特厚煤層綜放開采頂煤放出率影響因素分析

許力峰，張 勇，李 立，張 保，李俊峰，李宗超

(中國礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

綜放開采是隨著我國開采技術(shù)的不斷提高與采煤機(jī)裝備高可靠性、高強(qiáng)度發(fā)展而結(jié)合起來的針對特厚煤層的一種新型高產(chǎn)高效綜放開采方法，是厚及特厚煤層進(jìn)一步提高單產(chǎn)水平、實(shí)現(xiàn)安全高效高采出率的重要途徑［1－2］。目前在我國特厚煤層綜放開采實(shí)踐過程中，對煤巖冒放與頂板活動規(guī)律的研究仍處于探索階段［3］。同時煤層厚度的加大對大采高支架的適應(yīng)性提出了更高的要求，亟需進(jìn)行深一步研究。

針對此問題，采用PFC2D圓形離散單元體數(shù)值模擬軟件對山西興縣金地煤礦大采高工作面不同采高情況下散體頂煤的冒放規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，統(tǒng)計(jì)隨采高變化頂煤放出率，分析大采高液壓支架位態(tài)及其他影響因素對頂煤放出率的影響，研究大采高散體頂煤的運(yùn)動規(guī)律，為大采高放頂煤開采提供依據(jù)。

1 建立數(shù)值模型

山西興縣金地煤礦首采綜放工作面開采13號煤層，偽俯斜布置，走向長110～115m，平均為112.5m，傾向長1520～1615m，平均1567m。煤層厚度為10.89～12.98m，平均11.94m，可采指數(shù)100%;井田內(nèi)地層平均傾角為21°，工作面?zhèn)胃┬苯嵌葹?5°。13號煤層頂?shù)装寰鶠槟鄮r，偽頂泥巖0.62m，基本頂為砂巖，煤層的圍巖力學(xué)性質(zhì)及穩(wěn)定性均較差。根據(jù)礦井工作面地質(zhì)概況建立模型，模型中煤厚12m，按照頂板載荷為4～8倍采高的原則，散體頂板選取22m，分為2層，下分層為10m，上分層為12m，各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

現(xiàn)場采用低位放頂煤液壓支架，結(jié)合現(xiàn)場支架位態(tài)觀測結(jié)果，根據(jù)不同機(jī)采高度下液壓支架的各參數(shù)，數(shù)值模擬建立了可以改變支架高度和掩護(hù)梁傾角的低位放頂煤支架模型，見表2。割煤截深為0.8m，模型高34m，工作面推進(jìn)長度66.6m。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 液壓支架參數(shù)

分別對3m，3.5m，4m，4.5m和5m共5種采高情況散體頂煤動態(tài)放出形態(tài)與頂煤放出率進(jìn)行模擬，研究合理的開采機(jī)采高度，并對特厚煤層開采煤巖的冒放規(guī)律進(jìn)行分析。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 頂煤放出率分析

模擬過程分別采用一刀一放、兩刀一放和三刀一放3種放煤步距，模擬工作面推進(jìn)30刀時的頂煤冒落和放出過程，按照“見矸關(guān)門”和“遇拱人工不處理”的原則統(tǒng)計(jì)頂煤放出量，根據(jù)本文的研究內(nèi)容，暫不考慮頂煤初、末采及端頭頂煤損失，盡量準(zhǔn)確地計(jì)算和統(tǒng)計(jì)頂煤放出率。根據(jù)模擬結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出5種機(jī)采高度下，3種放煤步距的頂煤放出率關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 機(jī)采高度與頂煤放出率關(guān)系曲線

由圖1可知，頂煤放出率隨機(jī)采高度增加整體呈下滑趨勢。兩刀一放在3種放煤步距中頂煤放出率是最高的，3種放煤步距情況下均為3m機(jī)采高度時頂煤放出率最高，最高為兩刀一放時的93.04%。機(jī)采高度從3m增至4m過程中，頂煤放出率降低較緩慢，最高下降了1.84%，隨后降低幅度較大，直至機(jī)采高度5m時放出率達(dá)到最低，最低為三刀一放時的78.41%。機(jī)采高度從4m增至5m時，3種放煤步距情況下頂煤放出率分別下降了11.32%，9.60%和11.31%。由此可見，機(jī)采高度以及液壓支架各參數(shù)的變化對頂煤放出率有很大影響，根據(jù)圖1的結(jié)果，機(jī)采高度3m時兩刀一放放煤步距情況下頂煤放出率最高。

