三元煤业综放工作面开采工艺参数的确定

2020-07-18宣鹏云

煤 2020年7期

宣鹏云

(山西三元煤业股份有限公司，山西长治 046000)

综合机械化放顶煤开采工艺作为我国厚煤层开采的主要方法一直被许多矿区广泛应用。决定工作面是否能够采用放顶煤开采，顶煤冒放性无疑是最主要的影响因素[1]。而影响顶煤冒放性除了煤层本身的赋存条件外，工作面开采工艺参数也是主要的影响因素，选择合理的工艺参数对于提高顶煤放出率，提升矿井资源回收率，增加矿井经济效益有积极的推动作用[2-3]。本文以三元煤业4301综合机械化放顶煤工作面开采为背景，对工作面顶煤冒放性进行了分析，并对综放工艺参数进行了优化，为工作面高产高效提供了技术保障。

1 工程概况

三元煤业目前主采3号煤层，4301综放工作面位于该矿3号煤层四盘区，工作面煤层平均厚度7.37 m，倾角1～3°，平均埋深368 m，赋存稳定。工作面倾向长度220.5 m，走向长度689 m，采用综合机械化放顶煤工艺进行开采。煤层基本顶为砂泥岩互层，平均厚度13.85 m，深灰色，厚层状，缓波状层理；直接顶为细粒砂岩，平均厚度11.03 m，中部有0.1 m含砂质；直接底为砂质泥岩，平均厚度10.21 m，灰色，厚层状，缓波状层理夹泥质条纹。采用149组ZF5400/17/32型支架对工作面进行支护。

2 顶煤冒放性分析

煤层自身存储条件，例如厚度、埋深、夹矸、顶底板岩层性质等地质因素对工作面顶煤冒放性产生直接影响。本文引入模糊评价函数对煤层赋存条件进行综合性评价，采用该种评价方式的主要特点是评价结果不是绝对的肯定或否定，而是以一个模糊集合来表示，如下：

(1)

式中：bj为综合评价值；Wi为多因素权重；γi评价因素指标隶属度矩阵。

由公式(1)可知，影响顶煤冒放性评价指标的主要因素就是各指标隶属度，4301工作面主要考虑煤层埋深与煤层强度、工作面采放比、煤层节理裂隙等对顶煤冒放性的影响。根据4301工作面地质条件可知，工作面埋深368 m，煤层单轴抗压强度为10.5 MPa，煤层普氏系数f=1.05，采放比1∶1.63，煤层节理裂隙间距平均0.2 mm。根据表1～表3，可得出各评价因素的指标隶属度为：

煤层埋深与煤层强度对顶煤冒放性隶属度值：H/RC=368/10.5=35.05，γ1=0.9；

工作面煤层普氏系数f=1.05，采放比1∶1.63，因此采放比对顶煤冒放性隶属度值γ2=0.9；

煤层节理裂隙对顶煤冒放性隶属度值γ3=0.85。

表1 煤层埋深与强度之比对顶煤冒放性隶属度关系

表2 采放比对顶煤冒放性隶属度关系

表3 煤层节理裂隙间距对顶煤冒放性隶属度关系

根据我国综放工作面生产经验，结合4301工作面赋存条件，开采深度与煤层强度之比、工作面采放比、煤层节理裂隙对顶煤冒放性的影响权重Wi按照0.45，0.28，0.27进行分配。因此4301综放工作面顶煤冒放性综合评价值为：

b=W1·γ1+W2·γ2+W3·γ3=0.89。

根据顶煤冒放性综合指标(表4)，4301综放工作面顶煤冒放性属于Ⅱ类，因此选择在4301工作面采用放顶煤工艺方法可行。

3 主要回采工艺参数确定

3.1 采放比的确定

使顶煤在矿山压力和自重作用下，发生松动、破坏直至充分垮落是综放开采的前提。顶煤垮落高度由煤层自身的碎胀系数和工作面采高决定，如果采高选择较大，顶煤留设较薄，放煤时间缩短，极易混入矸石，增加采出煤炭的含矸率；如果采高选择较小，顶煤留设较厚，可能导致部分顶煤无法垮落，造成资源的严重浪费。因此综放工作面选择合理采放比对于工作面实现高产高效至关重要。计算4301综放工作面采放比按照以下公式进行：

h=h＇/(k-1)

(2)

式中：h为顶煤厚度，m；h＇为工作面采高，m；k为煤层的碎胀系数。

根据实验室测定，3号煤层的碎胀系数为1.40～1.60，4301工作面煤层厚度为7.37 m，因此工作面合理的顶煤厚度为4.61～5.26 m，采高为2.1～2.8 m，结合现场实际情况，工作面采高选择2.8 m，放顶煤厚度4.57 m。

3.2 放顶间距的确定

放煤间距指的是两台放煤支架之间的距离，由于在顶煤冒放过程中会在放煤口附近形成“脊背煤”，放煤间距直接决定了“脊背煤”范围的大小，从而间接决定了煤炭损失量的多少。因此根据放顶煤椭球体理论[4]可知(图1)，如果放煤间距D为椭球体短轴长度2b时，放煤时间较长，支架后方放煤口处易形成放煤漏斗间的“脊背”现象，即煤炭损失会很大,见图1(a)；如果放煤间距D为椭球体短轴长度的一半即b时，放煤时间较短，虽然煤炭损失量小，但是第1次放煤漏斗中的矸石会混入，采出煤炭的含矸率会增加，见图1(b)，因此合理的放煤间距D应该为：b