薛武濤

(山西省陽泉固莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

1 工程概況

固莊煤業(yè)15708工作面位于15號煤層七采區(qū)東翼，煤層平均煤厚為6.75 m，煤層傾角為3～5°，煤層含夾矸2～3層，夾矸厚度多在0.05～0.15 m，賦存穩(wěn)定。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

15708工作面走向長度為400 m，傾向長度為138 m，工作面西部為15701、15702工作面采空區(qū)，東部和南部為鄧家峪小煤窯破壞區(qū)，北部為15303、15304工作面采空區(qū)。工作面巷道沿煤層底板布置，采用綜合機(jī)械化放頂煤方法開采，其機(jī)采高度為2.4 m，放頂煤高度為4.35 m，采放比為1∶1.7，頂板管理采用全部垮落法。為盡可能地提高15708綜放工作面的頂煤回收率，需對其合理的放煤工藝展開研究。

2 放煤工藝數(shù)值模擬分析

2.1 合理放煤步距

1) 模擬方案。根據(jù)15708工作面實(shí)際賦存條件，采用PFC2D顆粒流模擬軟件建立模型，其中機(jī)采高度為2.4 m，放頂煤高度為4.35 m，采放比為1∶1.7.在縱向上用不同顏色的顆粒將頂煤進(jìn)行分層，便于后續(xù)分析。模擬時采用平行黏接本構(gòu)，根據(jù)煤巖體物理力學(xué)試驗(yàn)對煤層及頂板矸石層進(jìn)行賦參，如表2所示。

表2 煤巖體參數(shù)

模擬中通過wall單元建立支架并模擬放煤過程，共設(shè)置三個方案，分別為一采一放、兩采一放及三采一放，由于采煤機(jī)截割深度為0.6 m，則三種方案的放煤步距分別為0.6 m、1.2 m及1.8 m.模擬結(jié)束后，通過命令對三種放煤步距下放出的頂煤量及含矸率進(jìn)行量化統(tǒng)計(按顆粒數(shù)量統(tǒng)計頂煤及矸石的放出量)。

2) 模擬結(jié)果分析。三種放煤步距推進(jìn)放煤后的煤矸分界線特征如圖1、圖2和圖3所示?？芍?dāng)放煤步距為一采一放時，矸石大部分堆積在底板，由于步距較小，矸石容易混入放煤口，造成含矸率較高；當(dāng)放煤步距為三采一放時，步距較大，部分頂煤來不及放出便被遺留進(jìn)采空區(qū)，造成頂煤回收率降低；而放煤步距為兩采一放時的煤矸分界線較均勻，且界面明顯，放煤效果要優(yōu)于一采一放及三采一放。

圖1 一采一放模擬結(jié)果

圖2 兩采一放模擬結(jié)果

圖3 三采一放模擬結(jié)果

三種放煤步距下的頂煤放出量及含矸率統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。一采一放的頂煤回收率為76.1%，三采一放的頂煤回收率為68.6%；而兩采一放的頂煤回收率最高，為80.2%，較一采一放及三采一放分別提高了4.1%、11.6%.同時，一采一放時的含矸率最高，為10.5%，而兩采一放及三采一放的含矸率基本相差不大。因此，確定出合理的放煤步距為兩采一放(1.2 m).

表3 不同放煤步距放煤量統(tǒng)計結(jié)果

2.2 合理放煤方式

放煤方式是放煤工藝中最復(fù)雜的工序，主要包含了放煤順序、放煤量、放煤次數(shù)以及同時打開的放煤口數(shù)量等。其中放煤順序又分為順序放煤及間隔放煤，放煤次數(shù)又分為單輪放煤、雙輪放煤及多輪放煤，同時打開的放煤口數(shù)量分為單口打開放煤及多口分段放煤等。由于在實(shí)際生產(chǎn)中，放煤量無法精確控制，而多口分段放煤管理難度較高，因此在研究合理放煤方式時，只對放煤順序及放煤次數(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)礦井以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定出三種放煤方式，分別為：單輪間隔放煤、雙輪間隔放煤及雙輪順序放煤。

1) 模擬方案。采用PFC2D模擬軟件建立模型，同時布置12個支架(1號～12號)，模擬工作面傾向方向的放煤過程，三種方案的具體步驟如下：

方案一：單輪間隔放煤。先打開支架編號為單數(shù)的支架放煤口進(jìn)行放煤，放煤口見矸后停止放煤，隨后打開編號為雙數(shù)的支架放煤口，將上一段遺留的脊煤放出。

方案二：雙輪間隔放煤。先依此打開單號支架的放煤口(1號、3號、5號，…，)進(jìn)行放煤，一次放煤量為頂煤的1/2，隨后依此打開雙號支架的放煤口(2號、4號、6號，…，)進(jìn)行第二輪放煤，也只放出頂煤的1/2，再按此步驟重復(fù)一輪，見矸停止。

方案三：雙輪順序放煤。支架按順序依此進(jìn)行放煤，第一次的放煤量為頂煤的1/2，第一輪結(jié)束后，進(jìn)行第二輪依此放煤，將頂煤全部放出，見矸關(guān)閉放煤口。各方案模擬結(jié)果如下：

單輪間隔放煤時，煤矸分界線下沉不均勻，不規(guī)則，這是由于單號支架放煤時，帶動雙號支架上方的頂煤向兩側(cè)滑動并形成了脊煤不易放出，導(dǎo)致雙號支架放煤時混矸嚴(yán)重，提前結(jié)束放煤，進(jìn)而造成頂煤回收率偏低。

雙輪順序放煤時的煤矸分界線下沉均勻，且分界線較圓滑，放煤效果也較理想。

雙輪間隔放煤，放出頂煤1/2的量時，煤矸分界線下沉較均勻，但第二輪放完單號支架上方的頂煤后，雙號支架上方的矸石基本達(dá)到了放煤口，導(dǎo)致雙號支架放煤時提早見矸而停止放煤，使得頂煤回收率偏低。

三種放煤方式的頂煤放出量及含矸率統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。單輪間隔放煤的效果最差，雙輪順序放煤的頂煤回收率最高且含矸率最低，分別為73.3%、8.9%.

3 現(xiàn)場工程實(shí)踐

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定出合理的放煤工藝為兩采一放、雙輪順序放煤，按此工藝指導(dǎo)15708綜放工作面的現(xiàn)場生產(chǎn)試驗(yàn)，并統(tǒng)計放煤量及含矸率。現(xiàn)場試驗(yàn)時長為15 d，工作面推進(jìn)長度為70.2 m，頂煤的平均回收率為86.4%，工作面平均回收率為90.68%，含矸率為12.53%，放煤效果較理想，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 不同放煤方式放煤量統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié) 語

通過PFC2D模擬軟件分析了固莊煤業(yè)15708綜放工作面的合理放煤工藝。模擬結(jié)果表明：放煤步距為兩采一放時的頂煤回收率最高，而一采一放時混矸嚴(yán)重，三采一放時采空區(qū)遺煤較多；雙輪順序放煤的頂煤回收率最高，且含矸率最低?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，采用兩采一放及雙輪順序放煤的工藝后，工作面平均回收率為90.68%，頂煤的平均回收率為86.4%，含矸率為12.53%，放煤效果較理想。