范志忠于 雷于海勇

(1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)分院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013;2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

大采高綜放開(kāi)采降低含矸率途徑分析

范志忠1,2于 雷1,2于海勇1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)分院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013;2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

柳塔礦12#煤層韌性高,厚度變化大,直接頂較破碎,在大采高綜放條件下,面臨頂煤回收率低和含矸率高的問(wèn)題。通過(guò)數(shù)值模擬,研究了破碎頂板條件下堅(jiān)硬頂煤的冒放特征,分析了矸石混入的兩個(gè)路徑,測(cè)試了不同放煤工藝下,工作面回收率和含矸率指標(biāo),認(rèn)為頂煤、直接頂?shù)拿胺盘卣鲗?duì)含矸率有重要影響,提出了降低含矸率的技術(shù)途徑。

大采高 綜放工作面 采出率 含矸率 淺埋煤層 破碎頂板

綜放開(kāi)采含矸率與采放高度比有很大關(guān)系,由于煤巖分界面是一個(gè)具有一定厚度的煤巖混合層,若頂煤較薄,則放煤過(guò)程更容易擾動(dòng)混矸層,造成嚴(yán)重的混矸。頂煤、直接頂?shù)拿胺盘卣髦饕Q于頂煤、直接頂?shù)钠扑槌潭群涂迓錉顟B(tài)。當(dāng)頂煤硬度較高、直接頂較軟時(shí),頂煤和頂板粒徑相差較大,由于二者流動(dòng)性不同,支架頂梁上方的頂煤在裂隙張開(kāi)并回轉(zhuǎn)的過(guò)程中,頂板中的碎矸會(huì)楔入大塊頂煤的裂縫中,煤矸界限相互交錯(cuò),造成煤矸混合的幾率增加,移架后,后部預(yù)先垮落下的矸石流向放煤口,上部矸石則超前冒落下來(lái),打開(kāi)放煤口時(shí),頂煤混合碎矸一并放出,其上部矸石移至放煤口,由于煤矸界面復(fù)雜,含矸率不易控制。

1 煤層賦存特征

神東柳塔礦東部盤區(qū)12#煤層埋深180 m,基巖厚度薄,只有100 m左右,12#煤層采用大采高綜放采煤法,煤層硬度和韌性較高,單軸抗壓強(qiáng)度20.07 MPa,直接頂為細(xì)砂巖頂板,完整度較低,單軸抗壓強(qiáng)度5.26 MPa。該礦08綜放工作面長(zhǎng)275 m,平均煤厚 7.3 m,傾角 1～3°,采高 4.0 m,放煤高度3.3 m。

柳塔礦東部盤區(qū)煤層賦存極不穩(wěn)定,最薄處為0.9 m,最厚達(dá)到7.62 m。綜放工作面連續(xù)推進(jìn)275 m時(shí)的頂煤厚度變化三維等值線見(jiàn)圖1。從圖1看出,工作面頂煤厚度凸凹不平。當(dāng)工作面初始推進(jìn)時(shí),工作面中部位置頂煤厚度最薄,只有約0.12～0.60 m,工作面兩端頂煤厚度較大,達(dá)到1.0～3.0 m。當(dāng)工作面推進(jìn)到80 m位置時(shí),工作面頂煤厚度明顯增加,工作面中部和機(jī)頭位置達(dá)到3 m左右,機(jī)尾位置則達(dá)到4 m左右。當(dāng)工作面推進(jìn)至約250 m時(shí),工作面機(jī)尾位置又出現(xiàn)一頂煤厚度變薄區(qū)域,頂煤厚度只有約2.5～3.0 m左右,而機(jī)頭位置頂煤厚度則達(dá)到4.0 m。

圖1 柳塔08面頂煤厚度變化三維等值線(工作面連續(xù)推進(jìn)275 m)

柳塔礦08面煤層賦存厚度變化不穩(wěn)定,煤巖結(jié)合面起伏不均,局部出現(xiàn)明顯的凹陷,其中在250 m位置開(kāi)始,工作面機(jī)尾位置出現(xiàn)一明顯的煤層厚度變薄區(qū)域。由于煤層厚度變化比較大,放煤過(guò)程中需要根據(jù)煤層厚度的變化,控制好放煤強(qiáng)度,防止在煤層變薄區(qū)域過(guò)量放煤。

