許力峰，張 勇，李 立，張 保，李俊峰，李宗超

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

綜放開(kāi)采是隨著我國(guó)開(kāi)采技術(shù)的不斷提高與采煤機(jī)裝備高可靠性、高強(qiáng)度發(fā)展而結(jié)合起來(lái)的針對(duì)特厚煤層的一種新型高產(chǎn)高效綜放開(kāi)采方法，是厚及特厚煤層進(jìn)一步提高單產(chǎn)水平、實(shí)現(xiàn)安全高效高采出率的重要途徑［1－2］。目前在我國(guó)特厚煤層綜放開(kāi)采實(shí)踐過(guò)程中，對(duì)煤巖冒放與頂板活動(dòng)規(guī)律的研究仍處于探索階段［3］。同時(shí)煤層厚度的加大對(duì)大采高支架的適應(yīng)性提出了更高的要求，亟需進(jìn)行深一步研究。

針對(duì)此問(wèn)題，采用PFC2D圓形離散單元體數(shù)值模擬軟件對(duì)山西興縣金地煤礦大采高工作面不同采高情況下散體頂煤的冒放規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，統(tǒng)計(jì)隨采高變化頂煤放出率，分析大采高液壓支架位態(tài)及其他影響因素對(duì)頂煤放出率的影響，研究大采高散體頂煤的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為大采高放頂煤開(kāi)采提供依據(jù)。

1 建立數(shù)值模型

山西興縣金地煤礦首采綜放工作面開(kāi)采13號(hào)煤層，偽俯斜布置，走向長(zhǎng)110～115m，平均為112.5m，傾向長(zhǎng)1520～1615m，平均1567m。煤層厚度為10.89～12.98m，平均11.94m，可采指數(shù)100%;井田內(nèi)地層平均傾角為21°，工作面?zhèn)胃┬苯嵌葹?5°。13號(hào)煤層頂?shù)装寰鶠槟鄮r，偽頂泥巖0.62m，基本頂為砂巖，煤層的圍巖力學(xué)性質(zhì)及穩(wěn)定性均較差。根據(jù)礦井工作面地質(zhì)概況建立模型，模型中煤厚12m，按照頂板載荷為4～8倍采高的原則，散體頂板選取22m，分為2層，下分層為10m，上分層為12m，各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

現(xiàn)場(chǎng)采用低位放頂煤液壓支架，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)支架位態(tài)觀測(cè)結(jié)果，根據(jù)不同機(jī)采高度下液壓支架的各參數(shù)，數(shù)值模擬建立了可以改變支架高度和掩護(hù)梁傾角的低位放頂煤支架模型，見(jiàn)表2。割煤截深為0.8m，模型高34m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度66.6m。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 液壓支架參數(shù)

分別對(duì)3m，3.5m，4m，4.5m和5m共5種采高情況散體頂煤動(dòng)態(tài)放出形態(tài)與頂煤放出率進(jìn)行模擬，研究合理的開(kāi)采機(jī)采高度，并對(duì)特厚煤層開(kāi)采煤巖的冒放規(guī)律進(jìn)行分析。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 頂煤放出率分析

模擬過(guò)程分別采用一刀一放、兩刀一放和三刀一放3種放煤步距，模擬工作面推進(jìn)30刀時(shí)的頂煤冒落和放出過(guò)程，按照“見(jiàn)矸關(guān)門(mén)”和“遇拱人工不處理”的原則統(tǒng)計(jì)頂煤放出量，根據(jù)本文的研究?jī)?nèi)容，暫不考慮頂煤初、末采及端頭頂煤損失，盡量準(zhǔn)確地計(jì)算和統(tǒng)計(jì)頂煤放出率。根據(jù)模擬結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出5種機(jī)采高度下，3種放煤步距的頂煤放出率關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 機(jī)采高度與頂煤放出率關(guān)系曲線

由圖1可知，頂煤放出率隨機(jī)采高度增加整體呈下滑趨勢(shì)。兩刀一放在3種放煤步距中頂煤放出率是最高的，3種放煤步距情況下均為3m機(jī)采高度時(shí)頂煤放出率最高，最高為兩刀一放時(shí)的93.04%。機(jī)采高度從3m增至4m過(guò)程中，頂煤放出率降低較緩慢，最高下降了1.84%，隨后降低幅度較大，直至機(jī)采高度5m時(shí)放出率達(dá)到最低，最低為三刀一放時(shí)的78.41%。機(jī)采高度從4m增至5m時(shí)，3種放煤步距情況下頂煤放出率分別下降了11.32%，9.60%和11.31%。由此可見(jiàn)，機(jī)采高度以及液壓支架各參數(shù)的變化對(duì)頂煤放出率有很大影響，根據(jù)圖1的結(jié)果，機(jī)采高度3m時(shí)兩刀一放放煤步距情況下頂煤放出率最高。

