王圣志，袁 永，朱 成，袁超峰，鐘慧偉

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

從1982年綜采放頂煤技術(shù)引入我國，至今已有40年的歷史。在這段時(shí)間內(nèi)，我國多個(gè)礦區(qū)針對(duì)各種地質(zhì)條件進(jìn)行了大量放頂煤的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，取得了豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，放頂煤開采成為我國6～12 m厚煤層的主流開采技術(shù)[1]。研究放頂煤首先要確定該煤層是否能夠采用放頂煤工藝。徐旖旎等[2]通過建立貝葉斯分類器模型,預(yù)測(cè)7個(gè)煤礦的放頂煤可行性，準(zhǔn)確率達(dá)85.71%。放頂煤中頂煤放出率是評(píng)價(jià)放頂煤技術(shù)的最重要指標(biāo)之一，也是放頂煤研究的重點(diǎn)之一。許力鋒等[3]系統(tǒng)分析了影響頂煤放出率的因素。袁永等[4]則細(xì)化在分析放頂煤煤損組成基礎(chǔ)上，通過分析優(yōu)化采煤工藝和巷道布置，提升了淺埋硬厚頂煤的放出率。張勇等[5]研究頂煤塊度對(duì)放出率的影響，研究得出一個(gè)臨界塊度，當(dāng)塊度小于臨界值時(shí)，頂煤放出率普遍較高，而當(dāng)塊度大于臨界值時(shí)，頂煤放出率會(huì)顯著降低。頂煤的運(yùn)移規(guī)律近年來同樣成為專家學(xué)者研究放頂煤的重要課題。劉松孟等[6]通過實(shí)測(cè)趙莊二號(hào)井西盤區(qū)首采面放頂煤時(shí)頂煤及上覆巖層的運(yùn)移，并通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法對(duì)頂煤和巖層運(yùn)移與礦壓顯現(xiàn)之間的關(guān)系進(jìn)行分析。夏洪春等[7]通過PFC3D模擬大同塔山厚煤層，分析不同放煤情況下的頂煤運(yùn)移規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)開采提供指導(dǎo)。朱帝杰等[8-9]運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬的方法，同樣分析了厚煤層頂煤的運(yùn)移規(guī)律。王家臣等[10-12]通過對(duì)綜采放頂煤的理論分析與數(shù)值模擬，建立了頂煤運(yùn)移規(guī)律的理論模型。以上專家學(xué)者都是以水平條件下的厚煤層為基礎(chǔ)進(jìn)行研究分析，缺少對(duì)傾斜厚煤層放頂煤的研究。張錦旺等[13-14]基于BBR研究體系，對(duì)不同工作面傾角進(jìn)行了離散元模擬破碎機(jī)理分析，建立了傾角與放出體，傾角與頂煤放出率的關(guān)系，但缺少不同傾角頂煤位移與運(yùn)移規(guī)律的對(duì)比。王紅偉等[15]分析了急傾斜厚煤層短壁綜放采場(chǎng)承載結(jié)構(gòu)泛化特征，闡述了煤層傾角條件影響頂煤運(yùn)移規(guī)律的內(nèi)因。白慶升等[16]通過分析放頂煤過程中頂煤成拱機(jī)理，提出多種破壞成拱的方法，以提高放煤效率。在放頂煤煤矸區(qū)分方面，王保平[17]通過分析頂煤與矸石對(duì)支架尾梁作用力不同而區(qū)分煤矸，為放頂煤見矸停止放煤提供一種新的方法。其他專家學(xué)者，如王伸等[18]通過調(diào)整放煤支架分組，得到了特厚煤層分組間隔放煤頂煤運(yùn)移規(guī)律；郭文兵等[19]分析了放頂煤導(dǎo)水裂隙帶的高度，確定在水庫下進(jìn)行放頂煤開采的可行性；康鑫等[20]基于趙固二礦11111工作面的實(shí)測(cè)分析與實(shí)驗(yàn)?zāi)M，確定頂煤的破壞過程實(shí)際上是裂隙發(fā)育的過程，為頂煤破碎機(jī)理提供有力的理論支撐；韓現(xiàn)剛[21]分析了頂煤破碎過程，提出了破裂統(tǒng)一的本構(gòu)關(guān)系。

