基于數值模擬的綜放工作面頂煤采出率研究

靳職鵬

(汾西礦業(yè)集團水峪煤業(yè)，山西 孝義 032300)

引 言

放頂煤開采的關鍵是利用支承壓力將采場前方及上方煤體壓碎并放出。頂煤的冒放性是指頂煤冒落與放出的難易程度，包含兩方面的含義，即頂煤的冒落形態(tài)和放出特性。影響頂煤冒放性的因素很多，例如煤體強度、裂隙分布、采放煤厚度、直接頂垮落特性、夾矸情況、支架架型與開采工藝等。機械化放頂煤開采自1984年在我國首次應用以來，國內學者已對影響頂煤冒放性的因素進行了大量研究，得出了許多有益的結論，而特厚煤層大采高綜放回采工藝自21世紀初提出以來，由于其發(fā)展時間較短及回采工藝的復雜性，其頂煤冒放性出現了一些新的有待研究的特征，其中機采高度的增加對頂煤冒放規(guī)律的影響研究尤為重要[1-3]。本文針對某礦8105工作面具體地質生產條件，運用理論分析、數值模擬、現場實測等研究手段，對大采高綜放回采的頂板及頂煤活動規(guī)律、頂煤冒放性影響因素及煤炭采出率展開研究。

1 綜放開采頂煤運移規(guī)律研究

機采煤和頂煤應力分布特征一致，在同一橫向區(qū)域內應力變化基本一致，隨機采高度增加，支承壓力峰值點逐漸前移，支承壓力對頂煤的破碎區(qū)域增大，破碎作用增強；同時，在支承壓力影響下，頂煤塑性區(qū)范圍也隨機采高度增大而增大，說明隨機采高度增大，頂煤破壞程度加劇，冒放性也隨之提高；工作面采場由后至前，頂煤及頂板豎向位移逐漸向前發(fā)展，位移云圖呈現明顯的條帶狀，且隨機采高度增加，位移條帶向前發(fā)展更遠，表明頂煤受擾動的程度加大，有利于頂煤的破碎和放出。

頂煤及直接頂的冒放性可用其破碎程度和垮落狀態(tài)來衡量，如果直接頂和頂煤冒放性差別較大，形成的煤巖塊粒徑差別也較大，則放煤過程中因煤巖塊流動性不同而不易混矸，而垮落狀態(tài)又可用其破斷角來衡量，頂煤、直接頂破斷角一般為70°～110°。破斷角大小對頂煤采出率及含矸率有較大影響，較小時利于降低含矸率，但采出率較低，較大時則采出率較大，但含矸率不易控制[4-6]。

綜放工作面放煤工藝主要包含放煤步距和放煤方式兩項內容，是影響工作面煤炭采出率和含矸率的重要因素。確定放煤步距的原則是：有利于提高頂煤冒放性和頂煤采出率，降低含矸率。若放煤步距偏大，支架后方煤矸運動距離較大，則上部矸石先到達放煤口，造成采空區(qū)側三角煤損失；若放煤步距偏小，支架上方煤矸運動距離較大，則后方矸石先到達放煤口，造成上部頂煤損失。放煤方式不僅影響工作面煤炭采出率和含矸率，還對工作面放煤速度、推進速度和產量有較大影響。常見的放煤方式主要有：單輪順序放煤、單輪間隔多口放煤、多輪分段順序等量放煤、多輪間隔順序多口放煤等。采用何種放煤方式，應針對具體煤層賦存條件，如煤厚、采放比、煤質硬度、頂板硬度等，結合已有理論成果合理選用。

2 頂煤采出率數值模擬分析

根據8105工作面實際使用的ZF/15000/27.5/42型液壓支架的具體參數，應用PFC2D數值模擬工具，建立四個數值模型，對應的采煤機割煤高度分別為3.0、3.5、4.0、4.5 m，在煤層總平均厚度15.5 m的前提下，4個數值模型對應的的頂煤厚度是12.5、12、11.5、11 m。初次放煤結束后，開始進入割煤、移架、推前溜、放頂煤、拉后溜的循環(huán)作業(yè)工序。模擬前兩次循環(huán)放煤過程，放煤步距為0.8 m。

分析模擬結果可知：當機采3.0 m時，放煤情況較好，但由于放煤厚度較大，頂煤無法在后部矸石到達放煤口前全部放出，煤炭采出率難以保證；當機采3.5 m時，支架側的煤巖分界線仍有一定程度的煤矸互竄，但煤矸流場形態(tài)良好，總體上煤炭采出率及含矸率基本可以保證；當機采4.0 m時，煤矸流場形態(tài)達到理想狀態(tài)，放煤漏斗成型較好，放煤過程中支架掩護梁上方待放頂煤均勻破碎，頂煤采出率及含矸率均能得到保證；當機采4.5 m時，煤矸運移狀態(tài)趨于穩(wěn)定，頂煤放出情況較好，但仍有一定程度的煤矸互竄情況，導致含矸率增大。

通過工藝模擬，統(tǒng)計并計算得出四個方案煤炭采出率及含矸率如表1所示，并作煤炭采出率、含矸率隨機采高度變化曲線圖，如圖1所示。

分析圖表可知，煤炭采出率隨機采高度增大而增大，且機采高度超過4.0 m后，曲線斜率減小；含矸率在機采高度由3.5 m增至4.0 m時有微弱降低，隨后急劇增大；對比可知，機采高度宜控制在3.5 m～4.0 m范圍內，4.0 m時效果最好。

表1 煤炭采出率及含矸率統(tǒng)計表

圖1 煤炭采出率和含矸率隨機采高度變化曲線

3 工程實踐及結論

由以上研究結果分析，機采高度4.0 m時對保證煤炭采出率及控制含矸率均最為有利，此時待放頂煤破碎狀況良好，煤巖界限分明，煤矸流場達到理想狀態(tài)。故8105工作面機采高度選為4.0 m較為合理，宜在機采高度4.0 m條件下選用合理放煤工藝進行回采。現場根據工作面布置條件、“三機”配套選型、工作面生產計劃等，設計采高(采煤機割煤高度)3.9 m，放煤11.6 m，采放比約1∶3，現場實際觀測結果，工作面頂煤回收率能夠達到80%，割煤回收率能夠超過90%，綜合煤炭回收率能夠達到85%，且含矸率能夠控制在合理范圍內，達到預期的技術和經濟效果。