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        厚煤層放頂煤高效開(kāi)采工藝參數(shù)的研究

        2022-04-02 01:44:40
        山西冶金 2022年1期
        關(guān)鍵詞:采煤機(jī)工藝效果

        呂 謙

        (同煤集團(tuán)臨汾宏大礦業(yè)有限責(zé)任公司, 山西 臨汾 041000)

        我國(guó)的地下煤層儲(chǔ)量豐富,且以厚煤層的形式存在的煤層約占半數(shù),煤層厚度達(dá)到3.5 m 以上。我國(guó)對(duì)厚煤層的開(kāi)采方法主要包括爆破法、水力法及機(jī)械法三種,隨著技術(shù)的進(jìn)步,綜合機(jī)械化開(kāi)采成為煤炭開(kāi)采的主要方式。主要的采煤工藝包括分層開(kāi)采、一次采全厚及放頂煤開(kāi)采三種[1]。隨著采煤裝備制造業(yè)的發(fā)展,針對(duì)煤層不同的賦存條件,綜放開(kāi)采可配套不同開(kāi)采工藝。厚煤層的分層開(kāi)采中,綜合機(jī)械化開(kāi)采在巷道的掘進(jìn)效率、支護(hù)的難度及開(kāi)采成本上皆難以保證開(kāi)采效率的有效提高[2],針對(duì)這一問(wèn)題,決定采用放頂煤開(kāi)采工藝,本文基于某煤礦厚煤層開(kāi)采的實(shí)際條件,對(duì)厚煤層的高效開(kāi)采進(jìn)行工藝參數(shù)的研究,合理選擇工藝參數(shù),從而提高厚煤層的開(kāi)采效率,實(shí)現(xiàn)放頂煤的高效開(kāi)采。

        1 厚煤層頂煤冒放性的工藝參數(shù)設(shè)定

        依據(jù)某煤礦厚煤層的賦存條件,對(duì)厚煤層進(jìn)行放頂煤開(kāi)采,綜采煤層平均厚度為10.5 m,煤層傾角為7°~12°。頂煤的冒放性對(duì)開(kāi)采的效率具有重要的影響。頂煤的冒放性主要取決于自然及人為因素,即頂煤冒放性與煤層及頂板自身的性質(zhì)所具有的破壞性、回采工藝參數(shù)的選擇及設(shè)備的選用有關(guān)[3]。

        預(yù)裂爆破是對(duì)頂煤進(jìn)行預(yù)裂的主要方式,可采用專用的巷道及打眼進(jìn)行爆破,對(duì)于厚煤層也可采用在工作的順槽及切眼內(nèi)進(jìn)行預(yù)裂爆破,以減少爆破的準(zhǔn)備工作,提高開(kāi)采效率。爆破孔徑越大,煤層的預(yù)裂效果越好[4],在進(jìn)行井下作業(yè)過(guò)程中,考慮到受客觀條件的影響,最終確定采用爆破孔的孔徑為75 mm,控制孔孔徑為90 mm。依據(jù)爆破孔及控制孔的直徑,確定孔間距為8 m,依據(jù)此參數(shù)進(jìn)行煤層預(yù)裂的效果較好。封孔深度是進(jìn)行預(yù)裂爆破的重要參數(shù),可保證巷道兩側(cè)的煤層不受破壞,同時(shí)要達(dá)到理想的預(yù)裂效果,依據(jù)厚煤層開(kāi)采的施工經(jīng)驗(yàn)[5],確定炮孔深度為65 m,封孔的長(zhǎng)度為15 m。

        2 厚煤層放頂煤回采效率工藝參數(shù)的設(shè)定

        2.1 采放比的確定

        采煤機(jī)進(jìn)行作業(yè)的過(guò)程中,采煤機(jī)的破煤量及頂煤的放出量是煤炭的總采出量。采煤機(jī)的采高增加,則放煤的高度減小,有利于提高頂煤的回收率[6]及采煤機(jī)的作業(yè)效率,但采高的增加也會(huì)使礦山的壓力增加,對(duì)支護(hù)系統(tǒng)的要求較高。破煤高度與放頂煤高度的比值即為采放比,進(jìn)行放頂煤開(kāi)采時(shí)其值需小于1∶3[7]。

        我國(guó)進(jìn)行綜放開(kāi)采的采高一般為2.5~3.6 m,依據(jù)煤層的賦存條件及現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備條件,確定工作面的采高為3 m,放煤高度為7.5 m,采放比為1∶2.5,均滿足放頂煤開(kāi)采的安全規(guī)程。

        2.2 放煤步距的確定

        放頂煤開(kāi)采中兩次放煤之間工作面推進(jìn)的距離即為放煤步距,放煤步距與采煤機(jī)的截割相配合,依據(jù)采煤機(jī)滾筒截割深度的倍數(shù)來(lái)確定放煤步距[8]。常見(jiàn)的放煤方式主要有采一放一、采二放一及采三放一,先將放煤步距分別設(shè)定為0.8 m、1.6 m、2.4 m,再對(duì)三種不同的放煤步距,采用PFC 仿真模擬的形式對(duì)其頂煤的移動(dòng)進(jìn)行分析。

