山西晶鑫煤业3217综放工作面放煤工艺优化研究

张鹏鹏

（山西阳城阳泰集团 晶鑫煤业股份有限公司，山西 晋城048100）

0 引 言

综放开采因其适用性强、成本低、效率高而被广泛地应用到厚及特厚煤层开采当中[1-3]。然而，由于放煤过程中的顶煤运移及放出规律仍不明确，而放煤过程充满随机性，使得综放开采的理论研究难以指导现场生产。因此，综放开采的顶煤放出率一直是矿山企业密切关切的问题。针对不同的煤层赋存条件、工作面设备情况以及矿井实际特点，选择适合的放煤工艺，一方面可以实现顶煤的最大程度回收，另一方面可以减少采空区遗煤导致的自然发火等问题[4-6]。因此，有必要根据工作面的实际条件，通过数值模拟等手段比较不同放煤工艺的优缺点，进而选择最适合的放煤工艺。本文以山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司3217综放工作面具体地质生产条件为研究背景，运用理论分析、数值模拟等研究手段，对该地质条件下的顶煤回收率、含矸率进行了研究。通过比较模拟结果，提出了放煤工艺的优化方向。

1 概 况

山西晶鑫煤业有限公司地处山西阳城，是由原卧庄煤矿与清林沟煤矿合并后重组而成，矿井地面标高+664—+740 m，井下标高为+608—+618 m。3号煤层厚4.8 m，采高2 m，放顶煤高度2.8 m。煤层倾角1°～3°，煤层走向近南北，倾向东西，煤质硬度为f=1～2。3号煤似金属光泽，灰黑色，半亮型，煤质较硬，沥青光泽，致密坚硬，贝壳状或参差状断口，节理发育。煤层结构简单稳定。3217工作面倾斜长度130 m，走向长度为732 m。工作面中部采用ZF2800/16/24型液压支架支护顶板，支架数量101架，支架工作阻力2 800 kN。工作面机头由3架ZFG3200／18／26型过渡架支护，机尾由3架ZFG3200／18／26型过渡架支护，该支架工作阻力为3 200 kN，支架宽度为1.5 m。

2 放煤工艺分析

综放开采的放煤工艺主要包含两个方面。一是放煤步距，放煤步距一般为采煤机截深的整数倍，常见的放煤步距主要有一采一放、两采一放及三采一放；二是放煤方式，主要包括放煤顺序和每次顶煤的放出量，放煤顺序和放煤量的相互组合，构成了多种多样的放煤方式，常见的放煤方式有单轮顺序放煤、单轮间隔放煤及多轮顺序放煤等。

不同的放煤工艺影响工作面不同的顶煤回收率。放煤步距设置偏小，则会导致工作面有效放煤时间较少，生产效率低下，且会造成煤矸分界面反复受到扰动，造成顶煤放出率较低而含矸率较高。放煤步距设置较大则会导致支架后方煤矸运动距离较大，致使上部矸石先到达放煤口，造成大量顶煤遗留于采空区不能被放出。放煤方式的选择应考虑具体的煤层赋存条件，还需要考虑工作面设备的自动化水平。一般而言，多轮放煤情况下顶煤放出率最高，但多轮放煤需要放煤工多次折返于工作面上下端头，在井下很难推广，只有当工作面采用自动化放煤方式时，才具备多轮放煤的条件。而间隔放煤时的顶煤放出率一般高于顺序放煤，因此现场生产时应该尽可能采用间隔放煤方式。

3 数值计算模型及模拟方案

为减少模型计算量，本次模拟共构建2个二维模型，如图1所示。图1（a）模型用于研究工作面走向放煤步距，模型长20 m，煤层厚度为4.8 m，采高为2 m，矸石厚度为3 m。图1（b）用于研究工作面倾向放煤方式，模型长30 m，共布置20个支架，煤层厚4.8 m，矸石层厚度为3 m。图1（a）共设置3个模拟方案，分别为一采一放、两采一放及三采一放。图1（b）共设置3个模拟方案，分别为单轮顺序放煤、单轮间隔放煤及多轮顺序放煤。