2.2 頂煤放出率的影響因素

2.2.1 液壓支架掩護(hù)梁傾角對放出橢球體的影響

根據(jù)放煤理論、相似模擬及數(shù)值模擬試驗(yàn)［8，11］，為簡化分析定義沿工作面走向推進(jìn)方向放煤步距范圍內(nèi)的煤巖放出體為放出橢球體，β為液壓支架掩護(hù)梁傾角，隨著機(jī)采高度的增加而變大，見圖2。

圖2 綜放開采放出橢球體

將支架后方和上方的煤矸分界線分為兩段線段，支架上方且靠近支撐梁側(cè)的斜線段為上部煤矸分界線la，支架正后方且靠近支架掩護(hù)梁側(cè)的斜線段為后部煤矸分界線lb。2條分界線與橢球體相切是最理想的放煤狀態(tài)，此時頂煤放出率最高。圖2是橢球體與后部煤矸分界線相切的情況，切點(diǎn)為A。模擬結(jié)果顯示，一刀一放、三刀一放兩種放煤步距情況下頂煤放出率均低于兩刀一放，主要是由于這兩種放煤步距分別低于和高于合理放煤步距，一刀一放時，后方矸石先于上方矸石到達(dá)放煤口，造成支撐梁上方一部分煤體不能及時放出而出現(xiàn)煤損;三刀一放時，上方矸石先于后方矸石到達(dá)放煤口，在放煤步距間留有較多的煤體而不能放出。兩刀一放為最接近合理放煤步距的情況，以下主要考慮兩刀一放放煤步距。

根據(jù)以往學(xué)者提出的放出橢球體理論以及建立的綜放開采的放出橢球體模型［4－7］，在綜放開采中支架掩護(hù)梁傾角會對支架上方和后方的煤矸運(yùn)動產(chǎn)生不同的影響，其會利于支架后方的頂煤向放煤口運(yùn)動，而不利于支架上方和前方的頂煤向放煤口運(yùn)動，進(jìn)而造成支撐梁上方丟煤量的增加，從而影響了橢球體的放出量，使橢球體放出量隨著支架掩護(hù)梁傾角的增大呈現(xiàn)減小的趨勢。圖4為5種采高下綜放開采放出橢球體模擬結(jié)果。

圖4 不同采高下綜放開采放出橢球體模擬結(jié)果

2.2.2 煤矸分界線的穩(wěn)定性

在大采高綜放開采放煤過程中，隨著采高的增加，散體煤矸在運(yùn)動方向上的重力分量增大，導(dǎo)致煤矸流動的速度變快，在一定程度上會提高頂煤的放出效率;另一方面，必會對煤矸分界線的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。通過監(jiān)測放煤過程中煤矸分界線上首放矸石及其周圍散體煤的速度－時間曲線，研究對頂煤放出率的影響。煤矸分界線只有處于穩(wěn)定狀態(tài)時可放區(qū)頂煤才被完全放出，前提是煤矸分界線處的頂煤按各自跡線同時到達(dá)放煤口。在自然狀態(tài)下煤矸分界線受外界因素的影響很難達(dá)到這種穩(wěn)定狀態(tài)，其多數(shù)處于紊亂狀態(tài)，致使放煤損失在自然狀態(tài)下不能完全消除［8］。圖5為隨機(jī)監(jiān)測的不同采高情況下煤矸分界線上的首放矸石及其周圍的散體頂煤放出時的速度－時間曲線，圖中速度最后急劇增大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對應(yīng)的時刻為單元體從放煤口放出的時刻，其中虛曲線表示首放矸石的放出時刻。由圖5可知，采高為3m，4m，5m時的首放矸石和周圍頂煤放出的時間間隔分別為2000時步、8000時步和14000時步，說明隨著采高的增加煤矸分界線的穩(wěn)定程度降低。這主要是由于隨著采高及液壓支架掩護(hù)梁傾角的變大，支架上方的頂煤距放煤口的距離變大，放煤時采空區(qū)側(cè)矸石易超前頂煤提前到達(dá)放煤口，造成煤矸分界線的紊亂，同時煤矸在放出前的速度波動范圍變大，流動性相對增強(qiáng)，造成放頂煤過程中混矸程度的加劇，從而影響支架上方頂煤放出的充分性。大采高綜放開采由于采放比、掩護(hù)梁傾角和放煤口尺寸變化導(dǎo)致的放煤速度快和混矸程度加劇的特點(diǎn)已被現(xiàn)場放煤實(shí)踐所證明［9］。

