煤矿生产的安全性和生产效率是降低煤矿生产成本、提高煤矿利润的基础。对于厚煤层而言,目前主要应用的采煤工艺存在巷道掘进工作量大,且在开采期间对巷道维护的工作量较大,导致其生产成本增大,生产效率偏低的问题。为解决上述问题,本文开展了关于厚煤层综合采煤工艺参数的研究,并对其应用效果进行验证。具体阐述如下:
所谓厚煤层指的是煤层厚度在3.5m以上的煤层。经统计可知,我国目前厚煤层煤矿占据全国煤炭资源的47%。某煤矿的5#、8#煤层的平均厚度为10.58m和6.11m,属于厚煤层的范畴。某矿经2014年技术改造后,目前生产能力为4.5Mt/a,主要采用斜井进行开拓,具体应用的采煤方式为长壁采煤机和分层综合机械化采煤工艺,其工作面顶板采用全部垮落法进行管理。
以某矿5#煤层工作面为研究对象,该工作面的顶底板情况如表1所示:
5#煤层工作面煤层的倾角范围为2°-5°,工作面走向总长度为713m,倾向长度为146m。该工作面最大涌水量为 31m3/h,正常涌水量为12.5m3/h。
目前,某矿所采用的工作模式为“三八”制生产方式,其每班工作时间为8h;工作面共安装有94台液压支架,其中包含有6个过渡支架,且每台液压支架的中心间距为1.5m。按照每个液压支架放煤时间为2.5min,则在每个循环中的放煤总时间为225min。因此,按照采煤机的有效截割深度为0.8m,工作面煤炭推进3.2m计算,则5#煤层工作面每年推进的距离为1056m。
所谓采放比为采煤机破煤高度和放顶煤高度的比值,且破煤高度和放顶煤高度的和为采煤高度。当前我国综采工作面的采煤机采煤高度一般在2.5-3.6m之间,结合某矿的地质、水文以及煤层条件,初步确定采煤机的割煤高度为3m。
一般,放煤高度为煤层总厚度减去割煤高度所剩余的高度值。某煤矿5#煤层的高度为10.58m,割煤高度为3m,则对应放煤高度值为7.58m。
则,最终确定某矿5#煤层工作面的采放比为:1:2.5。
所谓放煤步距指的是,在两次放煤循环之间工作面所推进的距离。一般情况下,放煤步距为采煤机割煤深度的整数倍。针对该煤矿5#煤层工作面采煤机的有效割煤深度为0.8m,结合常见的放煤方式将放煤步距初步确定为0.8m、 1.6m和2.4m,并基于PFC数值模拟软件对上述放煤步距值进行最终确认。不同放煤步距下对应工作面的回收率如表2所示:
如表2所示,随着放煤步距的增大,顶煤的回收率在减少。因此,针对5#煤层的条件最终确定放煤步距为0.8m。
在实际生产过程中,根据工作面所开启放煤口的数量、顺序以及放煤量的不同可组成不同的放煤方式。目前,工作面常采用的放煤方式包括有单轮间隔放煤、单轮顺序放煤以及多轮顺序放煤。同样,根据不同放煤方式下对应顶煤放出率最终确定放煤方式。经研究可知:在单轮间隔放煤方式下顶煤的放出率为83.2%;在单轮顺序放煤方式下顶煤的放出率为78.1%;在多轮顺序放煤方式下顶煤的放出率为85.3%。
综上所述,最终确定5#煤层工作面最佳放煤方式为多轮顺序放煤。
综采工作面的主要设备为采煤机、刮板输送机和液压支架。在实际选型过程中,应遵循如下原则:确保所选型设备能够充分发挥放顶煤开采的优势;所选型设备应与5#煤层工作面的条件相匹配,使得生产效率达到最大化;所选型设备能够最大限度的降低现场作业人员的劳动强度。
结合采煤机的割煤高度为3m和采放比为1:2.59,并充分考虑采煤机在其他工作面的适用性要求,初步确定所选型采煤机的滚筒直径应在1.8-2.4m之间。
此外,根据相关计算公式得出所选型采煤机的最大落煤量应为761t/h,对应采煤机的功率要求应大于1200kW。
根据采煤机采高、放煤高度并结合工作面顶板的岩石容重和顶煤容重,采用采高倍数估算法得出所选型液压支架的支护强度应为0.7MPa,则其对应液压支架的工作阻力为6492.5kN。
基于顶板动载荷分析法,结合工作面直接顶失稳时的动载系数以及冒落带岩层自重应力和顶煤的自重应力得出液压直接在动载状态下的支护强度应大于1.1MPa。
综上所述,所选型液压支架的支护强度应大于1.1MPa;根据割煤高度确定其支护高度最大值为3.5m。
结合采煤机的最大落煤量为761t/h,要求刮板输送机运输能力必须大于761t/h,在结合实际生产情况并留有余量的基础上确定刮板输送机的最小运量不得小于1800t/h。
此外,综采工作面涉及到关键设备的选型如表3所示:
为保证厚煤层工作面的开采效率、降低其巷道掘进和后期支护的难度和成本。针对某矿厚煤层工作面,本文完成了其综合采煤工艺参数的确定,具体总结如下:
(1)确定综合采煤的采放比为1:25;放煤步距为0.8m;放煤方式为多轮顺序放煤;
(2)对应工作面关键设备的主要技术参数如下:采煤机滚筒直径为1.8-2.4m,功率应为1200kW以上;液压支架的支护强度为1.1MPa,支护高度范围为1.8-3.5m;刮板输送机的运输能力为1800t/h。
摘要：为提升厚煤层工作面的开采效率,降低其生产成本,以某矿5#煤层工作面为例在分析其地质、水文以及煤层条件的基础上,完成其对应综合采煤工艺关键参数(采放比、放煤方式以及放煤步距)的设计,并完成综采工艺对应采煤机、刮板输送机以及液压支架等设备的主要技术指标的确定。
关键词：厚煤层,综合采煤机,采放比,放煤步距,设备选型
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