郭莊煤業3308綜放工作面頂煤運移規律及放煤參數研究

王進海

(山西省高平市科興米山煤業有限公司,山西 高平 048400)

1 工程概況

山西潞安郭莊煤業有限責任公司3308工作面井下位于三采區西北部，南為三采區配風巷，北為二采區回風巷(已封閉)，西為3309工作面(未回采)，東為3308工作面(未開采)。3308工作面傾斜長度207 m，走向長度為2 191 m，開采3號煤層，煤層平均厚度為6.15 m，煤層頂底板巖層特征如表1所示。工作面采用綜合機械化采煤方法，機采高度為3.1 m，放煤高度為3.05 m，循環進度0.8 m。現為提高工作面煤炭的回收率，特進行頂煤運移規律和放煤工藝參數的研究分析。

表1 3號煤層頂底板巖層特征

2 頂煤運移放出規律

2.1 頂煤破裂機理

綜放工作面放頂煤的開采分為采煤機截割回采和放煤兩個過程，頂煤在上覆巖層荷載的作用下，通過液壓支架的放煤口放出，根據3308工作面的地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件進行工作面頂煤破裂機理進行分析，數值模型長×寬×高=200 m×100 m×50 m，基于工作面頂底板巖層的各項物理力學參數進行模型中各巖層參數的賦值，基于數值模擬結果得出頂煤塑性區分布及頂煤破壞系數分布如圖1所示。

圖1 頂煤塑性區及破壞系數分布云圖

分析圖1可知，在工作面采動影響下，頂煤存在著四種破碎區域，分別為頂煤完全破碎區、頂煤較好破碎區、頂煤較差破碎區和頂煤完整區。頂煤完全破碎區主要位于液壓支架上方，在該區域處頂煤的破碎系數一般大于1.25，且脊背煤區域處的頂煤易出現破碎不完全，支架后方易形成大塊的現象，導致放煤口堵塞；頂煤較好破碎區內頂煤的破碎系數一般在1.0～1.25的范圍內，該區域主要位于距煤壁2.5 m的區域內，該區域內的煤體處于采動應力影響的峰值區域，且該區域內應力集中現象較大，隨著工作面回采作業的進行，該區域煤體的破碎程度逐漸增大，直至到達支架上方，此時放出該區域煤體時，煤體較為破碎，利于頂煤的放出[1-3]；頂煤較差破碎區主要位于工作面前方2.5～6.5 m的范圍內，該區域內頂煤的破碎系數在0.5～1.0的范圍內，頂煤具有一定的完整性；頂煤完整區主要位于工作賣弄前方6.5 m以外的區域，該區域內頂煤的破碎系數均小于0.5，且頂煤的應力集中系數會進一步減小，工作面內的超前支承壓力不足以使頂煤產生破碎。

2.2 頂煤運移規律

根據國內外眾多學者在頂煤運移方面的研究成果[4-5]，工作面煤體塑性區內的支承壓力σsy的理論分析表達式為：

(1)

式中：σsy為工作面煤體塑性區內的支承壓力；f層間的摩擦系數；M為煤層厚度；φ為煤體的內摩擦角；x為塑性區內任一點至煤壁的距離。

當將煤體在y軸方向上的應力σy用KγH表示時，此時煤體超前壓力峰值位置x0及彈性區內支承壓力分布σty分布的表達式分別為：

(2)

式中：x0為煤體超前壓力峰值位置；σty為彈性區內支承壓力；K為應力集中系數；γ為上覆巖層的容重；H為煤層的埋深；β為側壓系數。

當用x1表示煤體彈性區的范圍，即有x=x0+x1時，能夠進一步推導得出煤體彈性區的表達式為[6]：

(3)

根據3308綜放工作面具體的各項參數，結合頂煤數值模擬結果，得出頂煤基點位移曲線圖如圖2所示。

3 放煤工藝參數設置與實踐

3.1 頂煤工藝參數模擬分析

綜放工作面機采高度范圍內的煤層回采后，上方煤體會失去支撐，頂煤會在上覆巖層荷載的作用下逐漸破碎垮落，同時局部區域頂煤上方的直接頂也會出現隨頂煤垮落的現象，垮落的頂煤基本呈現為破碎的松散狀態，針對放頂煤開采中的主要困難為頂板煤體破碎性較低，相對不易放出。為有效掌握3308綜放工作面頂煤的運移規律，提高頂煤回收率，根據工作面的具體地質條件，采用PFC數值模擬軟件進行頂煤垮落特征的分析，數值建模時，設置工作面煤層厚度為6.15 m，煤層頂板設置中粒砂巖和粗粒砂巖兩層巖層，通過模擬分析具體進行放煤方式和放煤步距對頂煤放出率的影響分析。

