厚煤層放頂煤開采中放煤方式的選取模擬分析

王 良

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046100）

我國厚煤層的儲(chǔ)量豐富，且厚煤層的產(chǎn)煤量大，占據(jù)我國總產(chǎn)煤量的40%以上。隨著綜采放頂煤技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，厚煤層的開采效率不斷提升，但對(duì)頂煤的采出率較低，成為限制放頂煤開采產(chǎn)量的障礙，并且造成了煤炭資源的浪費(fèi)，降低了煤礦的經(jīng)濟(jì)效益[1]。進(jìn)行放頂煤開采的過程中，綜放開采煤量的損失占總損失煤量的65%以上，成為降低采出率的主要因素。針對(duì)某厚煤層綜放開采過程中放煤方式的不同，采用仿真分析的方式對(duì)不同放煤方式的采出率進(jìn)行模擬分析[2]，從而選取適合的放煤方式，改善放煤工藝，提高頂煤的采出率，同時(shí)提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。

1 厚煤層放頂煤開采仿真模型的建立

進(jìn)行厚煤層的放頂煤開采時(shí)，頂煤的冒放性是進(jìn)行綜放開采的前提，工作面頂煤采用爆破的形式進(jìn)行弱化，可提高頂煤的冒放性，從而有助于頂煤的綜采。進(jìn)行頂煤放煤過程中，破碎的煤巖顆粒會(huì)沿阻力最小的路徑流動(dòng)[3]，形成煤巖介質(zhì)的流動(dòng)場(chǎng)。常用的頂煤放煤方式包括分段間隔放煤、分段多輪間隔放煤及分段順序放煤三種形式[4]。采用離散元模擬的形式對(duì)三種不同的放煤方式進(jìn)行分析，建立離散元放煤仿真模型。

PFC 軟件是進(jìn)行煤巖顆粒幾何體研究分析的有效工具，可直接模擬顆粒間的運(yùn)動(dòng)及相互作用，從而對(duì)頂煤的采出率進(jìn)行分析。采用PFC 二維顆粒流動(dòng)的程序，構(gòu)建頂煤的數(shù)值分析模型，煤層的平均厚度為13 m，煤層傾角為1°～3°，煤層傾角對(duì)頂煤的冒放性影響不大，在分析中巖層設(shè)定為水平狀態(tài)[5]。放頂煤開采對(duì)周邊的圍巖應(yīng)力具有一定的影響，考慮到邊界效應(yīng)的影響，為消除邊界效應(yīng)，在模型的兩端保留30 m 的頂煤，不進(jìn)行放煤，設(shè)置100 m 的煤層模型進(jìn)行放煤作業(yè)[6]，模型如圖1 所示，總長為160 m，模型的組成主要包括煤層、夾矸層、泥巖層、砂巖層等，總高度為30 m，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤層的地質(zhì)條件進(jìn)行分布，設(shè)定各煤層的物理性質(zhì)。

圖1 放頂煤開采仿真模型

對(duì)放頂煤開采的放煤方式進(jìn)行模擬分析，在建模過程中不考慮采煤的過程影響，從頂煤開始建模，模型的底部及兩側(cè)為墻體，對(duì)煤層顆粒進(jìn)行固定及支撐，模型的頂部施加2 MPa 的載荷，以模擬來自上覆巖層的壓力[7]。在模型開始放煤時(shí)，對(duì)底部與放煤步距相同的墻體進(jìn)行刪除設(shè)定，從而形成放煤口放煤，同時(shí)加載支架尾梁墻體，放煤口見矸后自動(dòng)前移一個(gè)放煤步距，完成一次放煤過程，并進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，進(jìn)行下一次放煤。隨著放煤口的前移，設(shè)定程序自動(dòng)加載煤層的底板，煤層底板墻體與頂煤的距離為放頂煤的采高[8]，從而保證放煤空間與實(shí)際一致。依據(jù)煤層的開采條件，設(shè)定采高為4 m，采用一采一放的放煤步距為0.6 m，在工作面15 m 的長度上對(duì)三種放煤方式進(jìn)行模擬分析[9]，統(tǒng)計(jì)頂煤的放出率。

