三元煤业综放工作面开采工艺参数的确定.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０２􀆽 ２４ 基金项目内蒙古科技大学创新基金资助项目２０１５ＱＤＬ０２ 作者简介宣鹏云１９８４ － ꎬ男ꎬ山西长治人ꎬ助理工程师ꎬ从事生产技术工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０７. ００５ 三元煤业综放工作面开采工艺参数的确定 宣鹏云 山西三元煤业股份有限公司ꎬ山西 长治 ０４６０００ 摘 要以三元煤业 ４３０１ 综放工作面开采工艺选择为背景ꎬ通过引入模糊评价函数对顶煤冒放性进行综 合评价ꎬ得出工作面顶煤冒放性属于Ⅱ类ꎻ分析了工作面回采工艺主要参数对放顶煤回采的影响ꎬ并确定 了各参数具体数值ꎬ保证了矿井的高产高效ꎬ为类似条件下综放工作面回采工艺参数的选择提供了参考依 据ꎮ 关键词放顶煤ꎻ顶煤冒放性ꎻ采放比 中图分类号ＴＤ８２３. ９７ 文献标识码Ａ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００７􀆽 ００１５􀆽 ０３ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｆｕｌｌｙ􀆽 ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ Ｃａｖｉｎｇ Ｆａｃｅ ｉｎ Ｓａｎｙｕａｎ Ｍｉｎｉｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ＸＵＡＮ Ｐｅｎｇ􀆽 ｙｕｎ Ｓｈａｎｘｉ Ｓａｎｙｕａｎ Ｃｏａｌ Ｃｏ. ꎬ Ｌｔｄ. ꎬ Ｃｈａｎｇｚｈｉ ０４６０００ꎬ Ｃｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈ ｔｈｒｅｅ ｙｕａｎ ４３０１ ｆｕｌｌｙ － ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｃａｖｉｎｇ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃｈｏｉｃｅ ａｓ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄꎬ ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｆｕｚｚｙ ｅｖａｌ￣ ｕａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｐ － ｃｏａｌ ｔａｋｅ ｐｕｔ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎꎬ ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｍｉｎｉｎｇ ｔｏｐ － ｃｏａｌ ｔａｋｅ ｐｕｔ ｓｅｘ ｂｅ￣ ｌｏｎｇｓ ｔｏ Ⅱ ｃｌａｓｓｅｓꎻ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｏｐｉｎｇ ｏｆ ｔｏｐ － ｃｏａｌꎬ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓꎬ ｗｈｉｃｈ ｅｎｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅꎬ ａｎｄ ｐｒｏ￣ ｖｉｄｅｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｌｌｙ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｔｏｐ － ｃｏａｌ ｃａｖｉｎｇ ｆａｃｅ ｕｎｄｅｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｃａｖｉｎｇꎻ ｔｏｐ － ｃｏａｌ ｃａｖｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｙꎻ ｃａｖｉｎｇ ｒａｔｉｏ 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ꎮ 决定工作 面是否能够采用放顶煤开采ꎬ顶煤冒放性无疑是最 主要的影响因素[１]ꎮ 而影响顶煤冒放性除了煤层本 身的赋存条件外ꎬ工作面开采工艺参数也是主要的 影响因素ꎬ选择合理的工艺参数对于提高顶煤放出 率ꎬ提升矿井资源回收率ꎬ增加矿井经济效益有积极 的推动作用[２ －３]ꎮ 本文以三元煤业 ４３０１ 综合机械 化放顶煤工作面开采为背景ꎬ对工作面顶煤冒放性 进行了分析ꎬ并对综放工艺参数进行了优化ꎬ为工作 面高产高效提供了技术保障ꎮ １ 工程概况 三元煤业目前主采 ３ 号煤层ꎬ４３０１ 综放工作面 位于该矿 ３ 号煤层四盘区ꎬ工作面煤层平均厚度 ７. ３７ ｍꎬ倾角 １ ３ꎬ平均埋深 ３６８ ｍꎬ赋存稳定ꎮ 工 作面倾向长度 ２２０. ５ ｍꎬ走向长度 ６８９ ｍꎬ采用综合 机械化放顶煤工艺进行开采ꎮ 煤层基本顶为砂泥岩 互层ꎬ平均厚度 １３. ８５ ｍꎬ深灰色ꎬ厚层状ꎬ缓波状层 理ꎻ直接顶为细粒砂岩ꎬ平均厚度 １１. ０３ ｍꎬ中部有 ０. １ ｍ 含 砂 质ꎻ 直 接 底 为 砂 质 泥 岩ꎬ 平 均 厚 度 １０. ２１ ｍꎬ灰色ꎬ厚层状ꎬ缓波状层理夹泥质条纹ꎮ 采 用 １４９ 组 ＺＦ５４００/１７/３２ 型支架对工作面进行支护ꎮ ２ 顶煤冒放性分析 煤层自身存储条件ꎬ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ꎮ 本文引入模糊评价函数对煤层赋存条件进 行综合性评价ꎬ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ꎬ而是以一个模糊集 合来表示ꎬ如下 ｂｊ＝ Σ ｎ ｉ ＝１Ｗｉ􀅱γｉꎬ ｊ ＝１ꎬ２ꎬ􀆻􀆻ꎬｍ １ ５１ 成成果果应应用用 总第 ２５１ 期 式中ｂｊ为综合评价值ꎻＷｉ为多因素权重ꎻγｉ评 价因素指标隶属度矩阵ꎮ 由公式１可知ꎬ影响顶煤冒放性评价指标的 主要因素就是各指标隶属度ꎬ４３０１ 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ꎮ 根据 ４３０１ 工作面地质条 件可知ꎬ工作面埋深 ３６８ ｍꎬ煤层单轴抗压强度为 １０. ５ ＭＰａꎬ煤层普氏系数 ｆ ＝１. ０５ꎬ采放比 １∶ １. ６３ꎬ 煤层节理裂隙间距平均 ０. ２ ｍｍꎮ 根据表 １ 表 ３ꎬ 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. ０５ꎬγ１＝０. ９ꎻ 工作面煤层普氏系数 ｆ ＝１. ０５ꎬ采放比１∶ １. ６３ꎬ 因此采放比对顶煤冒放性隶属度值 γ２＝０. ９ꎻ 煤层节理裂隙对顶煤冒放性隶属度值 γ３＝ ０. ８５ꎮ 表 １ 煤层埋深与强度之比对顶煤冒放性隶属度关系 Ｈ/ ＲＣ≤５.５ ５.５ １０ １０.１ １５ １５. １ ２０ ２０.１ ３０ ３０. １ ４０ ４０ γ１０.２０.３０.７０.８０.８５０.９０.９５ 注Ｈ 为煤层埋深ꎬｍꎻＲＣ为煤层单轴抗压强度ꎬＭＰａꎮ 表 ２ 采放比对顶煤冒放性隶属度关系 煤层普氏系数ｆ≥２.５ｆ ０. ９０.８ ０.８９ ０. ７ ０. ７９ ０.６ ０.６９０. ６ 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ꎬ发生松动、破 坏直至充分垮落是综放开采的前提ꎮ 顶煤垮落高度 由煤层自身的碎胀系数和工作面采高决定ꎬ如果采 高选择较大ꎬ顶煤留设较薄ꎬ放煤时间缩短ꎬ极易混 入矸石ꎬ增加采出煤炭的含矸率ꎻ如果采高选择较 小ꎬ顶煤留设较厚ꎬ可能导致部分顶煤无法垮落ꎬ造 成资源的严重浪费ꎮ 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ꎮ 计算 ４３０１ 综放工作面采放比按照以下公式进行 