近距離煤層合并綜放開采放煤工藝優(yōu)化研究

蔣銀華 梁 峰 李志華

(1.淮北礦業(yè)股份有限公司袁店一井煤礦，安徽省淮北市，235137；2.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽省淮南市，232001)

綜采放頂煤技術(shù)在我國經(jīng)過近30年的不斷試驗(yàn)和實(shí)踐，取得重大突破，使綜采放頂煤技術(shù)成為我國主要的厚煤層安全高效采煤方法之一[1-3]。在綜放工作面的開采過程中，放煤工藝是重要的環(huán)節(jié)之一，選擇合理放煤方式和放煤步距是提高工作面產(chǎn)量、提升原煤品質(zhì)和煤層采出率的重要措施[4]。我國學(xué)者針對具體的工作面工程地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬、相似模擬和現(xiàn)場實(shí)測確定了合理的放煤工藝參數(shù)[5-9]。以往開展的有關(guān)綜放開采放煤工藝研究主要是針對厚煤層及特厚煤層進(jìn)行的，而近距離煤層合并綜放研究的卻很少。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以袁店一井煤礦822工作面為背景，應(yīng)用PFC2D數(shù)值模擬軟件，對比分析不同放煤步距、放煤方式對頂煤采出率和含矸率的影響，確定最優(yōu)放煤工藝參數(shù)。

1 工作面概況

袁店一井煤礦822工作面煤層賦存較穩(wěn)定，81煤層厚1.00～3.50 m，平均厚2.57 m，82煤層厚0.80～4.90 m，平均厚2.66 m。81與82煤層間距0.50～4.00 m，平均為1.98 m，夾矸以泥巖(灰—深灰色、塊狀、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，見大量植物化石碎片)為主。煤層傾角3°～8°，平均傾角為6°。工作面標(biāo)高為-295～-394 m，工作面走向長度965 m，面長155 m。81煤層直接頂為泥砂巖互層，厚度為4.22～8.45 m，平均為6.36 m，深灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，含較多根化石。

81、82煤層若采用分層綜采，將存在巷道布置復(fù)雜、掘進(jìn)率高、再生頂板的形成時(shí)間長等問題。另外，82煤層為易燃煤層，81煤層回采后，回采82煤層時(shí)極易發(fā)生煤層自燃，對安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。故822工作面決定采用綜放開采，在82煤層底板進(jìn)行回采，綜放回采總厚度平均為7.21 m。工作面使用ZFH9600-17.4/28型支架以及ZFG9600-20/28型過渡支架。采煤機(jī)型號(hào)為MG500/1180-AWD。根據(jù)工作面地質(zhì)條件及設(shè)備選型，確定工作面采高2.5 m，放煤高度為4.71 m，采放比為1∶1.9。

2 放煤步距的PFC2D數(shù)值模擬分析

PFC2D(Particle Follow Code 2 Dimension)軟件是美國 ITASCA 公司和明尼蘇達(dá)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的商用 DEM 軟件，適用于研究顆粒集合體的破裂和破裂發(fā)展，以及大位移的顆粒流問題，是一款用于模擬復(fù)雜固體力學(xué)問題和顆粒流問題的有效工具[10-12]。

2.1 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

822工作面開采的煤層屬近水平煤層，可忽略煤巖層傾角的影響。模型長15 m，高12 m。數(shù)值模擬主要研究放煤工藝，因此可以不考慮割煤。夾矸厚2.0 m，頂煤厚3.0 m，頂板厚6.0 m。煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 822工作面煤巖物理力學(xué)參數(shù)

在模型底部設(shè)置與水平面成40°的墻體來模擬支架掩護(hù)梁。當(dāng)放煤口見頂板矸時(shí)關(guān)閉放煤口，完成一次放煤。然后支架前移一個(gè)放煤步距，模型運(yùn)算平衡后，開始下一次放煤。具體放煤前準(zhǔn)備如圖1所示，圖中黃色顆粒代表夾矸，黑色顆粒代表頂煤，其余代表頂板矸石。

