输送机运输能力最小为782 t/h。