缓倾斜厚煤层放顶煤开采工艺参数优化研究

引言：随着我国煤炭资源的不断开发，易开采的煤炭资源逐渐减少，缓倾斜厚煤层的开采占比逐渐增加。放顶煤开采作为一种高效厚煤层开采方法，在缓倾斜厚煤层中得到了广泛应用。然而，由于缓倾斜厚煤层地质条件的复杂性，其放顶煤开采工艺参数的合理选择直接影响着开采效果、资源回收率以及生产安全。因此，开展缓倾斜厚煤层放顶煤开采工艺参数优化研究具有重要的现实意义。

一、缓倾斜厚煤层放顶煤开采特点

缓倾斜厚煤层倾角一般在 8^∘-25^∘ 之间，与急倾斜厚煤层相比，其放顶煤开采具有自身特点。在顶煤冒落方面，缓倾斜厚煤层顶煤冒落相对较为均匀，不像急倾斜煤层那样容易沿倾斜方向发生滑动；在放煤过程中，煤炭流动方向主要是沿工作面推进方向和垂直方向，对放煤工艺参数的控制要求更为精细。同时，缓倾斜厚煤层开采时，工作面支护、设备选型等方面也需要考虑其特定的地质条件，以确保开采的安全与高效。

二、影响缓倾斜厚煤层放顶煤开采的主要工艺参数

（一）放煤步距

放煤步距是指两次放煤操作之间工作面推进的距离。放煤步距过大，会导致顶煤上方矸石过早混入放煤口，增加含矸率，同时部分顶煤无法及时放出，造成煤炭损失；放煤步距过小，则会使放煤次数增加，降低生产效率，且可能引起放煤口处煤炭堆积，影响放煤效果。

（二）放煤方式

常见的放煤方式有单轮顺序放煤、单轮间隔放煤、多轮顺序放煤和多轮间隔放煤等。不同的放煤方式对顶煤的放出规律、含矸率以及煤炭回收率有着显著影响。例如，单轮顺序放煤操作简单，但容易造成煤炭损失不均匀；多轮间隔放煤能较好地控制含矸率，但工艺相对复杂。

（三）支架放煤口尺寸

支架放煤口的长度和高度直接影响顶煤的放出量。放煤口长度过长，会使顶煤在放出过程中容易混入大量矸石；放煤口长度过短，则限制了顶煤的放出速度。放煤口高度不合理，同样会影响顶煤的冒落和放出效果，进而影响煤炭回收率和含矸率。

（四）顶煤厚度与强度

顶煤厚度和强度是影响放顶煤开采的内在因素。顶煤过厚，冒落难度增加，可能需要进行松动爆破等预处理措施；顶煤强度过高，也会影响其冒落性和放出效果，导致煤炭回收率降低。

三、工艺参数优化研究方法

（一）理论分析

通过对放顶煤开采过程中顶煤运动规律、应力分布等理论的研究，建立相关数学模型，分析各工艺参数与煤炭回收率、含矸率之间的关系。例如，运用散体物料流动理论分析顶煤在放煤过程中的流动特性，为放煤步距和放煤方式的优化提供理论依据。

（二）数值模拟

采用数值模拟软件，如 FLAC3D、PFC 等，对缓倾斜厚煤层放顶煤开采过程进行模拟。通过设定不同的工艺参数，模拟顶煤的冒落、放出过程，分析不同参数下顶煤的放出量、含矸率以及工作面围岩应力分布等情况。数值模拟可以直观地展示开采过程中各种参数的变化对开采效果的影响，为参数优化提供重要参考。

（三）现场实践

在理论分析和数值模拟的基础上，结合实际矿井条件进行现场试验。通过在实际工作面采用不同的工艺参数组合进行开采，收集相关数据，如煤炭产量、含矸率、顶煤回收率等，与理论分析和数值模拟结果进行对比验证，进一步优化工艺参数。

四、工艺参数优化研究结果

（一）放煤步距优化

通过理论分析和数值模拟发现，对于本文研究的缓倾斜厚煤层，当放煤步距为 1.0—1.2 倍采高时，煤炭回收率和含矸率能达到较好平衡。现场实践表明，采用该放煤步距后，工作面煤炭回收率提高了约 5% ，含矸率降低了 2 个百分点。