圖1 放煤步距數(shù)值模型

2.2 放煤步距模擬方案

為研究不同放煤步距下夾矸、頂煤和頂板的放出規(guī)律，統(tǒng)計(jì)出頂煤放出率和含矸率。根據(jù)采煤機(jī)截深，特設(shè)定3種放煤步距：一采一放，放煤步距為0.6 m；兩采一放，放煤步距為1.2 m；三采一放，放煤步距1.8 m。

考慮到“見矸關(guān)窗”雖然能嚴(yán)格控制含矸率，但是會(huì)影響采出率。因此在模擬過程中按放煤口附近同時(shí)出現(xiàn)2個(gè)頂板顆粒時(shí)關(guān)閉放煤口的原則進(jìn)行。為了便于對3種模擬方案含矸率、采出率等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行對比分析，3種方案均模擬工作面采12刀煤，則一采一放放煤12次，兩采一放放煤6次，三采一放放煤4次。

2.3 放煤步距模擬過程

2.3.1 一采一放

一采一放頂煤放出情況如圖2所示。由圖2可知，放煤口后方即為頂板矸石，放煤口上方先是夾矸，然后才是頂煤。在放煤口打開初始放出夾矸時(shí)就已經(jīng)有少量采空區(qū)矸石混入放煤口，這時(shí)若“見矸關(guān)窗”，則導(dǎo)致頂煤無法放出，造成大量的煤炭損失。放煤口上方煤矸顆粒受重力作用，向下運(yùn)移速度要比放煤口后方矸石顆粒向放煤口水平運(yùn)移的速度快，利用頂煤運(yùn)移的這一特征，可繼續(xù)放煤，雖然放出矸石量會(huì)增加，但是頂煤采出率也同時(shí)增大。

圖2 一采一放放煤過程

2.3.2 兩采一放

采空區(qū)矸石和放煤口上方頂板矸石同時(shí)到達(dá)放煤口，可以及時(shí)關(guān)閉放煤口，頂煤含矸率低。

2.3.3 三采一放

當(dāng)支架前移后，放煤口上方和后方均為夾矸和頂煤。打開放煤口后，放煤口上方的頂煤和矸石一同流向放煤口，頂煤會(huì)被上部矸石代替，在放煤口上方會(huì)形成一個(gè)放煤漏斗。放煤口上方煤矸顆粒向下運(yùn)移速度要比放煤口后方煤矸顆粒運(yùn)移速度快，放煤口上方頂板矸石先于采空區(qū)側(cè)頂煤到達(dá)放煤口，堵塞放煤口，導(dǎo)致后方一部分頂煤無法放出。

2.4 放煤步距模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬過程中在放煤口下方設(shè)置容器，統(tǒng)計(jì)分析工作面從開始位置到推進(jìn)12刀時(shí)放出的煤量和矸石量，就可以得出不同放煤步距放煤效果。3種放煤步距工作面都推進(jìn)12刀共7.20 m，厚度取1個(gè)單元，該范圍內(nèi)含有頂煤30.24 t，夾矸36.00 t。3種放煤步距放煤效果如表2所示。

表2 3種放煤步距放煤效果對比

一采一放的總放煤量為25.72 t，頂煤放出率為85.05%，要高于三采一放的頂煤放出率。但是放出矸石量和含矸率是3種放煤步距中最高的，含矸率達(dá)到67.63%。因此一采一放時(shí)在提高放煤量的同時(shí)也增加了放出矸石量。

兩采一放的總放煤量為27.14 t，頂煤放出率為89.75%，含矸率為62.50%。放煤量和頂煤放出率是3種放煤步距中最高的，而含矸率最低。

三采一放的總放煤量為22.56 t，頂煤放出率為74.60%，是3種放煤步距中最低的。放煤口上方大量頂板矸石同時(shí)到達(dá)放煤口，頂板矸石粒徑大，容易堵塞放煤口，可以及時(shí)關(guān)閉放煤口，放出的矸石量最低，為40.69 t。但是由于放煤量小，導(dǎo)致含矸率要略高于兩采一放，為64.33%。

