黃原斌

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 太原 030206）

0 引言

一直以來，煤礦生產(chǎn)效率備受企業(yè)的關(guān)注，其決定著煤礦的生產(chǎn)能力和利潤增長點。實際上，不同煤礦由于地質(zhì)、煤層、瓦斯等條件存在明顯的差異，需要根據(jù)現(xiàn)場情況對回采工藝進行優(yōu)選。在綜采工作面對不同回采工藝進行反復試驗得出最佳工藝是不現(xiàn)實的[1]。因此，結(jié)合實踐生產(chǎn)并基于FLAC3D 軟件對回采工藝進行優(yōu)選，并通過實踐應用驗證所優(yōu)選的回采工藝是否真正適用于實踐生產(chǎn)。

1 工程概況

窯礦煤層具有埋藏深度大、回采率以及維護效率低等特點。為進一步提升原巷充填采煤工藝對應煤層高效、科學的開采，本文以窯礦為例開展了回采工藝的優(yōu)化設計，并對開采效果進行工業(yè)性試驗。窯礦12401 工作面走向長度為1 290 m，其中傾斜工作面長度為203 m；該工作面煤層的厚度范圍為15～55 m之間，煤層平均厚度為35 m；煤層的傾角范圍為55°～60°，平均傾角為57°。12401 工作面的頂?shù)装鍡l件，如表1 所示。

目前，可應用于實際生產(chǎn)的采煤方法包括有水平分層采煤法、水平分段綜采放頂采煤法、水平分段滑移支架放頂采煤法。其中，由于12401 工作面煤層的厚度變化無規(guī)律且結(jié)構(gòu)相對復雜，整體上屬于不穩(wěn)定煤層；同時，分層開采方法對應的巷道布置復雜且后期維護的工程量較大。因此，先排除水平分層采煤法應用的可行性。

此外，水平分段綜采放頂采煤工藝針對12401 工作面的大傾角煤層、短壁工作面與綜放所配套的液壓支架雖然能夠降低作業(yè)人員的勞動強度，但是該工作面本身的地質(zhì)條件較差，導致綜放液壓支架無法充分發(fā)揮其功能。因此，最終確定采用水平分段滑移支架放頂采煤工藝。

2 回采工藝的數(shù)值模擬研究

對于水平分段滑移支架所對應的放頂采煤工藝而言，其核心工藝參數(shù)包括采高、放煤高度以及工作面長度[2]。但是，12401 工作面本身屬于短壁工作面；因此，工作面長度參數(shù)的優(yōu)選空間不大，僅對采高和放煤高度兩項參數(shù)進行優(yōu)選。首先，根據(jù)12401 工作面的實際情況并基于FLAC3D 軟件構(gòu)建三維模型，模型尺寸為300 m×200 m×200 m；其次，根據(jù)12401 工作面的巖石力學參數(shù)在模型中進行設置；最后，對模型六個面的邊界條件進行設置，其中地面和側(cè)面施加法向約束，具體數(shù)值為7.2 MPa，將頂板設置為自由邊界。

2.1 采高的確定

根據(jù)12401 工作面煤層的厚度以及我國當前采煤機的生產(chǎn)能力，分別對采高分別為1.5、2、2.5、3 m四種情況下工作面煤層的應力、應變以及采出率等參數(shù)進行對比。

通過仿真分析可知，隨著采高的增大對應煤層的應力集中區(qū)域范圍擴大[3]。定量分析如下：隨著采高從1.5 m 增加至3 m，煤層的應力集中區(qū)域從最初距離工作面4～8 m 的區(qū)域擴大至距離工作面6～10 m的區(qū)域；而且，應力集中區(qū)域所承受的最大載荷從10.43 MPa 增大至10.71 MPa。

同時，隨著采高的增加對應工作面煤層的破壞深部不斷增加；具體表現(xiàn)為，當采高為2 m 時對應煤層的破壞深度為4.5 m，根據(jù)12401 工作面的煤層條件可以看出此時工作面煤層已經(jīng)出現(xiàn)了片幫的現(xiàn)象，其穩(wěn)定性極差。不同采高對應的煤層采出率，如圖1所示。

圖1 采高對工作面煤層采出率的影響

如圖1 所示，從整體上分析，隨著采高的增加對應頂煤的回收率增大；不同的是，在不同采高區(qū)間內(nèi)采高增長幅度不同。其中，在1.5～2.0 m 采高變化范圍內(nèi)其增幅最大，而且在采高為2.0 m 時對應的頂煤回收率已經(jīng)高達84%。綜上所述，最終將采煤高度確定為2.0 m。

2.2 放煤高度的確定

首先，根據(jù)12401 工作面滑移液壓支架到破斷面的距離、頂煤跨落角80°以及放出煤的最大軸偏角為15°等參數(shù)初步估算出適用于該工作面放煤高度區(qū)間為2.05～7.85 m 之間。

其次，結(jié)合上述理論計算結(jié)果對放煤高度為3、4、5、6 m，工作面推進距離為40 m 時，煤層垂直應力分布情況，如表2 所示。

表2 不同放煤高度對應煤層垂直應力分布情況

如表2 所示，隨著放煤高度的增加，對應煤層的最大集中應力系數(shù)、應力的影響區(qū)域略微增大，從而有利于工作面頂煤的破碎，進行有助于頂煤被放出[4]。不同放煤高度對應煤層采出率，如圖2 所示。

圖2 不同放煤高度對應煤層回收率

如圖2 所示，隨著頂煤放煤高度的增加，對應頂煤的回收率增加；同時，從實際開采層面分析，隨著放煤高度增加可以減少分段開采的層數(shù)和搬家的次數(shù)，從而有效提升工作面生產(chǎn)效率[5]。因此，最終確定放煤高度為6 m。

3 回采工藝參數(shù)的應用

在上述數(shù)值模擬分析的基礎上，最終確定在12401 綜采工作面采用水平分段滑移支架放頂采煤工藝，對應的采煤參數(shù)如下：采高為2 m，放煤高度為6 m；根據(jù)經(jīng)驗，采用單輪順序放煤方式，一刀一放。將上述采煤工藝參數(shù)與原采煤方式進行對比，對比結(jié)果如表3 所示。

表3 不同回采工藝參數(shù)對應開采效果對比

如表3 所示，12401 綜采工作面采用水平分段開采工藝后，實際生產(chǎn)中的回采率、月進度和月產(chǎn)率等指標得到顯著提升；而且，經(jīng)對比采用水平分段開采工藝后生產(chǎn)成本明顯降低，直接可節(jié)約半的成本，從42.74 元/t 降低為25.73 元/t。

4 結(jié)語

煤礦生產(chǎn)能力為企業(yè)關(guān)注的核心指標。影響煤礦生產(chǎn)能力除了綜采設備性能等基礎指標外，回采工藝是否與工作面地質(zhì)、煤層等條件匹配是關(guān)鍵。本文采用數(shù)值模擬分析手段對不同回采工藝參數(shù)對煤層應力、應變區(qū)域以及回采率等指標進行對比。最終確定，適用于12401 工作面采煤方法為水平分段滑移支架放頂采煤工藝，對應的采煤參數(shù)如下：采高為2 m，放煤高度為6 m。通過實踐表明：采率、月進度和月產(chǎn)率等指標得到顯著提升，生產(chǎn)成本從42.74 元/t 降低為25.73 元/t。