（二）放煤方式优化

经过对比不同放煤方式的数值模拟结果和现场实践数据，多轮间隔放煤方式在缓倾斜厚煤层放顶煤开采中表现最优。采用两轮间隔放煤，每轮放煤量控制在合理范围内，既能有效控制含矸率，又能提高煤炭回收率。现场应用显示，多轮间隔放煤使煤炭回收率提高了 8% 左右，含矸率控制在 10% 以内。

（三）支架放煤口尺寸优化

综合考虑顶煤厚度、强度以及放煤效果，确定支架放煤口长度为 1.2-1.5m ，高度根据顶煤厚度和支架型号进行调整，一般控制在 0.8-1.2m 之间。通过优化放煤口尺寸，改善了顶煤的放出条件，减少了煤炭在放煤口的堵塞现象，提高了放煤效率。

五、优化工艺参数的应用效果

（一）提高煤炭回收率

在缓倾斜厚煤层放顶煤开采中，通过对放煤步距、放煤方式以及支架放煤口尺寸等关键工艺参数进行系统优化，工作面煤炭回收率实现了显著跃升。精准调控放煤步距，使其与煤层赋存条件及顶煤冒落特性高度适配，避免了因步距不合理导致的顶煤滞留或过早混矸；科学选择放煤方式，依据顶煤流动规律合理安排放煤顺序与间隔，实现了顶煤的均匀、充分放出；合理设计支架放煤口尺寸，保障了顶煤顺畅流出且有效阻挡矸石。经实际生产验证，与优化前相比，工作面平均煤炭回收率提升了 10% 以上，极大减少了煤炭资源的无效损失，显著提高了资源利用效率，为矿井可持续发展奠定了坚实基础。

（二）降低含矸率

优化后的工艺参数在顶煤放出过程中发挥了精准调控作用，有效控制了矸石的混入。合理确定的放煤步距和放煤方式，使顶煤与矸石在放出界面上实现清晰分离，减少了矸石提前混入的机会；精心设计的支架放煤口尺寸，在保证顶煤顺利放出的同时，对矸石起到了良好的阻挡作用。现场严格检测数据显示，含矸率从优化前的 15% 左右大幅降低至 8% 以内，煤炭质量得到显著提升，大大减少了后续洗选加工环节的工作量和成本投入，提高了煤炭产品的市场竞争力。

（三）保障生产安全

此次对工艺参数的合理优化，全方位改善了工作面的开采条件。适宜的放煤步距和放煤方式，有效减轻了顶板压力，降低了顶板冒落等事故的发生概率；优化的支架放煤口尺寸，避免了放煤过程中因煤炭堆积或矸石滑落引发的安全隐患。同时，合理的工艺参数使开采作业更加顺畅高效，提高了工作面的生产效率，减少了工人在危险环境下的作业时间，降低了劳动强度。这一系列积极变化为矿井构建了安全、稳定、高效的生产环境，提供了有力保障。

结论

本文通过对缓倾斜厚煤层放顶煤开采工艺参数的研究，采用理论分析、数值模拟和现场实践相结合的方法，对放煤步距、放煤方式、支架放煤口尺寸等关键工艺参数进行了优化。研究结果表明，优化后的工艺参数能够显著提高煤炭回收率、降低含矸率，保障生产安全。本研究为缓倾斜厚煤层放顶煤开采提供了科学合理的工艺参数选择依据，对提高类似矿井的开采效益具有重要的推广应用价值。未来，随着开采技术的不断发展，还需进一步深入研究，不断完善和优化放顶煤开采工艺参数，以适应不同地质条件下厚煤层开采的需求。

参考文献

[1] 段天祥 . 急倾斜厚煤层水平分层放顶煤工作面瓦斯涌出量预测问题探究[J]. 内蒙古煤炭经济 ,2023,(02):25-27.

[2] 谢文武 , 郭忠平 , 杨恒泽 , 等 . 急倾斜厚煤层“单一巷道”放顶煤采煤法研究 [J]. 煤矿安全 ,2019,50(05):235-238.