厚煤層煤炭開采頂煤放出模擬分析

劉曉斌

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037024)

引 言

厚煤層的分布是我國煤炭資源的主要分布形式，對于厚煤層的開采多采用厚煤層放頂煤的方式進(jìn)行。隨著煤層厚度的增加，現(xiàn)有放頂煤方式無法滿足特厚煤層的開采，采用手動(dòng)放頂煤的方式，由于人工操作過程中的不規(guī)律及工序設(shè)備的配合不到位，往往造成過早的關(guān)閉頂門，不能有效的全部放出頂煤，造成煤炭的回收率低，降低了礦井的經(jīng)濟(jì)效益。針對厚煤層及特厚煤層時(shí)，頂煤的放出規(guī)律進(jìn)行研究[1]，通過仿真模擬不同厚度煤層頂煤的放出規(guī)律，更好的制定相應(yīng)的放頂煤時(shí)間，保證頂煤的充分放出，提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。

1 厚煤層頂煤放出模型的建立

采用CDEM軟件對厚煤層及特厚煤層頂煤的放出規(guī)律進(jìn)行分析，該軟件通過將有限元及離散元計(jì)算相互進(jìn)行耦合的方式實(shí)現(xiàn)塊體的有限元、離散元及顆粒離散元分析，可以實(shí)現(xiàn)對頂煤放出過程及煤矸石狀態(tài)的模擬[2]。

依據(jù)煤層的賦存條件，對煤層進(jìn)行建模，由于在開采過程中，頂煤的放出過程受到液壓支架、刮板機(jī)的尺寸位置等影響，在建模過程中，依據(jù)實(shí)際的工況條件，進(jìn)行圍巖之間的耦合模擬[3]。煤層分布平均厚度為20 m，含有不同厚度、不同等級(jí)的泥巖、砂巖等，為了頂煤的放出規(guī)律進(jìn)行分析，建立沿工作面方向的煤層及直接頂?shù)哪Ｐ汀９ぷ髅娴拈L度為200 m，采用圓形顆粒表示破碎后的頂煤及直接頂，工作面模型，如圖1所示。

圖1 煤層分布模型圖

2 頂煤厚度不同對頂煤放出的影響分析

不同頂煤厚度對于開采過程中頂煤的破碎機(jī)放出具有不同的影響，從而影響采煤方式的選擇。對頂煤厚度不同的放煤過程進(jìn)行模擬分析，以工作面放煤口為1.75 m時(shí)的工況，進(jìn)行放煤的仿真分析，研究不同厚度的頂煤放出規(guī)律，對不同工況下的頂煤的回收率及頂煤的放出量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在實(shí)際開采過程中，經(jīng)破碎后的頂煤堆積在支架后方，經(jīng)工作面支架放煤口放出，支架相互之間的配合對于頂煤的放出效果具有一定的影響。在分析過程中，采用液壓支架固定的移駕步距，以對頂煤厚度不同的因素進(jìn)行分析。

頂煤在礦壓及采動(dòng)因素作用下為破碎的離散顆粒，設(shè)定煤層的密度、泊松比及摩擦角，將模擬時(shí)間設(shè)定為1s作用為實(shí)際工況的一個(gè)單位[4]。在模型分析中，建立頂煤的厚度為6 m～26 m五種不同的數(shù)值分析模型，以放煤口見矸作為放煤結(jié)束的標(biāo)志，依次進(jìn)行防霉，得到不同頂煤厚度時(shí)頂煤放出后的煤巖模型，分別如第120頁圖2所示。

a)頂煤厚度為6 m

從圖2中可以看出，在不同厚度的頂煤放出過程中，煤巖的分界面呈現(xiàn)周期性的混合轉(zhuǎn)臺(tái)，隨著頂煤厚度的增加，煤巖的分界面的混合程度不斷增加，同時(shí)殘留的頂煤量也有所增加。在頂煤厚度為6m及11m時(shí)，頂煤的回收率比較高，而隨著頂煤厚度的增加，回收率逐漸降低。對不同厚度下的不同放煤口放出的煤量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并繪制不同放煤口的放煤量分布圖，如圖3所示。

圖3 不同放煤口的放煤量分布

從圖3中可以看出，隨著頂煤厚度的增加，各放煤口的放出量均值不斷增加，且不同放煤口的放出量在整個(gè)工作面上呈現(xiàn)周期性的變化，頂煤的起始放出量較大，然后逐漸減小，到達(dá)一定數(shù)值后，放煤量又增加，呈現(xiàn)周期性的變化[5]。這是由于在頂煤的放出過程中，頂煤放出體為橢球體，初始放煤時(shí)，經(jīng)過放煤口可完全放出，而隨著頂煤放出，上方形成矸石組成的漏斗，導(dǎo)致放煤量減小，隨著工作面支架的推進(jìn)，使得漏斗放煤的影響逐漸減弱，直至形成新的漏斗，從而呈現(xiàn)周期性的變化過程。同時(shí)，在頂煤厚度較大時(shí)，起始的放煤量較小，這是由于在起始放煤時(shí)，放煤口不能充分破壞頂煤的穩(wěn)定性，使得頂煤的放出量受限，而隨著其他放煤口的同步打開，頂煤受到的擾動(dòng)作用不斷增加[6]，從而可以實(shí)現(xiàn)大量的放煤。

對不同厚度頂煤的放出規(guī)律進(jìn)行分析可知，在頂煤厚度增加的過程中，各支架放煤口的差別逐漸增加，頂煤的回收率逐漸降低，頂煤的厚度增加到一定數(shù)值后，放煤的有效厚度不再增加，使得頂煤不能充分的放出，從而造成頂煤回收率較低。

3 結(jié)語

綜采放頂煤方式廣泛應(yīng)用于厚煤層的開采中，但隨著煤層厚度的增加，放頂煤的方式難以滿足頂煤的充分放出，造成煤炭的回收率降低，在煤層厚度增加時(shí)，要采用相應(yīng)的大采高或分層開采的方式進(jìn)行。對于確定適合的煤層高度，采用數(shù)值分析的方式對頂煤厚度不同時(shí)的頂煤放出規(guī)律進(jìn)行分析，采用采用CDEM軟件進(jìn)行仿真分析，對頂煤放出后的煤巖形態(tài)及頂煤的放出量進(jìn)行分析。

結(jié)果表明，隨著頂煤厚度的增加，煤巖的分界面的混合程度不斷增加，同時(shí)殘留的頂煤量也有所增加，使得回收率逐漸降低；在同一頂煤厚度下，不同放煤口的放出量在整個(gè)工作面上呈現(xiàn)周期性的變化，在頂煤厚度增加的過程中，各支架放煤口的差別逐漸增加，頂煤的回收率逐漸降低，頂煤的厚度增加到一定數(shù)值后，放煤的有效厚度不再增加，使得頂煤不能充分的放出，從而造成頂煤回收率較低。對于頂煤的放出規(guī)律進(jìn)行分析，對煤層進(jìn)行開采時(shí)，依據(jù)煤層的賦存條件，確定相應(yīng)的采煤工藝，從而實(shí)現(xiàn)較高的采煤回收率，實(shí)現(xiàn)較高的煤礦經(jīng)濟(jì)效益。