綜上所述，各專家學(xué)者對(duì)放頂煤開采技術(shù)研究已經(jīng)日趨成熟，特別是對(duì)水平與緩斜條件下頂煤放出率與見矸停止放煤的研究。但缺少對(duì)于仰采放頂煤，以及頂煤含矸量與頂煤放出率關(guān)系的研究。涉及傾角對(duì)頂煤冒放性的影響現(xiàn)階段也有大量研究成果，但其主要研究?jī)A角對(duì)頂煤放出量的影響，缺少對(duì)不同傾角情況下頂煤位移與運(yùn)移規(guī)律的研究，同時(shí)缺少對(duì)仰采情況下對(duì)頂煤成拱后破壞拱形的研究。而在實(shí)際情況下，工作面煤層傾角并不是固定的。主要針對(duì)濟(jì)寧二號(hào)礦10301工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，運(yùn)用PDC2D數(shù)值模擬仰采綜放采煤工藝，對(duì)傾角對(duì)頂煤運(yùn)移規(guī)律及放出率的影響進(jìn)行了研究，為實(shí)際生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

10301首采工作面為濟(jì)寧二號(hào)礦十采區(qū)首采工作面。工作面長(zhǎng)230 m，推進(jìn)長(zhǎng)度1 100.3～1 167.7 m，煤層傾角3°～17°，平均傾角為10°，平均煤厚為8.67 m，平均埋深750 m。最大高差1 36.1 m。工作面基本頂為厚度20.43～22.36 m、平均厚度22.15 m的中砂巖，普氏系數(shù)為6～13。直接頂為厚度1.75～8.10 m、平均厚度3.7 m的粉細(xì)砂巖互層，普氏系數(shù)為5～8。偽頂為厚度0～3.53 m、平均厚度1.72 m的泥巖粉砂巖互層，普氏系數(shù)1.5～3.0。直接底為厚度0～1.5 m、平均厚度0.85 m的泥巖，普氏系數(shù)為2～5；基本底為厚度10.45～12.83 m、平均厚度11.97 m 的中細(xì)砂巖互層，普氏系數(shù)為3～7。

2 仰采放頂煤頂煤運(yùn)移規(guī)律

頂煤的放出過程，實(shí)際上是松散塊體的流動(dòng)過程。生產(chǎn)實(shí)踐證明，采空區(qū)側(cè)上方或后方的頂煤和部分破碎直接頂已表現(xiàn)出松散介質(zhì)特性，不能有效傳遞來自上方覆巖或前方的礦山壓力，僅以自重形式作用到頂梁上。因此，用PFC2D顆粒流程序研究散體頂煤和破碎直接頂?shù)拿奥湟?guī)律是合理的。

根據(jù)10301工作面的實(shí)際地質(zhì)條件建立了如圖1所示的PFC2D放煤模型，設(shè)計(jì)模型長(zhǎng)×寬為50.0 m×25.9 m，初始傾角設(shè)置為10°，開采高度3.5 m，放煤高度5.2 m。PFC中不能直接設(shè)置邊界條件，可在模型基本頂上方添加一高密度應(yīng)力施加層，代替上方巖層的垂直地應(yīng)力。基本頂上方距離地面720 m，取上方巖層的平均密度為2 500 kg/m3，則換算到施加層的密度1.8×107kg/m3。頂煤因未受滾筒截割影響，放出煤體以塊煤為主，某些礦井為提高頂煤放出率，則會(huì)適當(dāng)放出一些偽頂、直接頂?shù)膸r體。為保證運(yùn)算速度與放頂煤模型模擬效果，取煤層顆粒半徑為0.22～0.29 m，偽頂與直接頂顆粒半徑為0.29～0.38 m。各煤巖層的模擬物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table1 Coal rock physical and mechanical parameters

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model diagram

建立模型以后，對(duì)比不同仰采傾角頂煤的運(yùn)移規(guī)律(圖2)。由圖2可以看出，隨著仰采傾角的增加，頂煤到放煤口的位移越大，這會(huì)造成頂煤放出時(shí)間增加，效率降低。

圖2 不同傾角頂煤位移對(duì)比Fig.2 Comparison of displacement of top-coal with different dip angles

