深部煤層進(jìn)行低能耗開(kāi)采的工藝效果分析

羅志強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦安全生產(chǎn)指揮中心，山西 大同 037000）

引言

煤炭是我國(guó)現(xiàn)階段主要的能源形式，具有較大的需求量及開(kāi)采量，隨著煤層的不斷開(kāi)采，深部煤層的開(kāi)采成為主要的采煤形式。我國(guó)的煤炭?jī)?chǔ)量中有較多的深部煤層存在，埋深超過(guò)一千米的煤層儲(chǔ)量占到探明儲(chǔ)量的多于50%[1]。隨著煤層埋深的增加，煤礦的開(kāi)采深度不斷增加，深部的地質(zhì)環(huán)境對(duì)采掘設(shè)備的工作效率造成了嚴(yán)重的影響，地應(yīng)力的存在提高了煤巖的強(qiáng)度，降低了采煤截割的效率。對(duì)于深部煤層的開(kāi)采，對(duì)高強(qiáng)度煤巖的破巖形式進(jìn)行改進(jìn)，從而形成誘導(dǎo)煤巖損傷的形式進(jìn)行采煤，可以提高截割的效率，并且降低采煤過(guò)程中的能耗[2]。針對(duì)深部煤層的低能耗開(kāi)采，采用仿真模擬的形式對(duì)工藝效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，從而優(yōu)化深部煤層的開(kāi)采形式，提高采煤的效率，并降低能耗，提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。

1 深部煤層低能耗開(kāi)采工藝

深部煤層的埋存深度較大，由于巖層地應(yīng)力的存在，深部煤層受到的地應(yīng)力作用較大，并且在較大應(yīng)力的作用下形成的煤巖的強(qiáng)度較大。在一定的截割條件下，煤巖在較高的應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生損傷，引起強(qiáng)度的劣化[3]，從而提高煤巖的可截割性能。深部煤巖在受到局部卸荷作用時(shí)會(huì)改變煤巖的邊界條件，使得內(nèi)部的壓力得到釋放，降低煤巖的強(qiáng)度，同樣實(shí)現(xiàn)提高煤巖的可截割性能[4]。

深部煤層在較高的地應(yīng)力作用下，受到較大的圍巖壓力，形成的煤巖硬度較高，同時(shí)也改變了煤巖內(nèi)部主應(yīng)力的方向，使得煤巖內(nèi)部豎向裂隙的發(fā)展受到限制，從而向水平方向或煤巖的自由面進(jìn)行發(fā)育，使得截割力較大，進(jìn)行截割的能耗較大[5]。對(duì)深部煤巖的開(kāi)采，單純的改變截割條件，提高截割深度或截割速度，可以改變煤巖的破壞形式，提高煤巖的裂紋破壞體積，但提高截割深度或截割速度，對(duì)采煤機(jī)的性能具有較高的要求，且增加了采煤的截割比能耗，不利于煤礦的節(jié)能開(kāi)采[6]。

深部煤層的煤巖厚度較大，對(duì)深部煤巖進(jìn)行中部切槽處理，一方面可以全部或部分釋放煤層的內(nèi)應(yīng)力，降低煤巖的強(qiáng)度，使煤巖較容易發(fā)生脆性破壞，降低截割比能耗；另一方面，中部切槽可改變主應(yīng)力的方向[7]，使得裂隙向著深部發(fā)育，誘導(dǎo)煤巖的截割以拉伸破壞為主，減小截割的碎屑，從而減小截割力，是進(jìn)行深部煤巖開(kāi)采時(shí)降低能耗的有效方式[8]。

為適應(yīng)深部煤層大厚度的開(kāi)采需求，采煤機(jī)逐漸向著極厚煤層的應(yīng)用發(fā)展，特別是三滾筒采煤機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，可適用于7 m～10 m的厚煤層大采高的綜采[9]。三滾筒采煤機(jī)在開(kāi)采過(guò)程中對(duì)工作面劃分為上中下三部分，分別采用3 個(gè)滾筒進(jìn)行截割開(kāi)采，如圖1 所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)深部煤層的中部切槽處理。前部滾筒進(jìn)行煤層中部的截割，將煤層打開(kāi)缺口，煤巖內(nèi)儲(chǔ)存的大量能量可自由地被激發(fā)釋放，提高煤巖的破碎率，且上部與下部的煤層產(chǎn)生自由面，則可以實(shí)現(xiàn)煤層壓力的卸荷，同時(shí)可進(jìn)行內(nèi)部應(yīng)力的釋放[10]，利用中部滾筒進(jìn)行上層煤層的截割，后部滾筒進(jìn)行下部煤層的截割。采用三滾筒采煤機(jī)結(jié)合中部切槽的方式對(duì)深部煤層進(jìn)行截割，實(shí)現(xiàn)低能耗的開(kāi)采方式，對(duì)其工藝效果進(jìn)行分析。