2 厚煤層放頂煤開采采出率的仿真分析

2.1 分段間隔放煤仿真分析

厚煤層放頂煤開采中分段間隔放煤：首先對(duì)4 個(gè)奇數(shù)支架進(jìn)行放煤作業(yè)，放煤完成后，打開4 個(gè)偶數(shù)號(hào)支架進(jìn)行放煤見矸，這種放煤方式的操作簡單，放煤過程中煤矸界面受到的擾動(dòng)作用小，形成的混矸少，支架上方的頂煤不易積壓。奇數(shù)號(hào)支架的頂煤先放出，形成放煤漏斗，然后進(jìn)行偶數(shù)號(hào)支架的頂煤放出[10]，放煤完成后的頂煤如下頁圖2 所示。采用分段間隔放煤形式進(jìn)行放煤作業(yè)時(shí)，相鄰的奇數(shù)支架在放煤口上方形成的橢球體的短軸距離會(huì)小于放煤口的間距，從而形成一定量的脊背煤，當(dāng)進(jìn)行偶數(shù)支架的放煤作業(yè)時(shí)，部分脊背煤會(huì)流到奇數(shù)支架上方而無法進(jìn)行放出。對(duì)分段間隔放煤形式頂煤放出量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，此時(shí)的頂煤采出率為90.1%。

圖2 分段間隔放煤完成模型

2.2 分段多輪間隔放煤仿真分析

厚煤層放頂煤開采分段多輪間隔放煤：首先對(duì)4個(gè)奇數(shù)支架進(jìn)行放煤作業(yè)，放煤量為全部頂煤的1/2，然后再打開偶數(shù)編號(hào)的4 個(gè)支架進(jìn)行1/2 放煤作業(yè)，完成第一輪的放煤作業(yè)，然后進(jìn)行重復(fù)兩輪放煤，第二輪放煤見矸，完成放煤作業(yè)[11]，放煤完成后頂煤如圖3 所示。采用分段多輪間隔放煤作業(yè)，煤矸界面的下降過程平穩(wěn)，不會(huì)形成煤拱現(xiàn)象，首輪放煤作業(yè)中沒有頂板的矸石落入放煤口中，第二輪放煤作業(yè)時(shí)，頂煤的放出率較高，但同時(shí)由于煤量的降低，混矸量有一定的增加。對(duì)分段多輪間隔放煤形式的頂煤放出量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，此時(shí)的頂煤采出率為95.1%，進(jìn)行放煤作業(yè)所需的時(shí)間是分段間隔放煤的1.5 倍。

圖3 分段多輪間隔放煤完成模型

2.3 分段順序放煤仿真分析

厚煤層放頂煤開采中分段順序放煤：按照支架的順序以4 個(gè)支架為一組進(jìn)行依次放煤作業(yè)，每組支架同時(shí)進(jìn)行放煤，一次性放煤見矸。以這種方式進(jìn)行放煤作業(yè)的操作簡單，放煤所需的時(shí)間較少，放煤過程中放煤口周邊的煤巖顆粒受成拱影響不大，能夠迅速放出[12]，放煤完成后頂煤如圖4 所示。在放煤口邊界上的煤巖形成的拱形不會(huì)受到破壞，煤巖顆粒的流動(dòng)不足，由于頂板矸石隨著頂煤迅速落入放煤口中，造成相鄰支架處的脊背煤無法有效放出，頂煤的放出率較低。對(duì)分段順序放煤形式的頂煤放出量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，此時(shí)的頂煤采出率為76.9%。

圖4 分段順序放煤完成模型

2.4 仿真結(jié)果分析

對(duì)三種不同放煤形式的頂煤采出率進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，如圖5 所示，厚煤層采高為4 m，采用一采一放的放煤步距為0.6 m 開采的工況下，分段多輪間隔放煤形式頂煤的采出率最高為95.1%，是最優(yōu)的放煤方式。

圖5 三種不同放煤形式的頂煤采出率

3 結(jié)論

厚煤層采用放頂煤綜采的形式進(jìn)行開采，由于綜采工藝煤量損失的存在，造成頂煤的采出率較低，降低了煤炭的開采量，不利于煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。放頂煤開采中不同的放煤方式對(duì)頂煤的采出率具有重要的影響。通過采用離散元仿真分析的形式，對(duì)三種放煤方式進(jìn)行分析，對(duì)其頂煤采出率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明：

1）以分段多輪間隔放煤時(shí)頂煤的采出率最高，為95.1%，是最優(yōu)的放煤方式，這是由于進(jìn)行多輪次的放煤作業(yè)，頂煤在放煤口之間無法形成煤拱，煤矸界面的下降較為穩(wěn)定，頂煤的采出率較高，但含有一定的夾矸；

2）其次為分段間隔放煤，此時(shí)頂煤的采出率為90.1%；

3）最差的為分段順序放煤形式，頂煤的采出率為76.9%。

因此，在進(jìn)行厚煤層的放頂煤開采時(shí)，可針對(duì)放煤方式進(jìn)行合理的分析選擇，從而提高頂煤的采出率，提高煤礦的經(jīng)濟(jì)收益。