以支架與放煤口的連接處為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，監(jiān)測(cè)不同傾角下，頂煤的運(yùn)移情況，如圖3所示。由圖3可以看出隨著傾斜角度的增加頂煤運(yùn)移軌跡形成倒勺子形狀越容易，這就意味著頂煤流向采空區(qū)越容易，放出也就越困難，在見矸停止放煤的條件下，隨著傾角的增大破碎頂煤的放出率越小還會(huì)形成“倒勺子”形堆積在支架后方，具體如圖4所示，很難繼續(xù)放出。

圖3 頂煤運(yùn)移軌跡Fig.3 Top-coal migration trajectory

圖4 頂煤“倒勺子”形分布Fig.4 Top-coal “inverted spoon” shape distribution

不同傾角頂煤力鏈如圖5所示。由圖5頂煤力鏈可以看出，支架的傾角越大，頂煤與支架后方、頂部相互作用形成的力鏈越粗，說明力鏈拱效應(yīng)會(huì)隨著仰采傾角的增加變得越明顯。力鏈成拱是頂煤成拱的一種表現(xiàn)形式，頂煤在放煤口附近與支架后方尾梁相互作用成拱，會(huì)阻止后續(xù)頂煤繼續(xù)放出，影響放煤效率(圖6)。

圖5 不同傾角頂煤力鏈Fig.5 Different inclination angle top-coal force chain

圖6 頂煤成拱形態(tài)Fig.6 Top-coal arching

3 仰采放頂煤工藝參數(shù)確定

3.1 采放比

對(duì)于長(zhǎng)壁綜放工藝來說，采放比是底分層長(zhǎng)壁綜采采煤機(jī)割煤的高度(即底分層采高)與頂煤放出高度之比。確定3號(hào)煤層特定條件下合理采放比，要保證頂煤能夠充分破碎冒放及順利放出。煤層總厚度一定時(shí)，采放比直接決定了上層頂煤的活動(dòng)空間，頂煤只有在合適的垮落空間內(nèi)才能完全破碎，才能順利放出?？紤]到所選設(shè)備的采高范圍為2.5～4.0 m，模擬采高分別2.50、2.75、3.00、3.25、3.50、3.75以及4.00 m，見矸停止放煤。模擬結(jié)果如圖7所示。

由圖7不同采高煤層采出率(默認(rèn)底層煤采出率為100%)可以看出：在采高3.5 m時(shí)采出率最高，3.5 m之前煤層采出率隨著采高的增大逐漸增大，在3.5 m之后煤層采出率隨著采高的增大逐漸減小，當(dāng)采高為4 m時(shí)，采出率則出現(xiàn)明顯的下降。因此，煤層采高應(yīng)確定在3.25～3.75 m，由此可知最佳采放比為1∶3。

圖7 不同采高頂煤放出率Fig.7 Recovery ratio of top-coal with different mining heights

3.2 放煤步距

確定合理的放煤步距是進(jìn)行綜放工藝參數(shù)優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效放煤的前提，針對(duì)10301工作面放頂煤開采特點(diǎn)，按照見矸關(guān)門的原則分別模擬了采高3.5 m放煤步距為0.8、1.6及2.4 m三種放煤方案。模擬結(jié)果如圖8及表2所示。

圖8 不同放煤步距頂煤放出情況Fig.8 Release of top coal with different caving steps

表2 不同放煤步距放煤參數(shù)Table 2 Top-coal caving parameters with different coal caving step

由模擬結(jié)果分析可知：隨著放煤步距的增大，頂煤放出率降低，放煤步距為0.8 m時(shí)的頂煤放出率比1.6 m和2.4 m時(shí)分別提高了5.91%和13.04%；放煤步距1.6 m的頂煤放出時(shí)間為放煤步距0.8 m的1.86倍，由此可知，2種方案的放煤時(shí)間基本相同；2.4 m放煤步距頂煤放出率低，不予采用。因此，濟(jì)寧二號(hào)礦首采綜放工作面條件下，最佳的放煤步距為0.8 m，即采用一刀一放的放煤方式。采用見矸關(guān)門的方法頂煤的放出率較低，在實(shí)際生產(chǎn)情況下大多會(huì)放出一部分矸石來提高頂煤的放出率。