2.2 頂煤放出率的影響因素

2.2.1 液壓支架掩護(hù)梁傾角對(duì)放出橢球體的影響

根據(jù)放煤理論、相似模擬及數(shù)值模擬試驗(yàn)［8，11］，為簡(jiǎn)化分析定義沿工作面走向推進(jìn)方向放煤步距范圍內(nèi)的煤巖放出體為放出橢球體，β為液壓支架掩護(hù)梁傾角，隨著機(jī)采高度的增加而變大，見(jiàn)圖2。

圖2 綜放開(kāi)采放出橢球體

將支架后方和上方的煤矸分界線分為兩段線段，支架上方且靠近支撐梁側(cè)的斜線段為上部煤矸分界線la，支架正后方且靠近支架掩護(hù)梁側(cè)的斜線段為后部煤矸分界線lb。2條分界線與橢球體相切是最理想的放煤狀態(tài)，此時(shí)頂煤放出率最高。圖2是橢球體與后部煤矸分界線相切的情況，切點(diǎn)為A。模擬結(jié)果顯示，一刀一放、三刀一放兩種放煤步距情況下頂煤放出率均低于兩刀一放，主要是由于這兩種放煤步距分別低于和高于合理放煤步距，一刀一放時(shí)，后方矸石先于上方矸石到達(dá)放煤口，造成支撐梁上方一部分煤體不能及時(shí)放出而出現(xiàn)煤損;三刀一放時(shí)，上方矸石先于后方矸石到達(dá)放煤口，在放煤步距間留有較多的煤體而不能放出。兩刀一放為最接近合理放煤步距的情況，以下主要考慮兩刀一放放煤步距。

根據(jù)以往學(xué)者提出的放出橢球體理論以及建立的綜放開(kāi)采的放出橢球體模型［4－7］，在綜放開(kāi)采中支架掩護(hù)梁傾角會(huì)對(duì)支架上方和后方的煤矸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不同的影響，其會(huì)利于支架后方的頂煤向放煤口運(yùn)動(dòng)，而不利于支架上方和前方的頂煤向放煤口運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而造成支撐梁上方丟煤量的增加，從而影響了橢球體的放出量，使橢球體放出量隨著支架掩護(hù)梁傾角的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。圖4為5種采高下綜放開(kāi)采放出橢球體模擬結(jié)果。

圖4 不同采高下綜放開(kāi)采放出橢球體模擬結(jié)果

2.2.2 煤矸分界線的穩(wěn)定性

在大采高綜放開(kāi)采放煤過(guò)程中，隨著采高的增加，散體煤矸在運(yùn)動(dòng)方向上的重力分量增大，導(dǎo)致煤矸流動(dòng)的速度變快，在一定程度上會(huì)提高頂煤的放出效率;另一方面，必會(huì)對(duì)煤矸分界線的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。通過(guò)監(jiān)測(cè)放煤過(guò)程中煤矸分界線上首放矸石及其周?chē)Ⅲw煤的速度－時(shí)間曲線，研究對(duì)頂煤放出率的影響。煤矸分界線只有處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)可放區(qū)頂煤才被完全放出，前提是煤矸分界線處的頂煤按各自跡線同時(shí)到達(dá)放煤口。在自然狀態(tài)下煤矸分界線受外界因素的影響很難達(dá)到這種穩(wěn)定狀態(tài)，其多數(shù)處于紊亂狀態(tài)，致使放煤損失在自然狀態(tài)下不能完全消除［8］。圖5為隨機(jī)監(jiān)測(cè)的不同采高情況下煤矸分界線上的首放矸石及其周?chē)纳Ⅲw頂煤放出時(shí)的速度－時(shí)間曲線，圖中速度最后急劇增大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為單元體從放煤口放出的時(shí)刻，其中虛曲線表示首放矸石的放出時(shí)刻。由圖5可知，采高為3m，4m，5m時(shí)的首放矸石和周?chē)斆悍懦龅臅r(shí)間間隔分別為2000時(shí)步、8000時(shí)步和14000時(shí)步，說(shuō)明隨著采高的增加煤矸分界線的穩(wěn)定程度降低。這主要是由于隨著采高及液壓支架掩護(hù)梁傾角的變大，支架上方的頂煤距放煤口的距離變大，放煤時(shí)采空區(qū)側(cè)矸石易超前頂煤提前到達(dá)放煤口，造成煤矸分界線的紊亂，同時(shí)煤矸在放出前的速度波動(dòng)范圍變大，流動(dòng)性相對(duì)增強(qiáng)，造成放頂煤過(guò)程中混矸程度的加劇，從而影響支架上方頂煤放出的充分性。大采高綜放開(kāi)采由于采放比、掩護(hù)梁傾角和放煤口尺寸變化導(dǎo)致的放煤速度快和混矸程度加劇的特點(diǎn)已被現(xiàn)場(chǎng)放煤實(shí)踐所證明［9］。