3 放煤方式的PFC2D數(shù)值模擬分析

3.1 放煤方式模擬方案

工作面初始模型如圖3所示。模型長15 m，高12 m，共有連續(xù)的10個(gè)支架，放煤口寬度為1.5 m。模擬分析5種放煤方式對放煤效果的影響。

圖3 工作面初始模型

(1)單輪間隔放煤：先打開1#、3#、5#、7#、9#單號(hào)支架上的放煤口放煤，見頂板矸石后關(guān)閉放煤口，再放2#、4#、6#、8#、10#雙號(hào)支架。

(2)單輪順序放煤：放煤順序按1#、2#、3#、…、10#放煤口順序放煤，見頂板矸石后關(guān)閉放煤口。

(3)多輪間隔放煤：先放1#、3#、5#、7#、9#單號(hào)支架夾矸，見煤關(guān)閉放煤口，然后放2#、4#、6#、8#、10#雙號(hào)支架夾矸，同樣見煤關(guān)閉放煤口；之后再放單號(hào)支架上方頂煤，最后打開雙號(hào)支架放煤。

(4)多輪順序放煤：放煤順序按1#、2#、3#、…、10#放煤口順序?qū)A矸放出，見煤關(guān)閉放煤口；之后再順序打開1#、2#、3#、…、10#放煤口放出頂煤。

(5)單輪交替放煤：類似于單輪間隔放煤中的的第一輪放煤方式，只打開1#、3#、5#、7#、9#單號(hào)支架上的放煤口放煤，且見矸石關(guān)閉放煤口，雙號(hào)支架不放。

3.2 放煤方式模擬過程

3.2.1 單輪間隔放煤

單輪間隔放煤過程如圖4所示。

圖4 單輪間隔放煤過程

圖4(a)表示9#放煤口放煤剛結(jié)束時(shí)的形態(tài)，在放煤口上方形成放煤橢球體，9#放煤口關(guān)閉后，橢球體表面的煤巖顆粒仍然向放煤口運(yùn)移，填補(bǔ)留下的空間，導(dǎo)致相鄰兩側(cè)放煤口上方的一部分頂煤會(huì)滑入到9#放煤口而不能放出，形成頂煤損失。當(dāng)單號(hào)支架放煤結(jié)束后，由于兩相鄰單號(hào)架之間隔著一個(gè)雙號(hào)架，在雙號(hào)放煤口上方形成呈直墻半圓拱狀的“脊背煤”(下方夾矸，上方頂煤)。

3.2.2 單輪順序放煤

單輪順序放煤過程如圖5所示。圖5(a)為3#放煤口放煤剛結(jié)束時(shí)的形態(tài)，在放煤口上方形成放煤橢球體，3#放煤口關(guān)閉后，橢球體表面的煤巖顆粒仍然向放煤口運(yùn)移，導(dǎo)致4#放煤口上方的一部分頂煤會(huì)滑入到3#放煤口上方而不能放出，形成頂煤損失。

3.2.3 多輪間隔放煤

822工作面支架上方存在一層厚度達(dá)2 m的夾矸，夾矸上方才是頂煤，根據(jù)此工作面特點(diǎn)提出了多輪放煤方式。多輪間隔放煤過程如圖6所示。

圖5 單輪順序放煤過程

圖6 多輪間隔放煤過程

圖6(a)和圖6(b)分別為單號(hào)、雙號(hào)支架放完夾矸的形態(tài)，由于每次放出的夾矸量較少，煤巖分界面下降平穩(wěn)，可以減少混矸。圖6(c)為打開單號(hào)放煤口進(jìn)行放煤形態(tài)，同樣會(huì)在單號(hào)放煤口上方形成放煤橢球體，相鄰兩側(cè)放煤口上方的少部分頂煤會(huì)滑入到單號(hào)放煤口而不能放出，形成頂煤損失。

