宣鵬云

(山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長治 046000)

綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝作為我國厚煤層開采的主要方法一直被許多礦區(qū)廣泛應(yīng)用。決定工作面是否能夠采用放頂煤開采，頂煤冒放性無疑是最主要的影響因素[1]。而影響頂煤冒放性除了煤層本身的賦存條件外，工作面開采工藝參數(shù)也是主要的影響因素，選擇合理的工藝參數(shù)對于提高頂煤放出率，提升礦井資源回收率，增加礦井經(jīng)濟(jì)效益有積極的推動(dòng)作用[2-3]。本文以三元煤業(yè)4301綜合機(jī)械化放頂煤工作面開采為背景，對工作面頂煤冒放性進(jìn)行了分析，并對綜放工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，為工作面高產(chǎn)高效提供了技術(shù)保障。

1 工程概況

三元煤業(yè)目前主采3號煤層，4301綜放工作面位于該礦3號煤層四盤區(qū)，工作面煤層平均厚度7.37 m，傾角1～3°，平均埋深368 m，賦存穩(wěn)定。工作面傾向長度220.5 m，走向長度689 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤工藝進(jìn)行開采。煤層基本頂為砂泥巖互層，平均厚度13.85 m，深灰色，厚層狀，緩波狀層理；直接頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度11.03 m，中部有0.1 m含砂質(zhì)；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度10.21 m，灰色，厚層狀，緩波狀層理夾泥質(zhì)條紋。采用149組ZF5400/17/32型支架對工作面進(jìn)行支護(hù)。

2 頂煤冒放性分析

煤層自身存儲(chǔ)條件，例如厚度、埋深、夾矸、頂?shù)装鍘r層性質(zhì)等地質(zhì)因素對工作面頂煤冒放性產(chǎn)生直接影響。本文引入模糊評價(jià)函數(shù)對煤層賦存條件進(jìn)行綜合性評價(jià)，采用該種評價(jià)方式的主要特點(diǎn)是評價(jià)結(jié)果不是絕對的肯定或否定，而是以一個(gè)模糊集合來表示，如下：

(1)

式中：bj為綜合評價(jià)值；Wi為多因素權(quán)重；γi評價(jià)因素指標(biāo)隸屬度矩陣。

由公式(1)可知，影響頂煤冒放性評價(jià)指標(biāo)的主要因素就是各指標(biāo)隸屬度，4301工作面主要考慮煤層埋深與煤層強(qiáng)度、工作面采放比、煤層節(jié)理裂隙等對頂煤冒放性的影響。根據(jù)4301工作面地質(zhì)條件可知，工作面埋深368 m，煤層單軸抗壓強(qiáng)度為10.5 MPa，煤層普氏系數(shù)f=1.05，采放比1∶1.63，煤層節(jié)理裂隙間距平均0.2 mm。根據(jù)表1～表3，可得出各評價(jià)因素的指標(biāo)隸屬度為：

煤層埋深與煤層強(qiáng)度對頂煤冒放性隸屬度值：H/RC=368/10.5=35.05，γ1=0.9；

工作面煤層普氏系數(shù)f=1.05，采放比1∶1.63，因此采放比對頂煤冒放性隸屬度值γ2=0.9；

煤層節(jié)理裂隙對頂煤冒放性隸屬度值γ3=0.85。

表1 煤層埋深與強(qiáng)度之比對頂煤冒放性隸屬度關(guān)系

表2 采放比對頂煤冒放性隸屬度關(guān)系

表3 煤層節(jié)理裂隙間距對頂煤冒放性隸屬度關(guān)系

根據(jù)我國綜放工作面生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合4301工作面賦存條件，開采深度與煤層強(qiáng)度之比、工作面采放比、煤層節(jié)理裂隙對頂煤冒放性的影響權(quán)重Wi按照0.45，0.28，0.27進(jìn)行分配。因此4301綜放工作面頂煤冒放性綜合評價(jià)值為：