2 放煤工藝研究

2.1 PFC散體介質(zhì)流模擬

在礦壓作用下,頂煤體從煤壁前方始動(dòng)點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)移至放煤口,形成松散破碎體,當(dāng)打開(kāi)支架放煤口后,散體煤將形成散體介質(zhì)流。在由散體頂煤與散體頂板組合成的復(fù)合散體介質(zhì)中,支架放煤口成為介質(zhì)流動(dòng)和釋放介質(zhì)顆粒間作用應(yīng)力的自由邊界。由于頂煤體是一種多裂隙體,離散元法適用于研究節(jié)理系統(tǒng)或離散元顆粒組合體在準(zhǔn)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)條件下的變形過(guò)程,根據(jù)頂煤和頂板斷裂塊度的不同,采用PFC軟件模擬頂煤和頂板矸石的流動(dòng)與放出過(guò)程,并量化頂煤回收率和含矸率。

圖2(a)為煤矸分界面示意圖?？梢钥闯?在放煤口附近存在有混矸層,由于頂板較頂煤破碎,煤塊和碎裂矸石一起運(yùn)動(dòng)到放煤口;圖2(b)為煤矸堆積狀態(tài)圖。由于采用放頂煤工藝,采空區(qū)不可避免會(huì)有遺煤,遺煤量的多少和頂煤體的冒放性及采用的放煤工藝有關(guān)。圖3(a)為煤巖體主應(yīng)力束分布圖?？梢钥闯?由于頂煤韌性高,斷裂塊度大,在放煤口附近形成了小拱結(jié)構(gòu),影響大塊頂煤的放出;圖3(b)為煤巖體位移變化趨勢(shì)圖?？梢钥闯?當(dāng)頂煤在支架上方時(shí),位移以水平位移為主,但變化不明顯,當(dāng)頂煤運(yùn)動(dòng)到支架尾梁位置時(shí),位移轉(zhuǎn)變?yōu)橐源怪蔽灰茷橹?且變化量急劇增加,在放煤口位置達(dá)到最大。

圖2 煤矸界面和底板殘煤堆積圖

圖3 煤巖體主應(yīng)力束分布和煤巖體位移變化

2.2 含矸率和回收率分析

不同的放煤工藝直接影響綜放開(kāi)采的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),然而,由于實(shí)際放煤生產(chǎn)的高度復(fù)雜性,現(xiàn)有放煤理論還不能很好地解釋放頂煤開(kāi)采中遇到的許多實(shí)際問(wèn)題,尤其是針對(duì)頂煤較薄、低位支架放煤的實(shí)際情況,傳統(tǒng)放煤橢球體理論不能充分考慮支架及放煤位態(tài)影響的弊端越來(lái)越明顯。因而,目前在實(shí)際生產(chǎn)中,許多重要放煤參數(shù)的選取基本上仍靠試驗(yàn)來(lái)確定。工作面共進(jìn)行了5種回采工藝試驗(yàn),各項(xiàng)指標(biāo)比較見(jiàn)表1。

表1 工作面放煤工藝試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)表明,兩刀、隔架、一次放全量放煤工藝,放煤步距為1.73 m,雖然這種放煤方式可以節(jié)省大量放煤時(shí)間,但由于頂煤厚度小,頂煤隨著支架前移垮落被甩入采空區(qū),無(wú)法放入而丟失,測(cè)試回收率為80.7%,遠(yuǎn)小于放煤步距為一刀的工藝。一刀一放,步距0.865 m,有4種工藝可以選擇,其中一刀、分段、一次放全量放煤工藝,放煤時(shí)間少,作業(yè)易于組織,但放完本架的頂煤后,本架的矸石會(huì)堆積到鄰架放煤口,當(dāng)打開(kāi)鄰架放煤口時(shí),矸石會(huì)先于頂煤流到輸送機(jī),大大增加工作面含矸率,故這種工藝也不適用。為了避免鄰架放煤口矸石的影響,又進(jìn)行了一刀一放、分段、隔架、一次全量加補(bǔ)放試驗(yàn)。由兩個(gè)放煤工分段隔架放煤,放完該區(qū)段后,再進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)放,既節(jié)約了放煤時(shí)間,又提高了頂煤放出率,工作面回收率最高可達(dá)88.5%。通過(guò)綜合比較,認(rèn)為柳塔礦采用一刀一放、分段、隔架、一次全量加補(bǔ)放工藝是合適的。

