基于數(shù)值模擬的綜放工作面頂煤采出率研究

靳職鵬

(汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)，山西 孝義 032300)

引 言

放頂煤開采的關(guān)鍵是利用支承壓力將采場(chǎng)前方及上方煤體壓碎并放出。頂煤的冒放性是指頂煤冒落與放出的難易程度，包含兩方面的含義，即頂煤的冒落形態(tài)和放出特性。影響頂煤冒放性的因素很多，例如煤體強(qiáng)度、裂隙分布、采放煤厚度、直接頂垮落特性、夾矸情況、支架架型與開采工藝等。機(jī)械化放頂煤開采自1984年在我國首次應(yīng)用以來，國內(nèi)學(xué)者已對(duì)影響頂煤冒放性的因素進(jìn)行了大量研究，得出了許多有益的結(jié)論，而特厚煤層大采高綜放回采工藝自21世紀(jì)初提出以來，由于其發(fā)展時(shí)間較短及回采工藝的復(fù)雜性，其頂煤冒放性出現(xiàn)了一些新的有待研究的特征，其中機(jī)采高度的增加對(duì)頂煤冒放規(guī)律的影響研究尤為重要[1-3]。本文針對(duì)某礦8105工作面具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究手段，對(duì)大采高綜放回采的頂板及頂煤活動(dòng)規(guī)律、頂煤冒放性影響因素及煤炭采出率展開研究。

1 綜放開采頂煤運(yùn)移規(guī)律研究

機(jī)采煤和頂煤應(yīng)力分布特征一致，在同一橫向區(qū)域內(nèi)應(yīng)力變化基本一致，隨機(jī)采高度增加，支承壓力峰值點(diǎn)逐漸前移，支承壓力對(duì)頂煤的破碎區(qū)域增大，破碎作用增強(qiáng)；同時(shí)，在支承壓力影響下，頂煤塑性區(qū)范圍也隨機(jī)采高度增大而增大，說明隨機(jī)采高度增大，頂煤破壞程度加劇，冒放性也隨之提高；工作面采場(chǎng)由后至前，頂煤及頂板豎向位移逐漸向前發(fā)展，位移云圖呈現(xiàn)明顯的條帶狀，且隨機(jī)采高度增加，位移條帶向前發(fā)展更遠(yuǎn)，表明頂煤受擾動(dòng)的程度加大，有利于頂煤的破碎和放出。

頂煤及直接頂?shù)拿胺判钥捎闷淦扑槌潭群涂迓錉顟B(tài)來衡量，如果直接頂和頂煤冒放性差別較大，形成的煤巖塊粒徑差別也較大，則放煤過程中因煤巖塊流動(dòng)性不同而不易混矸，而垮落狀態(tài)又可用其破斷角來衡量，頂煤、直接頂破斷角一般為70°～110°。破斷角大小對(duì)頂煤采出率及含矸率有較大影響，較小時(shí)利于降低含矸率，但采出率較低，較大時(shí)則采出率較大，但含矸率不易控制[4-6]。

綜放工作面放煤工藝主要包含放煤步距和放煤方式兩項(xiàng)內(nèi)容，是影響工作面煤炭采出率和含矸率的重要因素。確定放煤步距的原則是：有利于提高頂煤冒放性和頂煤采出率，降低含矸率。若放煤步距偏大，支架后方煤矸運(yùn)動(dòng)距離較大，則上部矸石先到達(dá)放煤口，造成采空區(qū)側(cè)三角煤損失；若放煤步距偏小，支架上方煤矸運(yùn)動(dòng)距離較大，則后方矸石先到達(dá)放煤口，造成上部頂煤損失。放煤方式不僅影響工作面煤炭采出率和含矸率，還對(duì)工作面放煤速度、推進(jìn)速度和產(chǎn)量有較大影響。常見的放煤方式主要有：?jiǎn)屋嗧樞蚍琶骸屋嗛g隔多口放煤、多輪分段順序等量放煤、多輪間隔順序多口放煤等。采用何種放煤方式，應(yīng)針對(duì)具體煤層賦存條件，如煤厚、采放比、煤質(zhì)硬度、頂板硬度等，結(jié)合已有理論成果合理選用。