圖1 三滾筒采煤機(jī)截割采煤示意圖

2 深部煤層低能耗開(kāi)采工藝效果模擬分析

2.1 深部煤層正常開(kāi)采模擬分析

采用PFC 軟件數(shù)值模擬的形式對(duì)煤巖截割的工藝效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，首先針對(duì)深部煤層正常截割的工況進(jìn)行模擬。利用PFC 軟件對(duì)單齒截割的截割力及能耗進(jìn)行分析，依據(jù)某煤礦的地質(zhì)條件，建立煤層賦存的物理模型，對(duì)性質(zhì)相近的巖層設(shè)為一層，采用平行粘接的模型，煤層的平均顆粒半徑設(shè)為0.05 mm，采用混合邊界的形式[11]，模型的下邊界及左右邊界均采用位移邊界，上邊界為應(yīng)力邊界，模擬煤巖的壓力加載為22 MPa，建立截割模型為200 mm×100 mm。對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力邊界的加載，然后刪除上部的邊界，導(dǎo)入截齒模型，截齒長(zhǎng)度為100 mm，截齒的工作傾角為55°，將截齒加載至設(shè)定的截割深度10 mm 的位置，對(duì)模型進(jìn)行截割模擬[12]，如圖2 所示，此時(shí)煤巖內(nèi)產(chǎn)生一定的裂隙。

圖2 煤巖截割加載模型

截齒作用于煤巖后，改變煤巖內(nèi)部的應(yīng)力，在截齒的齒尖處產(chǎn)生裂隙，并逐漸發(fā)展，同時(shí)受到截齒的擠壓作用，促進(jìn)裂紋的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)煤巖的超前截割。對(duì)截割過(guò)程中的截割力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)提取，如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在進(jìn)行煤巖截割的過(guò)程中，最大的截割力為64.3 kN，平均截割力為5.07 kN，此時(shí)的截割比能耗為12.4 kWh/m3。

圖3 煤巖截割開(kāi)采的截割力變化

2.2 深部煤層低能耗開(kāi)采模擬分析

采用中部切槽的方式結(jié)合三滾筒采煤機(jī)對(duì)深部煤層進(jìn)行低能耗開(kāi)采，在煤巖的模型中進(jìn)行中部切槽開(kāi)挖，對(duì)截齒進(jìn)行加載，得到低能耗開(kāi)采的模型如圖4 所示。三滾筒采煤機(jī)對(duì)頂煤的截割沿著煤層的主裂紋發(fā)生破壞，形成較大的煤巖顆粒，提高塊煤率；底部煤層的開(kāi)采呈現(xiàn)間斷性的破壞，有利于降低截割比能耗。

圖4 深部煤巖低能耗開(kāi)采模型

對(duì)深部煤層低能耗開(kāi)采的截割力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)提取，得到煤巖的截割力變化如圖5 所示。從圖5 中可以看出，在進(jìn)行低能耗開(kāi)采時(shí)最大的截割力為49.6 kN，平均截割力為3.34 kN，此時(shí)的截割比能耗為10.2 kWh/m3。

圖5 煤巖低能耗截割開(kāi)采的截割力變化

對(duì)比深部煤層低能耗開(kāi)采及正常開(kāi)采時(shí)的截割力及截割比能耗可以發(fā)現(xiàn)，采用低能耗開(kāi)采的工藝方式進(jìn)行深部煤層的開(kāi)采，最大截割力下降22.9%，截割比能耗下降17.7%。采用低能耗開(kāi)采的方式具有良好的工藝效果，可以提高深部煤層開(kāi)采的效率。

3 結(jié)論

煤層的埋深越大，則受到的地應(yīng)力作用越大，形成煤巖的強(qiáng)度越大，在開(kāi)采過(guò)程中，單純的提高截割深度或截割轉(zhuǎn)速，會(huì)造成截割力較大，截割消耗的能量較大，并對(duì)綜采設(shè)備的效率造成嚴(yán)重的影響。針對(duì)深部煤層的開(kāi)采，提出低能耗的開(kāi)采方式，采用三滾筒采煤機(jī)對(duì)煤層進(jìn)行中部切槽處理，一方面可以釋放煤層內(nèi)部的應(yīng)力，提高煤巖的可截割性能，另一方面，三滾筒同時(shí)進(jìn)行截割作業(yè)，實(shí)現(xiàn)大采高采煤。對(duì)深部煤層低能耗開(kāi)采的工藝效果進(jìn)行仿真分析，結(jié)果可知，采用低能耗截割開(kāi)采相對(duì)正常截割時(shí)可降低最大截割力22.9%，降低截割比能耗17.7%，具有較好的工藝效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)深部煤層的節(jié)能開(kāi)采，并可提高截割效率。