3 矸石混入路徑分析

相對(duì)軟煤層而言,硬煤普遍裂隙不發(fā)育,在工作面前方時(shí),受支承壓力作用,頂煤首先產(chǎn)生垂直方向的裂隙,當(dāng)頂煤處于支架上方時(shí),垂直裂隙進(jìn)一步發(fā)育。在頂煤運(yùn)動(dòng)到支架尾梁后方時(shí),尾梁的斜向作用力導(dǎo)致水平裂隙開(kāi)始發(fā)育,見(jiàn)圖4。柳塔礦頂煤比較堅(jiān)硬,頂煤沿垂直方向的破斷痕跡非常明顯,受支承壓力和支架的反復(fù)作用,頂煤在垂直方向上破斷為豎向的長(zhǎng)條塊體。但當(dāng)塊體運(yùn)動(dòng)到支架尾梁后方時(shí),相當(dāng)一部分的大塊體頂煤沒(méi)有進(jìn)一步破斷為更小塊體,一部分堵在放煤口,一部分被甩向了采空區(qū)。分析其原因,可能由于頂煤體水平裂隙和節(jié)理不發(fā)育,粘結(jié)力比較強(qiáng),不容易產(chǎn)生橫向破斷。

圖4 柳塔礦硬煤層頂煤的破壞形態(tài)和垮落過(guò)程

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),破斷的頂煤體,斷口多沿垂直方向,夾矸的混入路徑主要有兩個(gè),一是頂煤體沿支架頂梁運(yùn)動(dòng)到尾梁后方時(shí),由于頂煤運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生了回轉(zhuǎn),豎向破斷裂縫張開(kāi),頂板又比較破碎,大量的破碎頂板巖塊落入破斷裂縫之間,隨頂煤體的移動(dòng),通過(guò)放煤口進(jìn)入后部刮板輸送機(jī);二是頂煤塊體比較大,在放煤口上方形成小型拱結(jié)構(gòu),放不下來(lái),頻繁開(kāi)啟放煤窗口,導(dǎo)致大量采空區(qū)碎矸滑入后部刮板輸送機(jī)。

硬煤綜放開(kāi)采條件下,刮板輸送機(jī)的位置非常重要,當(dāng)刮板輸送機(jī)過(guò)于滯后時(shí),采空區(qū)矸石很容易滑入采空區(qū),導(dǎo)致頂煤大量落入刮板輸送機(jī)前方,出現(xiàn)拉動(dòng)困難,不得不人工清理刮板輸送機(jī)下浮煤。當(dāng)刮板輸送機(jī)過(guò)于超前時(shí),會(huì)導(dǎo)致頂煤大量落入刮板輸送機(jī)外側(cè),降低了頂煤回收率。合適的距離應(yīng)根據(jù)頂煤的破段塊度加以量化,應(yīng)能保證大塊的頂煤落入刮板輸送機(jī)內(nèi),又能避免碎矸掉入。

4 降低含矸率技術(shù)措施

4.1 探測(cè)頂煤厚度分布

柳塔礦東部盤區(qū)煤層賦存極不穩(wěn)定,最薄處為0.9 m,最厚達(dá)到7.62 m,部分區(qū)域沒(méi)有頂煤賦存。為了掌握頂煤厚度,控制好放煤強(qiáng)度,每天檢修班在工作面每隔10架支架用煤電鉆向頂板和底板打眼,分別探測(cè)頂煤和留底煤厚度,并對(duì)工作面不同位置的割煤高度和夾矸厚度進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)專用的分析軟件,得到精確的工作面頂煤厚度,指導(dǎo)工作面的放煤作業(yè),避免大塊頂煤拋向采空區(qū)。