ｈ ＝ ｈ/ ｋ －１２ 式中ｈ 为顶煤厚度ꎬｍꎻｈ为工作面采高ꎬｍꎻｋ 为煤层的碎胀系数ꎮ 根据实验室测定ꎬ３ 号煤层的碎胀系数为 １. ４０ １. ６０ꎬ４３０１ 工作面煤层厚度为 ７. ３７ ｍꎬ因此 工作面合理的顶煤厚度为 ４. ６１ ５. ２６ ｍꎬ采高为 ２. １ ２. ８ ｍꎬ结合现场实际情况ꎬ工作面采高选择 ２. ８ ｍꎬ放顶煤厚度 ４. ５７ ｍꎮ 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ꎬ由 于在顶煤冒放过程中会在放煤口附近形成“脊背 煤”ꎬ放煤间距直接决定了“脊背煤”范围的大小ꎬ从 而间接决定了煤炭损失量的多少ꎮ 因此根据放顶煤 椭球体理论[４]可知图 １ꎬ如果放煤间距 Ｄ 为椭球 体短轴长度 ２ ｂ 时ꎬ放煤时间较长ꎬ支架后方放煤口 处易形成放煤漏斗间的“脊背”现象ꎬ即煤炭损失会 很大ꎬ见图 １ａꎻ如果放煤间距 Ｄ 为椭球体短轴长 度的一半即 ｂ 时ꎬ放煤时间较短ꎬ虽然煤炭损失量 小ꎬ但是第 １ 次放煤漏斗中的矸石会混入ꎬ采出煤炭 的含矸率会增加ꎬ见图 １ｂꎬ因此合理的放煤间距 Ｄ 应该为ｂ Ｄ ２ ｂꎮ ６１ ２０２０ 年 ７ 月 宣鹏云三元煤业综放工作面开采工艺参数的确定 第 ２９ 卷第 ７ 期 图 １ 放煤椭球体理论示意 根据椭圆偏心率计算公式可以推导出[５] ｂ ＝ １ ２ ｍ ｈ ｎ ＋２ ２ ３ 式中ｍꎬｎ 为试验常数定值ꎬｍ 取 ０. ９８５ꎬｎ 取 －０. ８５ꎻｈ 为顶煤厚度ꎬｍꎮ 三元煤业 ４３０１ 综放工作面合理的放煤间距 Ｄ 为 １. １９ ２. ３８ ｍꎬ考虑到工作面支架中心距为 １. ５ ｍꎬ因此工作面放煤间距确定为 １. ５ ｍꎮ ３. ３ 放顶步距的确定 放顶步距的合理选择对于提高综放工作面煤炭 回收率影响较大ꎬ放煤步距较大ꎬ支架放煤口上方矸 石会优先到达放煤口造成煤炭损失量增加ꎬ如图 ２ ａ所示ꎻ放煤步距较小ꎬ支架后方采空区矸石会优 先到达放煤口ꎬ造成采出煤炭的含矸率增加ꎬ如图 ２ ｂ所示ꎮ 因此必须对放顶步距进行合理的选择ꎮ 图 ２ 不同放顶步距下煤炭损失 根据我国放顶煤工作面经验公式[６]可得 Ｌ ＝ ０. １５ ０. ２１ｈ － ｈ１３ 式中Ｌ 为放顶步距ꎬｍꎻｈ 为顶煤厚度ꎬｍꎻｈ１为 支架放煤口的高度ꎬｍꎮ 由于三元煤业 ４３０１ 综放工作面支架采用低位 放顶煤ꎬ放煤口高度取 ０. １５ ｍꎬ所以 ４３０１ 工作面放 顶步距为 ０. ６６ ０. ９３ ｍꎬ考虑到工作面煤机截深为 ０. ６ ｍꎬ因此工作面确定放顶步距为 ０. ６ ｍꎬ即一刀 一放的方式进行放煤ꎮ ４ 结 语 １ 采用模糊评价函数ꎬ对４３０１ 综放工作面顶 煤冒放性进行了综合评价ꎬ得出了 ４３０１ 综放工作面 顶煤冒放性属于Ⅱ类ꎬ冒放性好ꎬ适宜采用放顶煤工 艺进行开采ꎮ ２ 对 ４３０１ 综放工作面主要开采工艺参数进 行了理论分析ꎬ 得出工作面合理的采高选择为 ２. ８ ｍꎬ放顶煤厚度 ４. ５７ ｍꎻ合理的放煤间距确定为 １. ５ ｍꎻ放顶步距为 ０. ６ ｍꎬ即一刀一放的方式进行 放煤效果较好ꎮ 参考文献 [１] 许孟和ꎬ王慧杰. 古城煤矿综放工作面顶煤冒放性分 析[Ｊ]. 煤ꎬ２０１９ꎬ２８１２７６ －７７ꎬ８６. [２] 谢 群. 特厚煤层综放工作面开采技术研究[Ｊ]. 煤炭 科技ꎬ２０１９ꎬ４０６５１ －５３. [３] 雷志宏. 特厚硬煤层采放工艺参数优化研究及应用 [Ｊ]. 煤炭科技ꎬ２０１９ꎬ４０５６５ －６８. [４] 田 多ꎬ师皓宇ꎬ付恩俊ꎬ等. 基于椭球体理论的放煤 步距与放出率关系研究[Ｊ]. 煤炭科学技术ꎬ２０１５ꎬ４３ ５５１ －５３ꎬ１４３. [５] 孟国胜. 公务素矿大倾角特厚煤层长壁综放开采工艺 研究[Ｄ]. 包头内蒙古科技大学ꎬ２０１２. [６] 徐 涛ꎬ谢 波. 大倾角高产高效综采放工艺技术 研究[Ｊ]. 煤矿开采ꎬ２００７ꎬ ３６１０５３ －６０. [责任编辑常丽芳] ７１ ２０２０ 年 ７ 月 宣鹏云三元煤业综放工作面开采工艺参数的确定 第 ２９ 卷第 ７ 期