綜放工作面放煤方式對頂煤放出率的影響規律研究

方恩才，翟恩發，鄧潤義

(淮礦西部煤礦投資管理有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

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·試驗研究·

綜放工作面放煤方式對頂煤放出率的影響規律研究

方恩才，翟恩發，鄧潤義

(淮礦西部煤礦投資管理有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

綜放工作面頂煤的冒放性直接關系到煤層的回采率，頂煤的放出率影響因素較多，本文以唐家會煤礦6煤層綜放工作面為研究對象，利用PFC軟件分析單輪順序放煤、單輪間隔順序放煤及單輪間隔多口放煤等幾種放煤方式對頂煤放出率的影響，結果表明：單輪間隔多口放煤時煤體下落過程中相互作用、相互碰撞，有利于增加頂煤放出率，且該放煤方式能夠部署兩個甚至更多的放煤口同時放煤，降低工作面完成一次放煤所需要的時間，是一種合理的放煤方式。

厚煤層；綜放開采；頂煤放出率；放煤方式；放煤口

針對厚煤層開采，我國普遍采取分層開采或綜放開采技術，綜放開采為主要采煤方法。目前，我國綜放工作面的煤炭采出率平均在85%左右[1]. 在對厚煤層綜放開采過程中，由于頂煤具有不均衡的物理力學性質，從而引起頂煤放采的難度增加，頂煤的復雜物理力學特性嚴重影響綜放工作面煤炭放出的效果、頂板穩定性的控制、提高煤炭采出率等[2]，厚煤層綜放開采過程中頂煤回收率與含矸率是對立的兩個因素[3]. 頂煤的回收率隨著含矸率的增加而提高，而含矸率的增加將會導致采出的精煤量不斷降低，選煤設備的損耗增加，選煤的效益會隨之降低[4].

本文針對唐家會煤礦主采的6 煤，結合放頂煤開采理論[5-6]，采用PFC軟件，重點分析放煤方式對頂煤回收率的影響，通過對比分析，選擇合理的方式，增加頂煤的放出，提高頂煤采出率，從而降低頂煤損失。

1 工作面概況

唐家會煤礦主采煤層6煤屬于石炭、二疊系上統太原組，這兩類地層成巖時間較晚，巖石多為泥質、砂質泥巖，后期由于受到各種應力的影響，頂板巖層發生裂隙、孔隙發育，從而導致巖層易破壞、黏結度差。從井田內鉆孔已獲取的巖芯物理力學性質來看，頂板大部分為細粒砂巖、粉砂巖及砂質泥巖，底板一般為砂質泥巖及粉砂巖。煤層頂底板巖石的抗壓強度自然狀態下為4.9～42.4 MPa，平均為23.6 MPa；巖石裂隙吸水后，抗壓強度變為3.9～18.4 MPa，抗壓強度明顯變小。煤層的平均厚度為17 m，埋藏深度為500 m以上。煤層頂板巖層柱狀圖見圖1.

圖1 工作面地質柱狀圖

2 PFC數值模型的建立

2.1 模型的建立

本文對頂煤采出率的高低受放煤方式的影響進行研究，頂煤塊度的大小會影響頂煤的采出率，因此選取半徑為0～0.2 m的煤層顆粒作為模型的樣本，根據高斯隨機分布，形成不同尺寸顆粒組成的煤層結構，煤層頂底板由半徑為0.25 m的顆粒黏結形成。具體的模型尺寸為：煤層埋藏深度約為518 m，煤層平均厚度為17 m，所建立的模型高度為30 m，剩下的488 m巖層通過等重力加載, 物理力學參數見表1.

表1 物理力學參數表

具體建立的模型見圖2.模擬綜放工作面底部邊界割煤的高度為4.5 m，即采放比1∶2.7，模擬放煤步距1.6 m時，放煤方式對頂煤采出率的影響。針對不同的放煤方式，模擬15架支架寬度的放煤。

圖2 數值模型圖

2.2 放煤方式對頂煤采出率的影響

1) 單輪順序放煤。

單輪順序放煤應先打開1#放煤口，待1#放煤口放煤結束后依次打開2#、3#…放煤口完成放煤，各放煤口放煤過程中見矸關閉放煤口見圖3.

圖3 單輪順序放煤圖

單輪順序放煤過程示意圖見圖4. 從圖4a)可以看出，綜放工作面完成一次單輪順序放煤之后，放煤口上方依然留存部分頂煤未被放出。主要原因是：在放頂煤過程中，頂煤和矸石混合到一起向放煤口移動，為降低含矸率，以保證煤質，當見矸關門時，部分頂煤沒有及時放出。由單輪放煤過程可以看出，支架放煤口順序放煤，使頂煤之間相互擾動小，使得脊背煤量及三角區死煤量較大，統計得出煤炭采出率為82.25%.

圖4 單輪順序放煤過程示意圖

2) 單輪間隔順序放煤。

首先打開1#放煤口將頂煤放出，待1#放煤口放煤結束后，按等差數列的順序依次將3#、5#…放煤口打開放頂煤，見到矸石關閉放煤口，等到上述的放煤口放頂煤結束后，再依次將偶數2#、4#、6#…等放煤口放頂煤，具體操作見圖5.

