煤礦回采工藝數(shù)值模擬研究與應(yīng)用

黃原斌

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 太原 030206）

0 引言

一直以來(lái)，煤礦生產(chǎn)效率備受企業(yè)的關(guān)注，其決定著煤礦的生產(chǎn)能力和利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。實(shí)際上，不同煤礦由于地質(zhì)、煤層、瓦斯等條件存在明顯的差異，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)回采工藝進(jìn)行優(yōu)選。在綜采工作面對(duì)不同回采工藝進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)得出最佳工藝是不現(xiàn)實(shí)的[1]。因此，結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)并基于FLAC3D 軟件對(duì)回采工藝進(jìn)行優(yōu)選，并通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用驗(yàn)證所優(yōu)選的回采工藝是否真正適用于實(shí)踐生產(chǎn)。

1 工程概況

窯礦煤層具有埋藏深度大、回采率以及維護(hù)效率低等特點(diǎn)。為進(jìn)一步提升原巷充填采煤工藝對(duì)應(yīng)煤層高效、科學(xué)的開(kāi)采，本文以窯礦為例開(kāi)展了回采工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)開(kāi)采效果進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。窯礦12401 工作面走向長(zhǎng)度為1 290 m，其中傾斜工作面長(zhǎng)度為203 m；該工作面煤層的厚度范圍為15～55 m之間，煤層平均厚度為35 m；煤層的傾角范圍為55°～60°，平均傾角為57°。12401 工作面的頂?shù)装鍡l件，如表1 所示。

目前，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的采煤方法包括有水平分層采煤法、水平分段綜采放頂采煤法、水平分段滑移支架放頂采煤法。其中，由于12401 工作面煤層的厚度變化無(wú)規(guī)律且結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，整體上屬于不穩(wěn)定煤層；同時(shí)，分層開(kāi)采方法對(duì)應(yīng)的巷道布置復(fù)雜且后期維護(hù)的工程量較大。因此，先排除水平分層采煤法應(yīng)用的可行性。

此外，水平分段綜采放頂采煤工藝針對(duì)12401 工作面的大傾角煤層、短壁工作面與綜放所配套的液壓支架雖然能夠降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，但是該工作面本身的地質(zhì)條件較差，導(dǎo)致綜放液壓支架無(wú)法充分發(fā)揮其功能。因此，最終確定采用水平分段滑移支架放頂采煤工藝。

2 回采工藝的數(shù)值模擬研究

對(duì)于水平分段滑移支架所對(duì)應(yīng)的放頂采煤工藝而言，其核心工藝參數(shù)包括采高、放煤高度以及工作面長(zhǎng)度[2]。但是，12401 工作面本身屬于短壁工作面；因此，工作面長(zhǎng)度參數(shù)的優(yōu)選空間不大，僅對(duì)采高和放煤高度兩項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。首先，根據(jù)12401 工作面的實(shí)際情況并基于FLAC3D 軟件構(gòu)建三維模型，模型尺寸為300 m×200 m×200 m；其次，根據(jù)12401 工作面的巖石力學(xué)參數(shù)在模型中進(jìn)行設(shè)置；最后，對(duì)模型六個(gè)面的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，其中地面和側(cè)面施加法向約束，具體數(shù)值為7.2 MPa，將頂板設(shè)置為自由邊界。

2.1 采高的確定

根據(jù)12401 工作面煤層的厚度以及我國(guó)當(dāng)前采煤機(jī)的生產(chǎn)能力，分別對(duì)采高分別為1.5、2、2.5、3 m四種情況下工作面煤層的應(yīng)力、應(yīng)變以及采出率等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

通過(guò)仿真分析可知，隨著采高的增大對(duì)應(yīng)煤層的應(yīng)力集中區(qū)域范圍擴(kuò)大[3]。定量分析如下：隨著采高從1.5 m 增加至3 m，煤層的應(yīng)力集中區(qū)域從最初距離工作面4～8 m 的區(qū)域擴(kuò)大至距離工作面6～10 m的區(qū)域；而且，應(yīng)力集中區(qū)域所承受的最大載荷從10.43 MPa 增大至10.71 MPa。