3.3 含矸率對(duì)放出率的影響

針對(duì)前面研究結(jié)果顯示，實(shí)際生產(chǎn)過程中，如果采用見矸關(guān)門的放煤策略，則會(huì)造成頂煤放出率低，大量頂煤處在采空區(qū)內(nèi)不能放出，造成大量資源的浪費(fèi)，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中都會(huì)放出一部分矸石來提高頂煤的放出率。為了研究不同含矸率對(duì)放出率的影響，結(jié)合濟(jì)寧二號(hào)礦實(shí)際地質(zhì)條件運(yùn)用PFC數(shù)值模擬對(duì)放出頂煤含矸率從1%到10%，工作面傾角為10°情況進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果如圖9所示。

圖9 含矸率對(duì)放出率的影響Fig.9 Influence of enthalpy ratio on recovery rate

從圖9可以看出，含矸率從0到7%，頂煤的放出率是隨著含矸率的增加而增大的，但是在含矸率為7%之后，隨著含矸率的增加，頂煤的放出率增長(zhǎng)幅度變緩，而增加含矸率就意味著放煤時(shí)間增加，所以過分強(qiáng)調(diào)頂煤放出率不僅不會(huì)大幅提高工作面的產(chǎn)量而且還會(huì)降低工作面的生產(chǎn)效率，進(jìn)而影響礦井的產(chǎn)量。從圖9可以看出選擇7%的含矸率是最合適的，此時(shí)的頂煤放出率為82.7%。

但在實(shí)際生產(chǎn)過程中并不好確定含矸率為7%的時(shí)機(jī)，只有通過肉眼觀測(cè)放煤口的瞬時(shí)含矸率來推算出總放煤含矸率。在PFC2D模擬中，含矸率為7%的單輪放煤的平均模擬步數(shù)為43 245.5步。根據(jù)這個(gè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)了單輪放煤在42 000～43 500步的含矸率，結(jié)果平均為75.4%。由此可推測(cè)出，在現(xiàn)場(chǎng)中，瞬時(shí)放出煤矸比約為1∶3的時(shí)候關(guān)門最佳。

工作面的采出率與含矸率是檢驗(yàn)工作面放煤效果與放煤方式的重要指標(biāo)，通過選煤廠統(tǒng)計(jì)10301工作面煤矸分選后的矸石與煤炭產(chǎn)量，生成2018年2月、3月、5月這段時(shí)期內(nèi)工作面的采出率與含矸率。工作面采出率與含矸率統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 工作面采出率與含矸率統(tǒng)計(jì)(月均值)Table 3 Working face recovery rate and enthalpy rate statistics(average value mothly)

從表3可以看出，整個(gè)工作面產(chǎn)生矸石或者說產(chǎn)生的矸石量約占工作面日產(chǎn)量的7%，矸石量不大。工作面采出率在82%左右波動(dòng)，各個(gè)月份工作面采出率均值變化不大。由模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，現(xiàn)場(chǎng)采用7%的含矸率為最優(yōu)方案，而現(xiàn)場(chǎng)是在煤矸比為1∶3的時(shí)候停止放煤。在此方案內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相近，由此證明了PFC在模擬放頂煤的可行性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

1)破碎頂煤隨著仰采傾角的增加，放出位移加大，頂煤更容易提前向采空區(qū)滑落，形成“倒勺子”形堆積在支架后方不易放出。

2)仰采傾角的增加，支架后方頂煤成拱效應(yīng)會(huì)更加明顯，同時(shí)在放煤過程中，易與支架尾梁相互作用成拱，阻止頂煤繼續(xù)放出。

3)首采工作面應(yīng)選用一刀一放且放煤步距為0.8 m時(shí)頂煤放出率最高為83.21%，同時(shí)確定了采高為3.5 m時(shí)采出率最高。

4)模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，隨著放出頂煤含矸率的增加，頂煤的放出率隨之增加，但在含矸率超過7%以后增加效果不明顯，所以破碎頂煤的含矸率為7%是最佳方案，瞬時(shí)煤矸比為1∶3時(shí)停止放煤符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況。