2 頂煤采出率數(shù)值模擬分析

根據(jù)8105工作面實(shí)際使用的ZF/15000/27.5/42型液壓支架的具體參數(shù)，應(yīng)用PFC2D數(shù)值模擬工具，建立四個(gè)數(shù)值模型，對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)割煤高度分別為3.0、3.5、4.0、4.5 m，在煤層總平均厚度15.5 m的前提下，4個(gè)數(shù)值模型對(duì)應(yīng)的的頂煤厚度是12.5、12、11.5、11 m。初次放煤結(jié)束后，開始進(jìn)入割煤、移架、推前溜、放頂煤、拉后溜的循環(huán)作業(yè)工序。模擬前兩次循環(huán)放煤過程，放煤步距為0.8 m。

分析模擬結(jié)果可知：當(dāng)機(jī)采3.0 m時(shí)，放煤情況較好，但由于放煤厚度較大，頂煤無法在后部矸石到達(dá)放煤口前全部放出，煤炭采出率難以保證；當(dāng)機(jī)采3.5 m時(shí)，支架側(cè)的煤巖分界線仍有一定程度的煤矸互竄，但煤矸流場(chǎng)形態(tài)良好，總體上煤炭采出率及含矸率基本可以保證；當(dāng)機(jī)采4.0 m時(shí)，煤矸流場(chǎng)形態(tài)達(dá)到理想狀態(tài)，放煤漏斗成型較好，放煤過程中支架掩護(hù)梁上方待放頂煤均勻破碎，頂煤采出率及含矸率均能得到保證；當(dāng)機(jī)采4.5 m時(shí)，煤矸運(yùn)移狀態(tài)趨于穩(wěn)定，頂煤放出情況較好，但仍有一定程度的煤矸互竄情況，導(dǎo)致含矸率增大。

通過工藝模擬，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算得出四個(gè)方案煤炭采出率及含矸率如表1所示，并作煤炭采出率、含矸率隨機(jī)采高度變化曲線圖，如圖1所示。

分析圖表可知，煤炭采出率隨機(jī)采高度增大而增大，且機(jī)采高度超過4.0 m后，曲線斜率減?。缓仿试跈C(jī)采高度由3.5 m增至4.0 m時(shí)有微弱降低，隨后急劇增大；對(duì)比可知，機(jī)采高度宜控制在3.5 m～4.0 m范圍內(nèi)，4.0 m時(shí)效果最好。

表1 煤炭采出率及含矸率統(tǒng)計(jì)表

圖1 煤炭采出率和含矸率隨機(jī)采高度變化曲線

3 工程實(shí)踐及結(jié)論

由以上研究結(jié)果分析，機(jī)采高度4.0 m時(shí)對(duì)保證煤炭采出率及控制含矸率均最為有利，此時(shí)待放頂煤破碎狀況良好，煤巖界限分明，煤矸流場(chǎng)達(dá)到理想狀態(tài)。故8105工作面機(jī)采高度選為4.0 m較為合理，宜在機(jī)采高度4.0 m條件下選用合理放煤工藝進(jìn)行回采?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)工作面布置條件、“三機(jī)”配套選型、工作面生產(chǎn)計(jì)劃等，設(shè)計(jì)采高(采煤機(jī)割煤高度)3.9 m，放煤11.6 m，采放比約1∶3，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，工作面頂煤回收率能夠達(dá)到80%，割煤回收率能夠超過90%，綜合煤炭回收率能夠達(dá)到85%，且含矸率能夠控制在合理范圍內(nèi)，達(dá)到預(yù)期的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。