國強煤礦4#煤層綜采放頂煤工藝對回采率的影響

董劍峰

(1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024;2.山西省朔州市平魯區國強煤業有限公司，山西 朔州 036899)

1 國強煤礦放頂煤工藝現狀分析

我國煤炭資源豐富，是世界煤炭產量和消費第一大國，我國工業對煤炭的依賴程度位居世界第一［1］.隨著經濟的快速發展，煤炭的消耗給環境帶來了許多負面影響，主要由低質煤炭的燃燒造成，其中以褐煤最為嚴重［2，3］. 優質煤價值高、對環境污染少、生產利潤高，在考慮經濟和供應的條件下，是我國能源和化工原料的最佳選擇。然而，隨著煤炭資源的開采，優質煤，尤其是無煙煤的儲量越來越少，無煙煤逐漸成為我國的稀缺資源［4］.

眾所周知，我國的煤炭資源開采屬于粗放式開采，更是掠奪式開采，煤炭資源丟損現象嚴重，采出率低，因此，提高煤炭資源的采出率已迫在眉睫。

影響煤炭采出率的關鍵因素之一是綜放開采的采放比，合理的采放比可以提高煤炭資源的采出率［5］. 本文通過正交試驗分析國強煤礦4#煤層控頂距、采放比，研究控頂距和采放比對煤炭采出率、工作面礦壓特征的影響，提出合理的控頂距和科學的采放比，為煤炭開采的安全、高效、綠色、環保提供理論支持和科學依據。

2 煤層賦存條件及試驗方案的確定

國強煤礦4#煤層厚度為4.23 ～10.95 m，平均7.64 m，煤層賦存穩定，結構單一，加矸0 ～5 層，厚度為0.07 ～0.60 m，巖性多為高嶺巖、炭質泥巖和砂質泥巖。

多因素試驗要充分研究各因素對結果的影響，具有試驗方案多、工作量大等困難，正交試驗設計方法的出現從根本上解決了這一難題。為此，本文通過正交試驗設計方法來設計研究方案。

本次數值模擬中考慮3 個因素，分別為:放煤步距、控頂距、采煤機采高。

依據正交試驗方法設計的方案見表1.

3 數值計算模型的建立

為了能夠準確地分析預測控頂距、采放比對煤炭采出率和工作面礦壓特征的影響，在參照地質勘察資料的基礎上，通過現場鉆孔取芯和落煤取樣的方法獲取巖石試樣，并在實驗室測定巖樣的力學特征來預測和評估現場巖體和煤體的特性。實驗室測定力學特性圖見圖1.煤層附近巖層物理力學參數見表2.

為了能真實、準確地描述工作面的開采條件及采動影響，依據生產條件、采煤工序、采煤工藝等實際情況，并結合數值計算的建模原則和方法，建立該工作面的整體數值計算模型，見圖2. 模型長×高×寬為100 m×105 m ×20 m. 模型邊界采用應力邊界和位移邊界，具體為上邊界為應力邊界，載荷值為3.2 MPa，左右邊界和下邊界為位移邊界，左右限制水平方向位移，下邊界限制豎向位移，并施加場力模擬重力作用，場力的方向數值向下，大小為9.8 m/s2.

表1 數值模擬方案參數表

圖1 巖樣巖石力學試驗圖

表2 巖石物理力學參數表

圖2 計算模型圖

4 結果分析

放頂煤開采中，在工作面前方會形成煤體破壞區，且存在應力釋放區、應力升高區(即支撐壓力區域)。這種應力的改變和遷移使得頂煤發生破壞，且由于受采動的影響其破壞范圍和破壞程度不同。模擬獲得不同方案條件下工作面前放頂煤一定區域內煤體的破壞率，即頂煤宏觀破碎系數。據此可知，頂煤宏觀破壞系數越大，預示著頂煤的破壞效果越好，回收越容易，回收率也越高。液壓支架支護反力模擬圖見圖3.

圖3 液壓支架支護反力模擬圖

試驗的12 種方案條件下頂煤的破壞區域分布圖見圖4.

圖4 不同方案條件下頂煤的破壞區域分布圖

從圖4 可以看出，不同的方案條件下，圍巖的破壞范圍和破壞類型極不相同，其破壞基本形式包括拉伸和壓剪兩種模式，破壞形狀分布有鐮刀形、矩形、扇形等，破壞模式有單一性和復合型。為此，分析各因素對頂煤破壞的影響以及與頂煤破壞率之間的關系是尋找合理開采工藝的基本條件。

控頂距、支架合力作用點、放煤步距、采高與頂煤破碎系數之間的關系見圖5 ～8.

分析圖5 ～8 可以發現，支架合理作用點和支架前方距離為2.8 ～4.0 m 時，頂煤破碎率逐漸增大，因此，支架合理作用點距離應大于2.8 m，小于4.0 m.放煤步距在1.0 ～1.5 m 時頂煤破碎率逐漸增大，1.5 m時為最大值，因此，采用一采一放比較合理。隨采高的增加，破碎系數遞減，所以，最佳采高為2.1 ～2.9 m.

圖5 控頂距和頂煤破碎系數關系示意圖

圖6 支架合力作用點和頂煤破碎系數關系示意圖

5 結 論

通過理論分析和數值模擬相結合的方法，結合山西朔州國強煤礦4#煤層賦存的地質條件，對該礦綜放工作面工藝參數的確定及頂煤回采率進行了研究，

圖7 放煤步距和頂煤破碎系數關系示意圖

圖8 采高和頂煤破碎系數關系示意圖

得出如下結論:1)合理的采放比可以實現工作面的高產高效。2)該礦3 m 采高時頂煤冒放性最好。3)確定了該礦4#煤層的合理采高為3 m，采放比為1∶1.5. 4)確定了該礦綜放工作面合理的放煤工藝為“一采一放、單輪間隔”。5)確定該礦提高初采頂煤、末采頂煤、端頭頂煤的措施。

［1］ 張立其，李志軍.堅硬厚煤層綜采放頂煤工藝巷預裂爆破開采技術［J］.中國煤炭，2011(10):50－52.

［2］ 梁和平，章之燕.開灤礦區綜采放頂煤工藝煤炭采出率的分析［J］.煤炭科學技術，2008(7):13－15.

［3］ 張克濤.煤層特征對綜采放頂煤工藝的控制作用［J］.煤田地質與勘探，2001(2):19－20.

［4］ 唐子波.金屬網下綜采放頂煤工藝研究［J］.中國礦業，2001(3):47－50.

［5］ 謝宗保，馬德昌.堅硬頂板較厚煤層綜采放頂煤工藝的實踐［J］.煤炭科學技術，2003(12):34－36.