邢志強(qiáng)

（中陽縣應(yīng)急管理局，山西 呂梁 033400）

厚煤層指煤層厚度超過3.5 m 的煤層，我國(guó)已探明煤炭資源儲(chǔ)量中，厚煤層占比在50%左右，是保證煤炭供應(yīng)穩(wěn)定的主力軍[1-2]。對(duì)于厚煤層開采，有分層開采、大采高開采及綜放開采三種方式。分層開采由于開掘巷道多、投入成本多且煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重，已逐漸被大采高開采及綜放開采兩種方式取代，而大采高開采方式對(duì)于地質(zhì)條件的要求較高，綜放開采作為一種低成本、高效率及高產(chǎn)量的開采方式，逐漸廣泛應(yīng)用于厚煤層的開采中[3]。

由于綜放開采相較于普通綜采的工藝更復(fù)雜，為提高綜放開采的回采率并降低含矸率，需對(duì)其合理的放煤工藝參數(shù)進(jìn)行研究[4]。為此，眾多學(xué)者展開了深入研究，于海涌等[5-6]通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，結(jié)合理論推導(dǎo)，給出了放煤厚度及放煤步距的計(jì)算公式；曹勝根等[7]通過相似模擬實(shí)驗(yàn)，得出較小的頂煤塊度可提高放出率，對(duì)于塊度較大的煤層，可通過降低放煤步距來提高放出率；毛德兵[8]、劉全等[9]運(yùn)用PFC 模擬軟件建立不同機(jī)采高度放煤模型，并確定出合理的放煤工藝參數(shù)；于斌[10]以塔山煤礦8105 工作面為工程背景，綜合運(yùn)用FLAC、PFC 數(shù)值模擬軟件及相似模擬實(shí)驗(yàn)，確定出工作面合理的機(jī)采高度在4.0 m 至4.3 m 之間，放煤步距應(yīng)為一采一放。

本文以付家焉煤業(yè)10106 工作面為工程背景，通過PFC 數(shù)值模擬的方法確定出合理的放煤工藝參數(shù)，以提高工作面頂煤的放出率，降低含矸率。

1 工程概況

付家焉煤業(yè)10106 工作面主采10#煤層，為合并煤層，局部區(qū)段煤層分叉，煤層傾角8°～30°，平均16°，煤層厚度5.2～5.7 m，平均5.5 m。10106 工作面走向長(zhǎng)度848 m，傾向長(zhǎng)度185 m，10#煤層上距8#煤層約15 m，煤層為黑色，條痕為棕黑色、褐黑色，玻璃和強(qiáng)玻璃光澤，硬度為2～3，有一定的韌性，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～2 層夾矸，局部含3～5 層夾矸。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

如圖1 所示，10106 工作面位于10#煤層一采區(qū)東側(cè)，北部為10104 工作面采空區(qū)，南部為10108 工作面。工作面采用綜采放頂煤方法進(jìn)行開采，采用全部垮落法管理頂板，采煤機(jī)采用端頭斜切進(jìn)刀方式，雙向割煤。為盡可能地提高10106 綜放工作面的頂煤回收率，需對(duì)其合理的放煤工藝參數(shù)展開研究。

圖1 10106 工作面布置示意圖

2 頂煤破碎機(jī)理及塊度實(shí)測(cè)

2.1 頂煤破碎分區(qū)

根據(jù)煤體變形破壞特征，可將其分為4 個(gè)區(qū)域，如圖2 所示。圖2 中，Ⅰ區(qū)為頂煤變形區(qū)，該區(qū)域位于支承應(yīng)力增長(zhǎng)區(qū)，由原巖應(yīng)力逐漸增長(zhǎng)至應(yīng)力峰值，區(qū)域內(nèi)頂煤多數(shù)處于三向受力狀態(tài)，受應(yīng)力增長(zhǎng)的影響，僅產(chǎn)生微小裂隙；Ⅱ區(qū)為壓裂區(qū)，該區(qū)域頂煤所受水平應(yīng)力降低，進(jìn)入極限平衡狀態(tài)，頂煤逐漸被壓碎；Ⅲ區(qū)為頂煤松動(dòng)區(qū)，在支承壓力及液壓支架承壓卸載的雙重影響下，頂煤體進(jìn)一步破碎并發(fā)生松動(dòng)；Ⅳ區(qū)為頂煤冒放區(qū)，頂煤完全破碎并堆積在支架后方掩護(hù)梁上方，隨著掩護(hù)梁打開，頂煤被放出到后方刮板輸送機(jī)上。

