基于顶煤流动规律的厚煤层崩落采场卸采参数优化

这项采矿研究为何重要

随着易采煤层逐渐枯竭，矿山不得不转向更深、更厚但更难采、风险更高的煤层。在这种条件下，称为综采顶煤放顶的方法可以从每一刨面中开采出更多煤——但前提是破碎的顶煤能顺畅流动，同时把不需要的岩石阻隔在外。本文以中国西南地区的一个真实矿井为例，提出了一个看似简单却至关重要的问题：我们应如何安排和时序放顶煤，使得在获得最多可用燃料的同时把废石降到最低？

在拿到煤的同时避免过多岩石的难题

在厚煤层中，现代采煤机只切割煤层的下部。上部的“顶煤”让其自行塌落并通过液压支架后方的开口流出。理想情况下，破碎的顶煤会顺着料槽落到皮带上，而覆盖其上的岩层——也就是矸石——保持原位。现实中，流动更像倾斜沙漏中的沙砾：如果开口过大、间距过宽或开启时间过长，岩石会涌入，稀释煤质并提高处理成本；若开口太小或过早关闭，则大量顶煤被滞留在上方，永远丧失。

用模型与缩尺试验探测顶煤流动

研究人员聚焦于谢家沟煤矿11508工作面，该主煤层约五米厚且构造稳定。首先，他们测量了煤体及围岩的强度与裂隙状况，确认顶煤自然破碎程度足以塌落并可流动。接着他们建立了由数千个颗粒组成的细致计算机模型，以模拟综采工作面周围的煤与顶板岩。在这些仿真中，他们可以调整两个关键参数：采机在每次卸采前推进的距离（步距），以及采机切割高度与顶板抽采高度之比（采挖比）。

在时机与比例上寻找最佳点

通过运行大量虚拟采掘循环，团队比较了不同参数组合。当采进与卸采在距离上保持一比一时，每步的产煤相对均匀；而当三次切割后才进行一次卸采时，每次回采量波动较大，遗留的煤更多。十二组更系统的仿真表明，卸采事件间隔对最终采收率的影响最大——约为高度比的六倍。较短的步距（0.8米）与约1∶1.5的中等采挖比结合，产生了最高的模拟采收率，超过85％，且各步之间的流动稳定。

在实验室检验实际行为

为交叉验证虚拟结果，作者搭建了一个透明罐体，黑色碎石代表煤，白色碎石代表顶板岩，按实际煤层几何缩尺制备。底部可调节的插槽模拟支架上的卸采口。通过改变步距和开启模式并称量每个插槽流出的物料，研究人员得以观察微小时序变动如何改变采收量与矸石占比。较短的步距回收最多煤，但若卸采持续过久也会带出更多岩石；较长的步距虽能在一定程度上减少矸石，但会在模型的采空区遗留更多煤。

何时关闭“流入岩石的窗口”

鉴于任何实际作业都必须在煤价与去除杂质的成本之间权衡，团队进一步量化了停止每次卸采的切断规则。在物理模型上，他们测量了自矸石首次出现后随卸采继续矸石比例的上升曲线。由此提出了实用的“关闭窗口”原则：在早期卸采阶段，可选择允许矸石体积占比上升至约五分之一以换取近乎完全的采收；若煤质优先，则在矸石接近八分之一时提前停止。在重复循环中，他们建议放宽限定——约为体积的六分之一——因为剩余煤量减少，经济取舍发生变化。

从仿真到工作面

将这些优化设置应用于11508工作面——切割1.96米、抽采2.94米，并以每0.8米推进一次的纪律化“见矸则关”规则——矿井测得的顶煤采收率约为91.5％，同时矸石含量降至约30％，远优于早先的做法。对非专业读者而言，这意味着在相同井下体积中获得更多可用煤，需运送和洗选的废石更少，以及每生产吨煤对围岩的扰动更小。这项工作表明，对破碎顶煤流动机理的细致理解可以转化为具体规则，使深厚煤层采掘更高效、更经济。

引用: Wu, S., Xu, X., Wang, J. et al. Optimization of drawing parameters based on top-coal flow law in thick-seam caving mining. Sci Rep 16, 12078 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35742-9

关键词: 综采顶煤放顶, 采收率, 采矿优化, 矸石控制, 厚煤层