圖5 不同采高頂煤首放矸石速度－時間曲線

2.2.3 煤矸成拱

煤矸成拱是影響頂煤放出率的一個重要因素［8］，煤矸成拱后直接造成頂煤無法放出而使頂煤回收率降低并影響放煤效率。對模擬放煤過程中煤矸成拱的次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得出兩刀一放時不同采高情況下頂煤的成拱次數(shù)，如表3所示。

表3 不同采高下煤巖的成拱次數(shù)

由表3可看出，隨著采高的增加，煤矸成拱的幾率大幅度增大。煤矸成拱是放頂煤過程中采煤工藝、機(jī)械設(shè)備、礦山壓力等共同影響的結(jié)果。根據(jù)散體介質(zhì)理論［10］，一方面由于放煤口尺寸影響，使散體頂煤矸易在放煤口處擠壓成拱;另一方面頂煤矸放出速度的加快，造成其在放出過程中相互擠壓摩擦的幾率增大，易形成平衡結(jié)構(gòu)成拱。故成拱次數(shù)隨采高的增大而增多的概率變大，頂煤放出率則相應(yīng)降低。

綜合以上對頂煤放出率影響因素的分析研究，山西興縣金地煤礦13號煤層首采綜放工作面選取3m為合適采高，以達(dá)到較高頂煤放出率和生產(chǎn)效率的目的。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

山西興縣金地煤礦首采綜放工作面采高為3m，工作面平均煤層厚為11.94m，放頂煤高度為8.94m，采放比約為1∶3，采用支撐掩護(hù)式低位放頂煤液壓支架，煤機(jī)截深0.8m，兩刀一放，對首采工作面進(jìn)行了現(xiàn)場觀測，觀測結(jié)果見表4。

由表4可以看出，此種方案下工作面采出率平均值達(dá)到了81.96%，并且在觀測期間，液壓支架并未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，工作穩(wěn)定良好。故該方案可以在該工作面及相似條件下工作面推廣采用。

4 結(jié)論

(1)通過PFC2D離散單元體法模擬了特厚煤層低位放頂煤5種采高情況散體頂煤的冒放規(guī)律及頂煤放出率，結(jié)果顯示隨著采高的增加，頂煤放出率呈下降趨勢，采高3m時兩刀一放放煤步距情況下頂煤放出率最高，達(dá)到93.04%;通過理論分析得出頂煤放出率隨低位放頂煤支架掩護(hù)梁傾角增大而降低，并由模擬結(jié)果證明了其正確性。

表4 現(xiàn)場實(shí)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

(2)隨機(jī)監(jiān)測了不同采高下首放矸石及其周圍頂煤放出時的速度－時間曲線，得出隨著采高的增加煤矸分界線的穩(wěn)定程度降低，速度波動范圍變大，造成煤矸分界線的紊亂及混矸程度的加劇，從而影響頂煤放出率。統(tǒng)計(jì)了5種采高下頂煤放出時煤矸成拱的次數(shù)，結(jié)果表明成拱次數(shù)隨采高的增大而增多的概率變大，頂煤放出率相應(yīng)降低。

(3)在實(shí)際生產(chǎn)中工作面采高為3m，采放比約為1∶3，煤機(jī)截深0.8m，兩刀一放，觀測期間工作面取得了較高的頂煤回收率，故該方案可以在該工作面及相似條件下工作面推廣采用。

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