圖2 頂煤變形破壞分區(qū)

2.2 頂板載荷傳遞模型

隨著綜放工作面的不斷推進(jìn)，支架向前移動(dòng)，工作面上方頂板會(huì)在采空區(qū)內(nèi)形成一定面積的懸頂，當(dāng)載荷達(dá)到巖層極限載荷時(shí)便會(huì)發(fā)生破斷。工作面煤層回采后，頂板向下的載荷q與液壓支架支反力q2形成動(dòng)態(tài)平衡，工作面后方頂板的懸頂長(zhǎng)度為L(zhǎng)，其與支架支撐長(zhǎng)度L1的關(guān)系為：L=nL1（n=1，2，3……），將工作面頂板視為矩形截面梁，根據(jù)力學(xué)平衡可推導(dǎo)出如下關(guān)系式：

由式（1）可知，支架支反力q2會(huì)與n呈反比關(guān)系，即工作面后方頂板懸頂長(zhǎng)度L越大，支架支反力便越小，頂板向支架傳遞的載荷也就越小。在綜放開采中，n即為放煤步距，放煤步距越大，頂板向下傳遞的載荷也就越小，而頂煤需要較大的載荷才能充分破碎，有利于頂煤的放出。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，盡可能采用“一刀一放”的放煤步距，以使得頂煤體能夠充分破碎，進(jìn)而提高放出率。

2.3 頂煤塊度實(shí)測(cè)

在綜放開采中，頂煤破碎后的塊度一般大小各異，不同塊度在整體中所占的比例也不同，即為塊度級(jí)配。根據(jù)以往研究，頂煤的塊度級(jí)配在數(shù)值模擬及相似模擬實(shí)驗(yàn)中對(duì)結(jié)果的影響較大，而矸石的塊度一般差異較小[11]。因此，為保證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需在10106 工作面現(xiàn)場(chǎng)對(duì)頂煤的破碎塊度進(jìn)行實(shí)測(cè)。

實(shí)測(cè)過程在檢修班進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇工作面機(jī)頭支架及中部支架各一架，對(duì)其上方的頂煤塊度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量地點(diǎn)位于支架后方刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接處，具體實(shí)測(cè)過程如下：

1）首先由支架工操作，打開工作面機(jī)頭16 號(hào)支架后方掩護(hù)梁，將其上方的頂煤全部放出，同時(shí)啟動(dòng)后部刮板輸送機(jī)，將頂煤運(yùn)輸至測(cè)量地點(diǎn)，關(guān)閉工作面電源后進(jìn)行實(shí)測(cè)。

2）測(cè)量過程中，通過電子防爆臺(tái)秤對(duì)放出頂煤依次進(jìn)行稱重，并記錄數(shù)據(jù)。

3）測(cè)量完成后，重復(fù)以上操作對(duì)工作面中部75 號(hào)支架上方的頂煤塊度進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)量結(jié)束后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的頂煤重量數(shù)據(jù)，代入式（2）等效轉(zhuǎn)化為直徑，以直徑來表征頂煤寬度：

式中：d為頂煤的等效直徑，cm；M為頂煤塊體的質(zhì)量，g；ρ為煤體的密度，g/cm3。

現(xiàn)場(chǎng)共統(tǒng)計(jì)出240 組數(shù)據(jù)，分別代入式（2）得出10106 工作面上方頂煤等效粒徑的分布直方圖，如圖3。

圖3 頂煤等效粒徑分布直方圖

由圖3 可知，頂煤等效粒徑中，4～10 cm 之間占比最多，為76.3%左右，10～16 cm 之間的占總數(shù)的20.4%左右，16～28 cm 的僅占總數(shù)的3.3%左右。

