張靖宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)北辛窯煤業(yè)公司，山西 寧武 037000）

1 工程概況

同煤集團(tuán)北辛窯煤業(yè)目前主采2#煤層，厚度為4.3～7.0 m，均厚為5.6 m，煤層傾角19°～25°，平均傾角為22°。煤層頂板巖層依次為平均厚度為8.63 m 泥巖直接頂和均厚為11.96 m 的中細(xì)砂巖基本頂，底板巖層依次為均厚4.18 m 的泥巖直接底和均厚4.03 m 的中細(xì)砂巖基本底。

2#煤層厚度較大，設(shè)計(jì)采用放頂煤開采工藝進(jìn)行回采，對放頂煤開采工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[1-4]。

2 合理放煤工藝技術(shù)參數(shù)的確定

借助PFC 數(shù)值模擬軟件對工作面放煤過程進(jìn)行模擬，以2#煤層賦存情況建立模型，分析不同采高、不同放煤步距條件下頂煤采出率，以便確定合理采高和放煤步距。

2.1 模型建立

為更好地了解頂煤和矸石的冒落情況，對煤層及上覆頂板巖層進(jìn)行分層建模。煤層總厚5.6 m，共分成4 層，每層厚度為1.4 m；煤層上方頂板巖層也分成4 層，每層設(shè)置為3 m，共計(jì)12 m 頂板巖層。根據(jù)2#煤層賦存特點(diǎn)及相鄰礦井的回采情況，擬對以下工況進(jìn)行模擬：采煤高度分別取2.8 m、3.0 m、3.2 m 及3.4 m；放煤步距分別為0.8 m、1.6 m及2.4 m。為避免邊界對工作面回采的影響，在模型前后兩邊各設(shè)置6 m 寬的煤柱，模型中工作面可推進(jìn)長度設(shè)置為60 m。在模擬工作面回采過程中，為更好地研究采高及放煤步距對頂煤冒放的影響，模擬中設(shè)置頂煤僅受自然重力的影響而冒落，與實(shí)際生產(chǎn)相同，限制條件為見矸關(guān)門，即在模擬中設(shè)置條件，只要矸石顆粒從放煤口出來則終止放煤，循環(huán)進(jìn)行下一個采煤、放煤工序。

2.2 采高為2.8 m 的模擬

當(dāng)采高為2.8 m 時，分別對放煤步距為0.8 m、1.6 m 及2.4 m 的工況進(jìn)行模擬，不同放煤步距條件下頂煤及矸石冒落狀態(tài)如圖1。

圖1 采高為2.8 m 時不同放煤步距頂煤及矸石冒落狀態(tài)

（1）如圖1（a）所示，放煤步距為0.8 m 時，頂煤冒落過程中與矸石分界較為清晰，在待放頂煤中可以發(fā)現(xiàn)混入了少部分矸石，放煤效果較好，有部分頂煤遺留在采空區(qū)，煤炭損失量不大，整體效果較好。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，頂煤回收率為90.19%，頂煤含矸率為3.49%。

（2）如圖1（b）所示，放煤步距為1.6 m 時，工作面回采過程中，頂煤冒放時，與矸石分界線明顯，放煤效果良好。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，頂煤回收率為92.3%，頂煤含矸率為1.58%。

（3）如圖1（c）所示，放煤步距為2.4 m 時，放煤過程中，頂煤與矸石分界線并不清晰，導(dǎo)致矸石混入待放頂煤中，過早地觸發(fā)限制條件，見矸關(guān)門，導(dǎo)致煤炭損失量大。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，頂煤回收率為85.97%，頂煤含矸率為1.13%。

2.3 采高為3.0 m 的模擬

當(dāng)采高為3.0 m 時，分別對放煤步距為0.8 m、1.6 m 及2.4 m 的工況進(jìn)行模擬，不同放煤步距條件下頂煤及矸石冒落狀態(tài)如圖2。

圖2 采高為3.0 m 時不同放煤步距頂煤及矸石冒落狀態(tài)

（1）如圖2（a）所示，放煤步距為0.8 m 時，頂煤冒落過程中與矸石分界并不明顯，有少部分頂煤遺留在采空區(qū)，煤炭損失量不大，整體放煤效果較好。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，頂煤回收率為91.15%，頂煤含矸率為2.10%。

（2）如圖2（b）所示，放煤步距為1.6 m 時，工作面回采過程中，頂煤冒放時，與矸石分界線明顯，整體來看，放煤效果較好。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，頂煤回收率為92.06%，頂煤含矸率為1.56%。