圖5 不同采高頂煤首放矸石速度－時(shí)間曲線

2.2.3 煤矸成拱

煤矸成拱是影響頂煤放出率的一個(gè)重要因素［8］，煤矸成拱后直接造成頂煤無(wú)法放出而使頂煤回收率降低并影響放煤效率。對(duì)模擬放煤過(guò)程中煤矸成拱的次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得出兩刀一放時(shí)不同采高情況下頂煤的成拱次數(shù)，如表3所示。

表3 不同采高下煤巖的成拱次數(shù)

由表3可看出，隨著采高的增加，煤矸成拱的幾率大幅度增大。煤矸成拱是放頂煤過(guò)程中采煤工藝、機(jī)械設(shè)備、礦山壓力等共同影響的結(jié)果。根據(jù)散體介質(zhì)理論［10］，一方面由于放煤口尺寸影響，使散體頂煤矸易在放煤口處擠壓成拱;另一方面頂煤矸放出速度的加快，造成其在放出過(guò)程中相互擠壓摩擦的幾率增大，易形成平衡結(jié)構(gòu)成拱。故成拱次數(shù)隨采高的增大而增多的概率變大，頂煤放出率則相應(yīng)降低。

綜合以上對(duì)頂煤放出率影響因素的分析研究，山西興縣金地煤礦13號(hào)煤層首采綜放工作面選取3m為合適采高，以達(dá)到較高頂煤放出率和生產(chǎn)效率的目的。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

山西興縣金地煤礦首采綜放工作面采高為3m，工作面平均煤層厚為11.94m，放頂煤高度為8.94m，采放比約為1∶3，采用支撐掩護(hù)式低位放頂煤液壓支架，煤機(jī)截深0.8m，兩刀一放，對(duì)首采工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可以看出，此種方案下工作面采出率平均值達(dá)到了81.96%，并且在觀測(cè)期間，液壓支架并未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，工作穩(wěn)定良好。故該方案可以在該工作面及相似條件下工作面推廣采用。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)PFC2D離散單元體法模擬了特厚煤層低位放頂煤5種采高情況散體頂煤的冒放規(guī)律及頂煤放出率，結(jié)果顯示隨著采高的增加，頂煤放出率呈下降趨勢(shì)，采高3m時(shí)兩刀一放放煤步距情況下頂煤放出率最高，達(dá)到93.04%;通過(guò)理論分析得出頂煤放出率隨低位放頂煤支架掩護(hù)梁傾角增大而降低，并由模擬結(jié)果證明了其正確性。

表4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

(2)隨機(jī)監(jiān)測(cè)了不同采高下首放矸石及其周?chē)斆悍懦鰰r(shí)的速度－時(shí)間曲線，得出隨著采高的增加煤矸分界線的穩(wěn)定程度降低，速度波動(dòng)范圍變大，造成煤矸分界線的紊亂及混矸程度的加劇，從而影響頂煤放出率。統(tǒng)計(jì)了5種采高下頂煤放出時(shí)煤矸成拱的次數(shù)，結(jié)果表明成拱次數(shù)隨采高的增大而增多的概率變大，頂煤放出率相應(yīng)降低。

(3)在實(shí)際生產(chǎn)中工作面采高為3m，采放比約為1∶3，煤機(jī)截深0.8m，兩刀一放，觀測(cè)期間工作面取得了較高的頂煤回收率，故該方案可以在該工作面及相似條件下工作面推廣采用。

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