4.2 選擇合適的放煤工藝

在放頂煤開(kāi)采時(shí),頂煤硬容易出現(xiàn)大塊煤,頂板軟容易混矸。既要放煤,又要防止混矸,需要根據(jù)所能接受的最大混矸率盡可能地把更多的頂煤回收。實(shí)踐證明,柳塔礦采用一刀一放、分段、隔架、一次全量加補(bǔ)放工藝,既節(jié)約了放煤時(shí)間,又提高了頂煤放出率。同時(shí)放煤工的經(jīng)驗(yàn)也很重要,由于裂隙張開(kāi),大塊煤之間含有大量夾矸,當(dāng)大塊煤進(jìn)入刮板輸送機(jī)后,放煤工要馬上關(guān)閉放煤窗口,通過(guò)尾梁將夾矸導(dǎo)向采空區(qū)。

4.3 提高支架的初撐力

柳塔礦頂煤厚度一般在3～4 m,由于支架的反復(fù)支撐,支架上方0～1 m左右層位的頂煤都比較破碎,塊度一般都不超過(guò)400mm×400mm×400mm,是比較理想的放煤塊狀。甚至有的支架上方頂煤更加破碎,從后側(cè)護(hù)板呈粉體狀流出,提高支架的初撐力,利用支架的反復(fù)支撐提高破煤效果,減小大塊煤的產(chǎn)生。

4.4 選擇大插板尾梁

由于頂煤硬,出現(xiàn)大塊煤的幾率必然多,容易堵塞放煤口,需要反復(fù)操作支架尾梁,頻繁的擾動(dòng)必然導(dǎo)致頂板的混矸層加速下滑。采用大工作阻力的尾梁和插板千斤頂,充分利用插板的力度破碎大塊煤,同時(shí)加大尾梁的寬度和插板的伸縮量,減小塊煤損失。

5 結(jié)論

(1)對(duì)于破碎頂板的硬煤綜放開(kāi)采,夾矸的混入路徑主要有兩個(gè):一是碎矸落入頂煤體豎向裂縫,隨頂煤體的移動(dòng),通過(guò)放煤口進(jìn)入后部刮板輸送機(jī);二是頻繁開(kāi)啟放煤窗口時(shí),采空區(qū)矸石滑入后部刮板輸送機(jī)。

(2)通過(guò)探測(cè)頂煤厚度,來(lái)控制工作面的放煤強(qiáng)度;在采用一刀一放、分段、隔架、一次全量加補(bǔ)放工藝的同時(shí),通過(guò)提高支架的初撐力,調(diào)節(jié)溜槽位置,采用大工作阻力的尾梁和插板千斤頂以及加大尾梁的寬度和插板的伸縮量等措施,有效減少了塊煤損失并減少了混矸率。

(3)在硬煤綜放條件下,柳塔08綜放工作面實(shí)際含矸率為9.38%,工作面回收率達(dá)到86.7%,滿足了綜放開(kāi)采的要求。

[1]富強(qiáng),吳健.3.5 m～5.0 m煤層綜放開(kāi)采采出率與含矸率分析[J].煤,1999(8)

[2]于海勇,賈恩立,穆榮昌.放頂煤開(kāi)采基礎(chǔ)理論[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1995

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[4]王家臣,富強(qiáng).低位綜放開(kāi)采頂煤放出的散體介質(zhì)流理論與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2002(4)

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

Approaches of reducing refuse content in fully-mechanized top-coal caving with highmining height

Fan Zhizhong1,2,Yu Lei1,2,Yu Haiyong1,2
(1.Coal Mining&Designing Branch,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China;2.Coal Mining Department,Tiandi Science&Technology Co.Ltd,Chaoyang,Beijing 100013,China)

The No.#12 coal seam with high toughness and large thickness variation in LiuTa Mine used Fully-mechanized Top-coal Caving with highmining height,is faced problems of low recovery coefficient and high refuse content.Through the numerical simulation,the caving property of top hard coal with broken roof was studied.Two Paths gangue interfused was also analyzed.Through testing the indexes of recovery coefficient and refuse content in different caving coal technology,it is suggested that the collapsing characteristic of top-coal and immediate roof has important influence on refuse content.Finally,several technical ways of reducing refuse content are put forward.

highmining height,top-coal caving face,recovery coefficient,refuse rate,shallow seam,broken roof

TD823.971

A

范志忠(1979-),男,河南洛陽(yáng)人,工程師,主要研究方向?yàn)槊旱V安全高效開(kāi)采。