图1 数值计算模型Fig.1 Numerical model

4 数值模拟结果及分析

4.1 放煤步距

为和现场生产条件对应，模拟过程采用见矸关门的原则终止放煤，模型共模拟3个放煤方案，模拟结果见表1。由表1可知，当工作面放煤步距较小时，即工作面采用一采一放的放煤步距时，顶煤的放出率为83.1%，含矸率为11.2%。随着放煤步距的增加，放出率也增加，而含矸率则呈降低趋势。两采一放的顶煤放出率为87.7%，含矸率为9.4%。当工作面放煤步距继续增加时，顶煤放出量开始减少，含矸率则开始增加。由此可见，两采一放时工作面顶煤放出率最高，为87.7%，同时，在此条件下含矸率最低，为9.4%。

表1 不同放煤步距下顶煤放出率及含矸率Table 1 Top coal release rate and gangue percentage at different caving step intervals

4.2 放煤方式

图2为不同放煤方式下的采空区遗煤分布情况，表2为不同放煤方式下顶煤放出率及含矸率。由图2可知，不同放煤方式下的顶煤放出情况明显不同。单轮放煤相较于多轮放煤的放出率较低，这是由于单轮放煤时煤岩分界面受放煤的扰动较大，造成煤矸分界面变化较为剧烈，煤矸分界面到达放煤口时明显呈锯齿状，使得放煤体难以和煤矸分界面完全相切，单纯扩大放出体体积只会造成含矸率的不断增加。相比而言，多轮放煤时的顶煤放出率较高，可以达到88.2%，比单轮放煤提高了约5.3%，因此，多轮放煤的采空区遗煤量也较少。出现这一结果的原因是多轮放煤时煤矸分界面可以缓慢且均匀下沉，在到达放煤口时仍较为平直，更有利于放出体的发育。在具体方面，单轮间隔放煤时，顶煤放出率较单轮顺序有所提高，而在多轮放煤时，顺序放煤则相较于间隔放煤时的放出率有所提高。这是由于在单轮放煤时，间隔放煤可以使煤矸分界面下降更为平缓，而在多轮放煤时，间隔放煤则增大了放煤对煤矸分界面的扰动。

表2 不同放煤方式下顶煤放出率及含矸率Table 2 Top coal release rate and gangue percentage under different coal caving methods

图2 不同放煤方式下采空区遗煤分布情况Fig.2 Distribution of remaining coal in goaf under different caving methods

从顶煤的放出率及含矸率来看，多轮顺序放煤时的顶煤放出率最高，含矸率最低，值得注意的是，多轮顺序放煤和多轮间隔放煤的顶煤回收率以及含矸率相差并不大。而单轮顺序放煤时的顶煤放出率最低，为84.7%，含矸率却最高，为8.7%。而单轮间隔放煤的顶煤放出率及含矸率基本处于中间位置。

5 结 论

（1）综放开采相较于综采具有效率高、成本低、投资少等特点，但综放开采的发展一直受制于顶煤的采出率。通过优化放煤工艺，提高了综放开采在不同煤层赋存条件下的放出率。

（2）通过比较不同放煤步距下的顶煤放出率，采用两采一放时的顶煤放出率最高，可以达到87.7%，含矸率最低为9.4%。

（3）工作面不同放煤方式情况下的顶煤放出情况存在很大的不同。一般而言，多轮顺序放煤的放煤方式最高，可以达到87.1%，其次为多轮间隔放煤，再次为单轮间隔放煤，顶煤放出率最低的是单轮顺序放煤，为82.9%。

（4）放煤工艺的优化不能仅以追求最大的顶煤放出率为目标，必须综合考虑工作面自动化水平。当工作面可以实现自动化放煤时，应采用多轮顺序放煤方式，当工作面采用人工放煤时，则应该采用单轮间隔放煤。