3.2.4 多輪順序放煤

多輪順序放煤過程如圖7所示。圖7(a)為所有支架第一輪順序放夾矸結(jié)束，可以看出在每個(gè)放煤口兩側(cè)有一部分夾矸無法放出，放矸過程中，煤巖分界面均勻下降。圖7(b)為10#放煤口頂煤放出形態(tài)，放煤口上方形成冒落拱，減緩了頂板矸石運(yùn)移速度，保證有足夠的時(shí)間放出頂煤。

圖7 多輪順序放煤過程

3.2.5 單輪交替放煤

單輪交替放煤過程類似于單輪間隔放煤，如圖4(a)所示，只對單號(hào)支架進(jìn)行放煤，會(huì)在雙號(hào)支架留下一定的脊背煤(夾矸)。這種放煤方式雖然有一部分夾矸會(huì)遺留在采空區(qū)，放出矸石量低，但是同時(shí)在夾矸上方也有一定量的頂煤會(huì)遺留在采空區(qū)，造成頂煤放出率低。

3.3 放煤方式模擬結(jié)果分析

5種放煤方式放煤寬度15 m，厚度取1個(gè)單元，該范圍內(nèi)含有頂煤63 t，夾矸75 t。放煤效果如表3所示。

通過表3可以看出，單輪順序放煤頂煤放出率較低，為81.94%，而放出矸石量最高，為85.50 t，含矸率達(dá)到62.35%。單輪交替放煤方式雖然放出矸石量是最低的，但是放煤量也是最低的，僅58.98 t，含矸率最高，達(dá)到64.02%。可見在降低放出矸石量的同時(shí)要提高放煤量。單輪間隔、多輪順序和多輪間隔3種放煤方式頂煤放出率較高，約為90%，而含矸率較低，約為58%。考慮到多輪放煤方式放煤工藝復(fù)雜，不好操作，所以確定采用單輪間隔放煤方式。

表3 五種放煤方式放煤效果對比

4 現(xiàn)場實(shí)踐

根據(jù)數(shù)值模擬研究，822工作面采用兩采一放、單輪間隔放煤方式。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)踐表明，工作面夾矸能夠破碎成小塊，不存在懸頂，未出現(xiàn)夾矸堵塞放煤口現(xiàn)象，放出的夾矸塊度和頂煤相當(dāng)，粒徑較小，約為4～10 cm，夾矸和頂煤具有很好的冒放性。直接頂為泥砂巖互層，呈灰白色大塊，容易堵塞放煤口，在放煤過程中放煤工容易分辨出頂板矸石，可以及時(shí)關(guān)閉放煤口。因此，工作面頂煤采出率高、含矸率低，頂煤采出率88%，含矸率65%。822工作面于2018年7月1日開始放煤，于2018年12月31日共生產(chǎn)原煤82萬t，最高月產(chǎn)量達(dá)17.3萬t。

5 結(jié)論

(1)對比分析了一采一放、兩采一放、三采一放3種放煤步距，單輪順序、單輪間隔、多輪順序、多輪間隔和單輪交替5種放煤方式放煤效果，確定工作面合理放煤步距為兩采一放(放煤步距為1.2 m)，合理放煤方式為單輪間隔放煤。

(2)分析不同放煤方式頂煤損失原因可知：相對于多輪放煤，單輪放煤一次放煤(矸)高度更高，形成的放煤橢球體體積更大，相鄰放煤口上方會(huì)有更多的頂煤滑入到放煤口而不能放出，造成更多頂煤損失。

(3)822工作面無論采用何種放煤工藝，都必須將頂煤下方的夾矸放出后，才能放出頂煤，如果按夾矸2.0 m、頂煤3.0 m計(jì)算，含矸率最低為54.35%。