1) 放煤方式：根據3308綜放工作面的具體地質條件，結合礦井現有綜放工作面的生產經驗，分別模擬分析單輪放煤、雙輪放煤和單輪間隔放煤三種放煤方式，根據數值模擬結果得出不同放煤方式下頂煤垮落、放出及煤損情況如圖3所示。

圖2 頂煤位移曲線圖

圖3 不同放煤方式時下頂煤垮落、放出規律圖

通過分析圖2可知，工作面采用單輪順序、雙輪順序和單輪間隔放煤方式時，頂煤放出率分別為84.6%、79.5%和82.8%，另外從現場生產實際可知，工作面采用單輪間隔放煤方式時能夠大幅提高工作面的開采效率，工作面現有使用的SGZ-800/2×525型運輸機滿足兩個放煤口同時放煤的工作要求。綜合上述分析可知，工作面合理的放煤方式為兩個放煤口單輪間隔放煤。

2) 放煤步距：根據工作面的具體特征，現分別模擬分析一刀一放、兩刀一放和三刀一放三種放煤步距下頂煤垮落、放出及煤損特征，根據數值模擬結果得出不同放煤步距下的頂煤放出特征如圖4所示。

圖4 不同放煤步距下頂煤垮落、放出及煤損特征圖

通過分析數值模擬結果和圖2可知，工作面在采用一刀一放、兩刀一放和三刀一放時，頂煤的放出率分別為85.22%、81.31%和74.47%，據此可知，工作面頂煤的放出率隨著放煤步距的增大而逐漸減小。故而頂煤的合理放煤步距為一刀一放，即放煤步距為0.8 m。

綜合上述分析，確定3308綜放工作面采用一刀一放的放煤方式，確定放煤步距為0.8 m。

3.2 放煤工業性實踐

3308綜放工作面在開采過程中，在頂煤中每間隔0.6 m設置一個位移監測點，共計在頂煤中設置5個位移觀測點，根據工作面回采過程中，能夠監測得出工作面頂煤運移規律與距煤壁距離的關系曲線圖如圖5所示。

圖5 頂煤不同深度處縱向位移曲線圖

分析圖5可知，頂煤的有效超前影響距離為7～10 m，在該區域內煤壁處的下沉量小于200 mm，該區域煤壁處的下沉距離約為200 mm，區域內無片幫現象出現。且隨著工作面回采作業的進行，煤壁處頂煤的下沉存在著一定的滯后現象，且工作面煤壁處和煤壁后方2 m范圍內的頂煤的下沉量基本相同；工作面煤壁后方4 m后，頂煤的下沉量開始逐漸增大，從圖中能夠看出，此時頂煤的運移量由300 mm增大為1 000 mm，在工作面回采作業時，表現為頂煤放煤破碎效果好，且未出現任何的卡堵現象。

根據3308工作面回采期間的現場觀測情況可知，煤壁完整、破損及頂煤的整體垮落情況如圖6所示。

圖6 頂煤垮落與煤壁情況圖

根據工作面回采期間的現場觀測可知，工作面內采用的ZF7000-20/36 型液壓支架有效支撐頂煤，確保了工作面煤壁的完整性，有效避免了回采過程中煤壁片幫現象的出現，工作面在采用兩口單輪放煤、一采一放的放煤工藝后，破拱后頂煤的垮落效果較好，頂煤能夠及時的垮落，基本無大塊煤卡堵的現象出現，不僅提高了頂煤回采率，同時在極大程度上提升了工作面的放煤效率。

4 結 語

根據3308綜放工作面的地質條件，通過分析頂煤破碎機理及運移規律，結合工作面特征進行放煤工藝參數的設計分析，確定頂煤采用兩口單輪放煤、一刀一放的放煤工藝，放煤步距為0.8 m，根據工作面回采期間的現場觀測可知，放煤工藝應用效果較好。