（3）如圖2（c）所示，放煤步距為2.4 m 時，放煤過程中，頂煤與矸石分界線并不清晰，由于設(shè)置了限制條件，即見矸關(guān)門，導(dǎo)致煤炭損失量大。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，頂煤回收率為83.11%，頂煤含矸率為1.14%。

2.4 采高為3.2 m 的模擬

當(dāng)采高為3.2 m 時，分別對放煤步距為0.8 m、1.6 m 及2.4 m 的工況進(jìn)行模擬，不同放煤步距條件下頂煤及矸石冒落狀態(tài)如圖3。

圖3 采高為3.2 m 時不同放煤步距頂煤及矸石冒落狀態(tài)

（1）如圖3（a）所示，放煤步距為0.8 m 時，頂煤冒落過程中與矸石分界較為明顯，放煤效果較好，只有少部分頂煤遺留在采空區(qū)，煤炭損失量不大，整體放煤效果較好。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，頂煤回收率為90.67%，頂煤含矸率為2.35%。

（2）如圖3（b）所示，放煤步距為1.6 m 時，工作面回采過程中，頂煤冒放時，與矸石分界線明顯，整體來看，放煤效果良好，煤炭損失量不大。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，頂煤回收率為92.78%，頂煤含矸率為1.73%；

（3）如圖3（c）所示，放煤步距為2.4 m 時，放煤過程中，頂煤與矸石分界線并不清晰，導(dǎo)致矸石混入待放頂煤中，過早地觸發(fā)限制條件，見矸關(guān)門，導(dǎo)致煤炭損失量大。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，頂煤回收率為83.36%，頂煤含矸率為1.08%。

2.5 采高為3.4 m

當(dāng)采高為3.4 m 時，分別對放煤步距為0.8 m、1.6 m 及2.4 m 的工況進(jìn)行模擬，不同放煤步距條件下頂煤及矸石冒落狀態(tài)如圖4。

（1）如圖4（a）所示，放煤步距為0.6 m 時，頂煤冒落過程中與矸石分界不明顯，放煤效果一般，有部分頂煤遺留在采空區(qū)，煤炭損失量較大，整體放煤效果一般。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，頂煤回收率為87.46%，頂煤含矸率為3.15%。

（2）如圖4（b）所示，放煤步距為1.2 m 時，工作面回采過程中，頂煤冒放時，與矸石分界線并不明顯，且在待放頂煤中可以發(fā)現(xiàn)混入了部分矸石，整體來看，放煤效果一般，由于設(shè)置了限制條件，即見矸關(guān)門，因此導(dǎo)致煤損較大。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，頂煤回收率為85.87%，頂煤含矸率為1.61%。

（3）如圖4（c）所示，放煤步距為1.8 m 時，放煤過程中，頂煤與矸石分界線并不清晰，導(dǎo)致矸石混入待放頂煤中，過早地觸發(fā)限制條件，見矸關(guān)門，導(dǎo)致煤炭損失量大。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，頂煤回收率為83.40%，頂煤含矸率為0.88%。

圖4 采高為3.4 m 時不同放煤步距頂煤及矸石冒落狀態(tài)

綜合從頂煤回收率及頂煤含矸率角度考慮，當(dāng)工作面采高為3.2 m，放煤步距為1.6 m 時，頂煤回收率最高，達(dá)到92.78%，而此時含矸率為1.73%，也在可接受范圍內(nèi)。因此確定北辛窯煤業(yè)2#煤層放頂煤開始最佳參數(shù)為：采高3.2 m，放煤高度2.4 m，采放比1:0.75，兩刀一放，放煤步距為1.6 m。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

選取8103 工作面為工程背景進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，放煤工藝參數(shù)為：采高3.2 m，放煤高度2.4 m，采放比1:0.75，兩刀一放，放煤步距為1.6 m。工作面配套的機(jī)械設(shè)備如表1 所示，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2 所示。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，頂煤冒放率高達(dá)90%，經(jīng)濟(jì)效益良好。

表1 8103 綜放工作面配套設(shè)備一覽表

表2 工作面主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

4 結(jié)論

本文以北辛窯煤業(yè)2#煤層為工程背景，綜合采用理論分析、工程類比及數(shù)值模擬的方法，確定合理的放頂煤工藝參數(shù)為：采高3.2 m，放煤高度為2.4 m，采放比1:0.75，兩刀一放，放煤步距1.6 m，并在8103 工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，8103 工作面頂煤回收率為90%，效果良好。