圖5 單輪間隔多口順序放煤圖

上述奇、偶數架放頂煤結束后煤矸堆積形態分別見圖6a)、6b). 由圖6可以得出，當奇數架放頂煤完成之后，相應的在偶數架上形成脊背煤，其上部頂煤及矸石會隨著偶數架放煤口打開而垂直下落，脊背煤受到上覆巖層的壓力會發生垂直下落和水平移動，垂直向下移動的頂煤會從放煤口直接放出，而水平移動的頂煤不能從放煤口放出，而是滑落到相鄰的奇數架上方，造成煤炭資源的浪費。統計分析得出此放煤方式煤炭采出率為84.89%.

圖6 單輪間隔順序放煤過程示意圖

3) 單輪間隔多口放煤。

單輪間隔多口即先打開1#、3#、5#等幾個放煤口，偶數支架放煤口待奇數支架放煤完成后再打開，隨后將偶數支架上方殘留的頂煤放出，見圖7.

圖7 單輪間隔多口放煤圖

單輪間隔多口放煤過程示意圖見圖8.圖8a)顯示，隨著奇數支架上方頂煤的放出，偶數支架上方的頂煤逐漸形成平衡的趨勢，偶數支架上方頂煤待奇數支架頂煤放完后達到平衡。偶數放煤口被打開之后，其上方的頂煤會受上覆巖層壓力的影響而發生垂直向下及水平移動，與單輪間隔順序放煤相同，垂直向下移動的頂煤從開放的放煤口放出，發生水平移動的頂煤不能從排放口排出，而是滑落到相鄰的奇數支架上方而擱置，但此種放煤方式同時開放的煤口較多，煤體下落過程中相互作用、相互擾動，有利于增加煤體放出率。統計分析得出此放煤方式煤炭采出率為86.79%.

以上分別論述了3種不同放煤方式對頂煤采出率的影響，從頂煤的放出率分析可得，單輪間隔多口放煤的頂煤采出率要高于其他兩種放煤方式，單輪順序放煤方式的平均頂煤采出率要低于單輪間隔多口放煤大約4%，單輪間隔順序放煤方式的平均頂煤采出率要低于單輪間隔多口放煤大約2%；從綜放工作面放頂煤時間效率分析，割一次工作面底煤的時間短于單口放完一次頂煤的時間，為了提高綜放工作面的工作效率，割煤時間一定的情況下有必要縮短一次放頂煤的時間。上述的單輪間隔、單輪順序放煤方式，每次只可以開放一個放煤口，因此放煤時間比較長，放頂煤的效率較低；但單輪間隔多口放煤方式彌補了其他兩種放煤方式的不足，可以開放兩個或者多個放煤口放頂煤，大大縮短了綜放工作面放頂煤的時間。最終可以得出，單輪間隔多口放煤方式是比較合理的一種放頂煤方式。

3 結 論

本文利用PFC軟件分析了放煤方式對頂煤放出率的影響，結果表明：單輪順序放煤煤炭放出率82.25%，單輪間隔順序放煤放出率84.89%，單輪間隔多口放煤煤炭放出率86.79%. 而且單輪間隔多口放煤方式的放頂煤時間要短于其他兩種放煤方式，提高了綜放工作面放頂煤的工作效率，是一種合理的放煤方式。

[1] 徐乃忠．我國厚煤層開采的問題與方向[J]．煤炭工程，2008(12)：5-7.

[2] 李成喜，章 磊，王益品，等．特厚煤層綜放開采煤巖冒放規律及放煤工藝[J]．煤礦安全，2010(4)：46-48.

[3] 黃炳香，劉長友，程慶迎．低位綜放開采頂煤放出率與含矸率的關系[J]．煤炭學報，2007，32(8)：789-793.

[4] 陳慶豐，陳忠輝，李 輝，等．平朔礦區綜放開采頂煤放出規律試驗研究[J]．2014，46(1)：90-93.

[5] 崔景昆，陳善昌，付明明，等．雙傾斜大傾角輕放仰采工作面放煤工藝研究[J]．煤炭工程，2012(5)：91-95.

[6] 徐開宇．淺埋深中硬特厚煤層綜放開采不同放煤工藝試驗分析[J]．煤礦開采，2013，113(4)：36-39.

Study on Influence of Caving Mode on Roof Coal Recovery Rate in Fully Mechanized Caving Face

FANG Encai, ZHAI Enfa, DENG Runyi

The top coal caving in fully mechanized top-coal caving face is directly related to the recovery rate of coal seam. There are many factors affecting the discharge rate of roof coal. The fully mechanized top coal caving mining face in No.6 coal seam in Tangjiahui coal mine is taken as the research object. The effect of several coal caving methods on the discharge rate of top coal was analyzed with the software of PFC. The options including single wheel sequential caving, single wheel interval sequential caving, single wheel interval sequential caving with more than one spot at the same time. The results showed that mode three, the single-wheel interval with more spot are more reasonable due to the interaction and collision of coal during caving, it is conducive to increase the recovery, save operation time.

Thick coal seam; Fully mechanized caving mining; Top coal release rate; Caving spot

2017-03-08

方恩才(1965—)，男，安徽淮南人，1990 年畢業于淮南礦業學院，高級工程師，主要從事煤礦技術管理工作

(E-mail)346248235@qq.com

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1672-0652(2017)05-0021-04