        采用PFC 軟件相應(yīng)建立不同采煤步距的模型,對(duì)放煤過(guò)程進(jìn)行模擬,統(tǒng)計(jì)頂煤的回收率的大小[9]。采用采一放一工藝時(shí),放煤步距為0.8 m,采煤高度為3 m,放煤高度為7.5 m,經(jīng)過(guò)16 個(gè)循環(huán)的放頂煤效果如下頁(yè)圖1 所示,此時(shí)的回收率為85.6%。

        圖1 采一放一時(shí)割煤16 個(gè)循環(huán)的放頂煤效果

        采用采二放一工藝時(shí),放煤步距為1.6 m,采煤高度為3 m,放煤高度為7.5 m,經(jīng)過(guò)16 個(gè)循環(huán)的放頂煤效果如圖2 所示,此時(shí)的回收率為81.9%。

        圖2 采二放一時(shí)割煤16 個(gè)循環(huán)的放頂煤效果

        采用采三放一工藝時(shí),放煤步距為2.4 m,采煤高度為3 m,放煤高度為7.5 m,經(jīng)過(guò)16 個(gè)循環(huán)的放頂煤效果如圖3 所示,此時(shí)的回收率為78%。

        圖3 采三放一時(shí)割煤16 個(gè)循環(huán)的放頂煤效果

        對(duì)不同放煤步距下放頂煤的效果進(jìn)行模擬[10],并對(duì)回收率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)表明,對(duì)厚煤層進(jìn)行開(kāi)采時(shí),確定放煤步距為0.8 m,采用采一放一的方式進(jìn)行開(kāi)采,此時(shí)頂煤的回收率最高,為85.6%。

        2.3 放煤方式的確定

        厚煤層進(jìn)行放頂煤回采的循環(huán)過(guò)程中,將放煤口打開(kāi)的次數(shù)、順序及放煤量的不同綜合起來(lái)稱之為放煤方式。依據(jù)放煤口打開(kāi)的順序可分為順序放煤及間隔放煤,依據(jù)放煤的次數(shù)可分為單次放煤、雙次放煤及多次放煤[11],兩者相互組合起來(lái)后,放頂煤開(kāi)采的放煤方式可分為單次間隔放煤、單次順序放煤及多次順序放煤。

        用PFC 軟件相應(yīng)建立不同放煤方式的模型[12],對(duì)放煤過(guò)程進(jìn)行模擬,統(tǒng)計(jì)頂煤的放出率的大小。采用單次間隔放煤方式時(shí),放煤步距為0.8 m,采煤高度為3 m,放煤高度為7.5 m,此時(shí)放頂煤效果如圖4所示,放出率為83.2%。對(duì)單次順序放煤及多次順序放煤依次進(jìn)行建模模擬,得到單次順序放煤時(shí)的放出率為78.1%,多次順序放煤時(shí)的放出率為85.3%。

        圖4 單次間隔放煤時(shí)放頂煤效果

        對(duì)不同放煤方式下放頂煤的效果進(jìn)行模擬,并對(duì)放出率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)表明,對(duì)厚煤層進(jìn)行開(kāi)采時(shí),確定采用多次順序放煤方式進(jìn)行放煤時(shí),頂煤的放出率最高,為85.3%。

        2.4 采煤機(jī)參數(shù)的確定

        進(jìn)行厚煤層開(kāi)采的割煤高度為3 m,依據(jù)工作面及采放比的要求,選擇采煤機(jī)的滾筒直徑為1.8~2.4 m,采煤機(jī)的截割功率為:

        式中:N為采煤機(jī)的截割功率;B為采煤機(jī)截割深度,取0.8 m;H為采煤機(jī)的最大割煤高度,取3.6 m;vmax為采煤機(jī)的最大割煤速度,取8 m/min;HW為采煤機(jī)破煤的能耗系數(shù),取2.6~3.1。

        由此對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行選型,確定采煤機(jī)的直徑為2 m,功率為1 200 kW,對(duì)煤層進(jìn)行采煤作業(yè),割煤高度為3 m,截割深度為0.8 m。

        3 結(jié)論

        1)針對(duì)厚煤層放頂煤開(kāi)采過(guò)程中的工藝參數(shù),依據(jù)煤礦的地質(zhì)條件以開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)及模擬仿真的形式確定相應(yīng)的工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)厚煤層的高效開(kāi)采。首先確定相應(yīng)的預(yù)裂參數(shù)來(lái)提高煤層的冒放性,預(yù)裂參數(shù)主要包括爆破孔孔徑、控制孔孔徑、孔間距、炮孔深度及封孔長(zhǎng)度等。

        2)依據(jù)煤層的厚度,設(shè)定工作面的采高為3 m,放煤高度為7.5 m,采放比為1∶2.5,滿足放頂煤開(kāi)采的安全要求。

        3)對(duì)三種不同采煤步距進(jìn)行模擬分析,確定放煤步距為0.8 m,采用采一放一的方式進(jìn)行開(kāi)采,頂煤的回收率為85.6%。

        4)對(duì)放煤方式進(jìn)行模擬分析,確定多次順序放煤方式進(jìn)行放煤,頂煤的放出率為85.3%。

        5)針對(duì)采煤機(jī)設(shè)備進(jìn)行選型,確定采煤機(jī)的直徑為2 m,功率為1 200 kW。確定相應(yīng)的工藝參數(shù)對(duì)厚煤層進(jìn)行放頂煤的開(kāi)采,可提高煤礦開(kāi)采的效率。

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