3 放煤參數(shù)模擬分析

3.1 模型建立

根據(jù)10106 工作面實(shí)際賦存條件，采用PFC2D顆粒流模擬軟件建立模型。在縱向上，以灰色的大直徑顆粒模擬直接頂，黑色的小顆粒模擬頂煤，頂煤的塊度級(jí)配根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)塊度實(shí)測(cè)得出的塊度級(jí)配，按等效粒徑進(jìn)行設(shè)置。在頂煤中布置幾層其他顏色的顆粒模擬夾矸。模擬時(shí)采用平行黏接本構(gòu)，根據(jù)煤巖體物理力學(xué)試驗(yàn)對(duì)煤層及頂板矸石層進(jìn)行賦參，見表2。

模擬中通過wall 單元建立支架并模擬放煤過程，放煤遵循“見矸關(guān)窗”原則。模擬的放煤厚度分別為1.5 m、2.5 m及3.5 m，放煤步距分別為0.8 m、1.6 m 及2.4 m，通過不同條件下的頂煤放出情況來確定合理的放煤工藝參數(shù)。

3.2 放煤厚度模擬結(jié)果分析

1）頂煤放出量分析

設(shè)置放煤步距統(tǒng)一為0.8 m，放煤厚度分別為1.5 m、2.5 m 及3.5 m，工作面推進(jìn)距離均為16 m。模擬結(jié)束后，分別統(tǒng)計(jì)各放煤厚度下的頂煤放出量，如圖4。

由圖4 可知，不同放煤厚度下的頂煤放出量隨著工作面推近距離的增加，呈“增高-降低-增高”的發(fā)展趨勢(shì)。放煤厚度為1.5 m 時(shí)，工作面推進(jìn)16 m 后的頂煤平均放出量為1719 kg，頂煤最大放出量達(dá)到3030 kg，頂煤最低放出量為758 kg，頂煤最大最小放出量的差值為2272 kg；放煤厚度為2.5 m 時(shí)，頂煤平均放出量為2619 kg，頂煤放出量最大值為5722 kg，初次放煤時(shí)的頂煤放出量最低為621 kg，頂煤最大最小放出量的差值為5101 kg；放煤厚度為3.5 m 時(shí)，頂煤平均放出量為3583 kg，頂煤最大放出量為8302 kg，頂煤最低放出量為448 kg，頂煤最大最小放出量的差值為7854 kg。由此可知，頂煤放出量基本隨著放煤厚度的增加而增大，但整體的均勻性卻隨之變差。

2）采空區(qū)遺煤分析

不同放煤厚度下采空區(qū)遺煤分布形態(tài)如圖5。

圖5 不同放煤厚度下采空區(qū)遺煤分布形態(tài)（m）

圖5 中的黑色部分代表采空區(qū)遺煤。由圖5 可知，放煤厚度為1.5 m 時(shí)，采空區(qū)頂煤損失量為5877 kg；放煤厚度為2.5 m，采空區(qū)頂煤損失量為7 815.6 kg；放煤厚度為3.5 m 時(shí)，采空區(qū)頂煤損失量為9 159.5 kg。可以看出，采空區(qū)頂煤損失量隨著放煤厚度的增大而增大。根據(jù)三種放煤厚度下的頂煤總量，得出各放煤厚度下頂煤損失量的占比分別為14.5%（1.5 m 放煤厚度）、12.1%（2.5 m 放煤厚度）、11.6%（3.5 m 放煤厚度）。

將不同放煤厚度下的頂煤損失量和損失量占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，如圖6 所示。

圖6 不同放煤厚度頂煤損失量和損失率

由圖6 可知，隨著放煤厚度的增大，頂煤損失量逐漸增大，但頂煤損失率逐漸降低，即頂煤放出率在逐漸升高，2.5 m 放煤厚度下的頂煤損失量及損失率均位于中間，因此，確定合理的放煤厚度為2.5 m。

