王勇强

（西山煤电集团有限责任公司斜沟煤矿，山西 吕梁 033602)

厚煤层一直是我国煤炭开采的主要煤层，厚煤层煤炭储量占全国煤炭总储量的55%以上。传统的厚煤层开采主要采用分层开采工艺，该工艺开采工艺环节多、企业消耗成本大、人工使用强度大，再加上分层开采工艺对地质构造要求较高，适应性较差，企业生产能力受限较为严重，严重影响企业经济效益增长。为提高企业效益，提升厚煤层开采效率，本文提出利用综放开采技术进行厚煤层开采工艺优化研究，通过分析厚煤层工作面的煤体冒放性等实际条件，对开采工艺进行优化研究，以期提高企业厚煤层开采采出率，提升企业生产效率。

1 煤体冒放性研究

综放开采技术的核心环节为放煤，而放煤是否顺利又取决于顶煤冒放性的好坏。综放开采主要是通过煤层开采后，由上覆岩层自重以及因上覆岩层运动而形成的破煤，煤体在破碎后可因自重而自然垮落，并被收集。由此可以看出，顶煤完整性的好坏为冒落形成的关键因素。由于受到开采扰动影响，顶煤在被放出前可将其视为松散介质，垮落的煤体可视为旋转椭球体[1]。

本文以某煤矿为例进行研究，其工作面布置图如图1所示。该煤矿奥陶系上统马家沟组，以深灰色灰岩为主，主要分布在矿区西部。石炭系太原组，共四层含煤，其中三层属于煤体可采区。侏罗系中统延安组为矿区的主要含煤层。其余地层主要为表土层以及沉积岩层。该煤矿共包括3个含水层，属弱富水性，隔水层较为稳定，补给较差，以裂隙冲水含水层为主，地质结构较为简单。选取该煤矿具有代表性的煤样进行力学试验分析发现，煤层含水率对煤样破坏影响较大，煤层含水率的增加会加速煤层的损坏，可促进煤体松散。对该煤矿矿区进行切煤与顶煤弱化实验分析，在采取措施前，顶煤硬度大，垮落回收难度较大。经切煤与顶煤注水弱化后，煤壁极限平衡区扩大，煤体开始松散，应力减小，垮落较为频繁，且回收容易。由此可以看出，该煤矿可通过切煤或顶煤弱化等措施提高顶煤冒放性，适合于综放开采技术，可对厚煤层开采工艺进行优化[2]。

图1 综放工作面布置示意图

2 参数确定

2.1 采放比

采放比是放煤高度与采煤机截割高度的比值，其影响因素主要包括煤层硬度、采深与采高三个方面。通过对某煤矿的实际开采条件研究发现，适当地提高采高，有利于放煤。但是采高的增大代表着采出空间的变大，会增大矿压显现。基本顶的破断回转变形会增大回转角度，使来压的持续时间变长，基本顶将进入垮落带，增强工作面来压。当采深不断增加后，岩层的重量影响会逐渐变大，造成煤壁片帮等问题。虽然煤壁的片帮会促进放煤，但同样会产生较多的安全隐患，引发事故发生[3]。

依据过往的经验，割煤高度的范围一般为2.6～3.5 m之间。为充分发挥设备优势与性能，在考虑合理风量以及合理空间的条件下，将割煤高度设计为3 m。由于某煤矿的平均厚度为10.68 m，割煤高度为3 m，则可确定其放煤高度为7.68 m，采放比为1：2.56。

2.2 放煤步距

放煤步距即为相邻两次放煤的推进距离，数值通常为采煤机截深整数倍，范围为0.8～2.4 m，采放步距包括一尺一放、两尺一放和三尺一放三种[4]。由于该煤矿顶煤冒落不易且冒落块度较大，经顶煤弱化措施处理后，冒放次数可适当增加，故较为适合一尺一放的放煤步距。一尺一放即放煤步距为0.8 m，分别对4、8、12、16循环进行模拟分析，模拟示意图如图2所示。经计算分析，出煤量为36 910 t，顶煤回收率为84.9%。

图2 一尺一放顶煤位移颗粒流模拟示意图

3 放煤方式选择

放煤方式是影响放煤速度与工作面推进速度的主要影响因素，放煤方式的差别主要在于一次顶煤放出量以及放煤的顺序，具体可以分为单轮间隔放煤、单轮顺序放煤和多轮间隔放煤等。为确定合适的放煤方式，本文采用PFC数值模拟的方法进行放煤方式选择。将割煤高度、放煤步距和支架宽度等参数设定完毕后，选取6台支架进行模拟分析，按各放煤方式打开放煤口，对相关数据进行记录[5]。多轮间隔放煤模拟效果图如图3所示。

图3 多轮间隔放煤模拟效果示意图

由表1可知，采用多轮间隔放煤时，其顶煤回收率最高，可减少煤矸面的含矸率，故宜选用多轮间隔放煤的放煤方式。

表1 不同放煤方式模拟数据表

4 设备选型

4.1 采煤机

综放工作面的设计割煤高度为3 m，经现场综合分析，本文选用双滚筒采煤机，采煤机滚筒直径选择为1.8～2 m。采煤机功率的计算公式为：

式中：W为采煤机功率，kW；v为采煤机牵引速度，m/min；B为截深，m；H为采高，m；k为破岩能力系数；Hw为能耗系数。

经实测分析可知，采煤机牵引速度为1.17 m/min，截深为0.8 m，采高为3 m，破岩能力系数为1.4，能耗系数为2～2.5，则采煤机功率数值应为471.75～589.68 kW。经分析，MG300/730-WD1型采煤机较为适合。

4.2 前刮板输送机

前刮板输送机设备的选型，主要取决于其运煤能力是否可达到实际使用要求，即采煤机的生产能力。工作面放顶煤能力计算公式为：

式中，Q为工作面放顶煤能力，t/h；K为生产不均匀系数；H'为放顶煤高度，m；L为工作面长度，m；B为截深，m；y为煤容量，t/m3；T为放煤时间，h。

经实测分析可知，生产不均匀系数为1.3，放顶煤高度为7.68 m，工作面长度为140 m，截深为0.8 m，煤容量为1.4 t/m3，放煤时间为2.5 h。由此可知，其工作面放顶煤能力626 t/h，因此，前刮板输送机设备运量应大于1 800 t/h。经分析，可选择SGZ-1 000/1 200型前刮板输送机。

5 工艺改进前后效益对比分析

按上述步骤进行厚煤层采煤工艺改进并应用于实际生产后发现，由于综放开采工艺掘进量变小，巷道维护费用显著降低。工艺改进使煤矿生产人员需求量下降，人力成本降低。由于煤体产出主要靠冒落，设备使用寿命大幅上升，维护费用下降，设备使用成本大幅降低。由此可见，综放开采工艺可大幅降低企业成本，提高企业经济效益，可应用于实际生产之中。

6 结论

厚煤层作为我国煤炭开采的主要煤层，传统的开采工艺具有开采工艺环节多、企业消耗成本大、人工使用强度大等问题。为提高煤炭企业厚煤层开采效率，提升企业效益，本文进行了针对性的工艺优化分析，并得出了以下结论：

1）综放开采技术的核心因素为顶板的冒放性。放煤步距宜采用一尺一放，放煤方式宜采用多轮间隔放煤，可大幅度提高顶煤回收率，提高企业生产效率。

2）按上述工艺设计进行优化改进，维护成本、人力成本、设备成本也有不同幅度降低，提高了企业经济效益，可用于实际生产之中。