采空區全息探測技術與頂煤運移的時空演化規律研究

頂煤回收率是厚煤層綜放開采的核心問題，長期以來飽受爭議，是學界和工程界高度關注的焦點問題。大同塔山礦，主采煤層為石炭系3-5#層，厚度達20 m，受火成巖侵入影響，煤層與頂板都受到不同程度的破壞，且大同礦區煤層具有“兩硬”特點，開采時條件極其復雜。國內外一次開采的煤層厚度最大不超過14 m，而對于塔山礦一次開采厚度達20 m 煤層后形成的采空區是何種形狀，與放煤工藝之間有何種關系，如何在保證安全開采條件下，高效、高回收率的回收煤炭是亟待解決的難題。

針對此問題，采用洞穴三維激光掃描探測儀，獲得采空區空間體積及形狀等相關信息，并結合理論分析、數值模擬及現場實測等方法對頂煤運移規律進行深入系統研究，獲得采空區全息探測技術與頂煤運移的時空演化規律，形成了完善的理論技術體系。主要在以下方面取得了創新性成果：

1.首次基于洞穴三維激光掃描探測系統，探明了不同時刻、不同頂板條件下特厚煤層綜放開采采空區頂板頂煤垮落形態；提出了頂煤冒放的“面接觸塊體拱”模型及其形成條件，揭示了煤巖物理力學、頂板來壓特征等因素對煤矸分界線的影響規律。

(1)頂煤“成拱”實測分析

①采用洞穴三維激光掃描探測儀進行實測分析。在工作面進行多次觀測，探明不同時刻、不同頂板條件下特厚煤層綜放開采采空區頂板頂煤垮落形態，也證明其“成拱”的必然性。

圖1 頂煤“成拱”實測圖

圖2 采空區三維激光掃描圖

圖3 頂煤及夾矸厚度不同時頂煤放出率變化

圖4 夾矸厚度相同頂煤厚度不同頂煤放出率變化

(2)相似材料模擬及數值模擬研究。利用巴厘石和河沙等散體材料模擬破碎后的頂煤，進行相似材料模擬試驗，結合PFC 數值計算建立了頂煤運移規律結構力學模型，探索了頂煤放冒規律。

(3) 提出頂煤冒放的“面接觸塊體拱”模型理論。特厚煤層綜放開采中，破碎的煤體可能以點接觸的方式形成鉸接觸結構，也可能以面的形式形成面接觸的結構，但隨著接觸點的破壞，接觸方式也會由點接觸轉為面接觸，基于此，提出了“面接觸塊體拱”結構模型(圖5)。

圖5 煤層“成拱”受力平衡圖

2.采用數值模擬方法，分析了綜放液壓支架尾梁后方頂煤冒落形態、頂煤運移規律及其影響因素，揭示了荷載、壓力拱跨長、高跨比等因素對塊體拱的作用機制。

(1)頂煤“成拱”數值模擬研究。結果表明：放煤過程中，冒落頂煤在尾梁矸石堆積之間有拱形屈服應力分布區域，在此區域內頂煤自由冒落到輸送機上被運走，而在拱形區域上方的頂煤則受該拱的阻擋影響，不能充分放落，使回收率降低。

(2)通過對頂煤自架后放出的力學行為對放煤效果的影響、掩護梁及架后巖堆對放煤形成“面接觸塊體拱”的高度、跨度影響規律、極限跨度理論研究，得到了形成“面接觸塊體拱”結構的力學機理、動力學機理和相關結構參數。

(3)現場實測研究

①采用現場深基點測試得到了實際的頂煤位移情況。實測結果表明：頂煤的層位不同，其位移發生的初始點也不同，層位越高，頂煤位移始動點距離工作面煤壁越遠。

②在工藝巷內布置采空區壓力監測儀及應力監測點。監測數據表明，隨著頂板來壓，采空區壓力逐漸增加；當巖層破斷時，巖移躍升，支架來壓瞬間增加。鉆孔密度高，監測手段多，各方法相互驗證，提高了監測精度和可靠性，同時也向全息采礦邁進。

3.提出了特厚煤層綜放開采條件下頂煤冒放性評價方法，提出了消除頂拱效應對策與措施，對頂煤回收率進行了預測，優化了塔山礦特厚煤層開采放煤工藝。

(1)頂煤破壞過程及冒放性研究，通過對頂煤的破碎過程及影響頂煤冒放性等指標進行定性與定量分析，運用模糊數學分類方法，對頂煤冒放性進行了分類研究，同時引入煤體損傷概念，得出塔山煤礦頂煤放出率為n=75.36%，冒放難度中等。

(2)頂煤注水軟化。采用注水軟化后，頂煤硬度得到了一定的弱化，減小了頂煤的塊度。從現場采煤效率來看，注水軟化后，頂煤放出率提高5%左右。

(3)選擇新型放煤支架及強擾動裝置。選用四柱式綜放支架，放煤架寬度由1.5 m 提高到1.75 m，采煤支架高度由3.5 m 增大到5.2 m，并加大放煤口尺寸。在支架設計時設置專門的強擾動放煤裝置（圖6）。通過現場實踐，頂煤放出率提高了4%。

圖6 ZF15000/28/52 放頂煤支架

(4)放煤工藝優化

①PFC3D數值模擬，對不同放煤方式放煤過程進行分析，獲得特厚煤層大采高放頂煤開采的基本規律及最優的放煤方式，結果表明：無論是順序放煤還是間隔放煤多輪放煤回收率均高于單輪放煤。

②不同放煤工藝現場實測，對頂煤進行探測，根據頂煤厚度及結構，選擇合理放煤工藝。具體包括增加放煤輪次、保證放煤時間及主動擾動，通過實測研究，給出不同頂煤厚度放煤輪次、放煤時間、主動擾動次數等參數。根據夾矸厚度情況，對放煤工藝進行適當調整，通過上述措施，工作面回收率提高了5%左右，同時提高了生產效率。

本項目在理論與技術上取得了進展，2020年1月4日經中國煤炭工業協會組織專家鑒定：研究成果達到了國際先進水平。應用以來，塔山礦8301工作面新增產值3 807.7 萬元，新增利稅400.87 萬元，經濟社會效益顯著，同時該成果具有很強的示范性。