3.3 放煤步距模擬結(jié)果分析

1）頂煤放出量分析

放煤厚度統(tǒng)一設(shè)置為2.5 m，放煤步距分別為0.8 m、1.6 m 及2.4 m。0.8 m 及1.6 m 放煤步距的工作面推進(jìn)距離均為16 m，2.4 m 放煤步距的工作面推進(jìn)距離為16.8 m。其中0.8 m 放煤步距放煤20 次，1.6 m 放煤步距放煤10 次，2.4 m 放煤步距放煤7 次。模擬結(jié)束后，分別統(tǒng)計(jì)各放煤厚度下的頂煤放出量，如圖7。

由圖7 可知，在同一放煤厚度下，不同放煤步距初期放煤量均較低，后期呈高-低的周期發(fā)展態(tài)勢(shì)。放煤步距為0.8 m 時(shí)，工作面推進(jìn)16 m 后的頂煤平均放出量為2619 kg，最大頂煤放出量為5722 kg，最低頂煤放出量為621 kg；放煤步距為1.6 m時(shí)，工作面推進(jìn)16 m 后的頂煤平均放出量為5005 kg，最大頂煤放出量為7302 kg，最低頂煤放出量為1382 kg；放煤步距為2.4 m 時(shí)，工作面推進(jìn)16.8 m 后的頂煤平均放出量為7023 kg，最大頂煤放出量為11 294 kg，最低頂煤放出量為1823 kg。由此可知，頂煤放出量隨著放煤步距的增大而增大，相應(yīng)的放煤時(shí)間也所有增加。

2）采空區(qū)遺煤分析

不同放煤步距下采空區(qū)遺煤分布形態(tài)如圖8。

圖8 不同放煤步距下采空區(qū)遺煤分布形態(tài)（m）

由圖8 可知，放煤步距為0.8 m 時(shí)，采空區(qū)頂煤損失量為5877 kg；放煤步距為1.6 m 時(shí)，采空區(qū)頂煤損失量為9 996.0 kg；放煤步距為2.4 m 時(shí)，采空區(qū)頂煤損失量為12 935.3 kg。根據(jù)三種放煤步距下的頂煤總量，得出各放煤步距下頂煤損失量的占比分別為12.1%（0.8 m 放煤步距）、16.3%（1.6 m放煤步距）、18.9%（2.4 m 放煤步距）。

將不同放煤步距下的頂煤損失量和損失量占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，得出隨著放煤步距的增大頂煤損失量及損失率均增大，即1.6 m 及2.4 m 放煤步距下的頂煤放出率較低。因此，確定合理的放煤步距為0.8 m。

4 應(yīng)用效果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定出合理的放煤工藝：放煤步距0.8 m，根據(jù)采煤機(jī)截深，即為“一刀一放”，放煤厚度為2.5 m，工作面煤層厚度為5.5 m，確定采高為3 m，采放比1:0.83。

按此工藝指導(dǎo)10106 綜放工作面的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)頂煤放出量?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為12 d，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為24 m，頂煤的平均回收率為86.5%，工作面平均回收率為90.41%。以鄰近工作面10104 工作面為對(duì)比，10104 工作面放煤步距0.8 m，采高為2 m，放煤高度為3.5 m，采放比為1:1.75，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頂煤平均回收率為83.3%，工作面平均回收率為88.56%。兩相對(duì)比，10106 工作面頂煤平均回收率及工作面平均回收率明顯更高，說明前述放煤參數(shù)設(shè)計(jì)科學(xué)、合理。

5 結(jié)論

1）通過現(xiàn)場(chǎng)頂煤塊度實(shí)測(cè)，按照等效粒徑進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得出10106 工作面支架上方頂煤中，4～10 cm 之間占總數(shù)的76.3%左右，10～16 cm 之間占比為20.4%左右，16～28 cm 則占總數(shù)的3.3%左右。

2）通過PFC2D數(shù)值模擬軟件分析了放煤厚度及放煤步距對(duì)頂煤放出量的影響，并確定出付家焉煤業(yè)10106 綜放工作面合理的放煤厚度為2.5 m，即采高為3 m，采放比1:0.83；合理放煤步距為0.8 m，即“一刀一放”。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，采用優(yōu)化的放煤工藝后，頂煤的平均回收率為86.5%，工作面平均回收率為90.41%，放煤效果較理想，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。