同時(shí)，隨著采高的增加對(duì)應(yīng)工作面煤層的破壞深部不斷增加；具體表現(xiàn)為，當(dāng)采高為2 m 時(shí)對(duì)應(yīng)煤層的破壞深度為4.5 m，根據(jù)12401 工作面的煤層條件可以看出此時(shí)工作面煤層已經(jīng)出現(xiàn)了片幫的現(xiàn)象，其穩(wěn)定性極差。不同采高對(duì)應(yīng)的煤層采出率，如圖1所示。

圖1 采高對(duì)工作面煤層采出率的影響

如圖1 所示，從整體上分析，隨著采高的增加對(duì)應(yīng)頂煤的回收率增大；不同的是，在不同采高區(qū)間內(nèi)采高增長(zhǎng)幅度不同。其中，在1.5～2.0 m 采高變化范圍內(nèi)其增幅最大，而且在采高為2.0 m 時(shí)對(duì)應(yīng)的頂煤回收率已經(jīng)高達(dá)84%。綜上所述，最終將采煤高度確定為2.0 m。

2.2 放煤高度的確定

首先，根據(jù)12401 工作面滑移液壓支架到破斷面的距離、頂煤跨落角80°以及放出煤的最大軸偏角為15°等參數(shù)初步估算出適用于該工作面放煤高度區(qū)間為2.05～7.85 m 之間。

其次，結(jié)合上述理論計(jì)算結(jié)果對(duì)放煤高度為3、4、5、6 m，工作面推進(jìn)距離為40 m 時(shí)，煤層垂直應(yīng)力分布情況，如表2 所示。

表2 不同放煤高度對(duì)應(yīng)煤層垂直應(yīng)力分布情況

如表2 所示，隨著放煤高度的增加，對(duì)應(yīng)煤層的最大集中應(yīng)力系數(shù)、應(yīng)力的影響區(qū)域略微增大，從而有利于工作面頂煤的破碎，進(jìn)行有助于頂煤被放出[4]。不同放煤高度對(duì)應(yīng)煤層采出率，如圖2 所示。

圖2 不同放煤高度對(duì)應(yīng)煤層回收率

如圖2 所示，隨著頂煤放煤高度的增加，對(duì)應(yīng)頂煤的回收率增加；同時(shí)，從實(shí)際開(kāi)采層面分析，隨著放煤高度增加可以減少分段開(kāi)采的層數(shù)和搬家的次數(shù)，從而有效提升工作面生產(chǎn)效率[5]。因此，最終確定放煤高度為6 m。

3 回采工藝參數(shù)的應(yīng)用

在上述數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，最終確定在12401 綜采工作面采用水平分段滑移支架放頂采煤工藝，對(duì)應(yīng)的采煤參數(shù)如下：采高為2 m，放煤高度為6 m；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用單輪順序放煤方式，一刀一放。將上述采煤工藝參數(shù)與原采煤方式進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 不同回采工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)開(kāi)采效果對(duì)比

如表3 所示，12401 綜采工作面采用水平分段開(kāi)采工藝后，實(shí)際生產(chǎn)中的回采率、月進(jìn)度和月產(chǎn)率等指標(biāo)得到顯著提升；而且，經(jīng)對(duì)比采用水平分段開(kāi)采工藝后生產(chǎn)成本明顯降低，直接可節(jié)約半的成本，從42.74 元/t 降低為25.73 元/t。

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦生產(chǎn)能力為企業(yè)關(guān)注的核心指標(biāo)。影響煤礦生產(chǎn)能力除了綜采設(shè)備性能等基礎(chǔ)指標(biāo)外，回采工藝是否與工作面地質(zhì)、煤層等條件匹配是關(guān)鍵。本文采用數(shù)值模擬分析手段對(duì)不同回采工藝參數(shù)對(duì)煤層應(yīng)力、應(yīng)變區(qū)域以及回采率等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。最終確定，適用于12401 工作面采煤方法為水平分段滑移支架放頂采煤工藝，對(duì)應(yīng)的采煤參數(shù)如下：采高為2 m，放煤高度為6 m。通過(guò)實(shí)踐表明：采率、月進(jìn)度和月產(chǎn)率等指標(biāo)得到顯著提升，生產(chǎn)成本從42.74 元/t 降低為25.73 元/t。