b=W1·γ1+W2·γ2+W3·γ3=0.89。

根據(jù)頂煤冒放性綜合指標(biāo)(表4)，4301綜放工作面頂煤冒放性屬于Ⅱ類，因此選擇在4301工作面采用放頂煤工藝方法可行。

3 主要回采工藝參數(shù)確定

3.1 采放比的確定

使頂煤在礦山壓力和自重作用下，發(fā)生松動(dòng)、破壞直至充分垮落是綜放開采的前提。頂煤垮落高度由煤層自身的碎脹系數(shù)和工作面采高決定，如果采高選擇較大，頂煤留設(shè)較薄，放煤時(shí)間縮短，極易混入矸石，增加采出煤炭的含矸率；如果采高選擇較小，頂煤留設(shè)較厚，可能導(dǎo)致部分頂煤無法垮落，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此綜放工作面選擇合理采放比對于工作面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效至關(guān)重要。計(jì)算4301綜放工作面采放比按照以下公式進(jìn)行：

h=h＇/(k-1)

(2)

式中：h為頂煤厚度，m；h＇為工作面采高，m；k為煤層的碎脹系數(shù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測定，3號煤層的碎脹系數(shù)為1.40～1.60，4301工作面煤層厚度為7.37 m，因此工作面合理的頂煤厚度為4.61～5.26 m，采高為2.1～2.8 m，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，工作面采高選擇2.8 m，放頂煤厚度4.57 m。

3.2 放頂間距的確定

放煤間距指的是兩臺(tái)放煤支架之間的距離，由于在頂煤冒放過程中會(huì)在放煤口附近形成“脊背煤”，放煤間距直接決定了“脊背煤”范圍的大小，從而間接決定了煤炭損失量的多少。因此根據(jù)放頂煤橢球體理論[4]可知(圖1)，如果放煤間距D為橢球體短軸長度2b時(shí)，放煤時(shí)間較長，支架后方放煤口處易形成放煤漏斗間的“脊背”現(xiàn)象，即煤炭損失會(huì)很大,見圖1(a)；如果放煤間距D為橢球體短軸長度的一半即b時(shí)，放煤時(shí)間較短，雖然煤炭損失量小，但是第1次放煤漏斗中的矸石會(huì)混入，采出煤炭的含矸率會(huì)增加，見圖1(b)，因此合理的放煤間距D應(yīng)該為：b

圖1 放煤橢球體理論示意

根據(jù)橢圓偏心率計(jì)算公式可以推導(dǎo)出[5]：

(3)

式中：m，n為試驗(yàn)常數(shù)定值，m取0.985，n取-0.85；h為頂煤厚度，m。

三元煤業(yè)4301綜放工作面合理的放煤間距D為1.19～2.38 m，考慮到工作面支架中心距為1.5 m，因此工作面放煤間距確定為1.5 m。

3.3 放頂步距的確定

放頂步距的合理選擇對于提高綜放工作面煤炭回收率影響較大，放煤步距較大，支架放煤口上方矸石會(huì)優(yōu)先到達(dá)放煤口造成煤炭損失量增加，如圖2(a)所示；放煤步距較小，支架后方采空區(qū)矸石會(huì)優(yōu)先到達(dá)放煤口，造成采出煤炭的含矸率增加，如圖2(b)所示。因此必須對放頂步距進(jìn)行合理的選擇。

圖2 不同放頂步距下煤炭損失

根據(jù)我國放頂煤工作面經(jīng)驗(yàn)公式[6]可得：

L=(0.15～0.21)h-h1

(3)

式中：L為放頂步距，m；h為頂煤厚度，m；h1為支架放煤口的高度，m。

由于三元煤業(yè)4301綜放工作面支架采用低位放頂煤，放煤口高度取0.15 m，所以4301工作面放頂步距為0.66～0.93 m，考慮到工作面煤機(jī)截深為0.6 m，因此工作面確定放頂步距為0.6 m，即一刀一放的方式進(jìn)行放煤。

4 結(jié) 語

1) 采用模糊評價(jià)函數(shù)，對4301綜放工作面頂煤冒放性進(jìn)行了綜合評價(jià)，得出了4301綜放工作面頂煤冒放性屬于Ⅱ類，冒放性好，適宜采用放頂煤工藝進(jìn)行開采。

2) 對4301綜放工作面主要開采工藝參數(shù)進(jìn)行了理論分析，得出工作面合理的采高選擇為2.8 m，放頂煤厚度4.57 m；合理的放煤間距確定為1.5 m；放頂步距為0.6 m，即一刀一放的方式進(jìn)行放煤效果較好。