煤礦回采工藝數值模擬研究與應用

黃原斌

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 太原 030206）

0 引言

一直以來，煤礦生產效率備受企業的關注，其決定著煤礦的生產能力和利潤增長點。實際上，不同煤礦由于地質、煤層、瓦斯等條件存在明顯的差異，需要根據現場情況對回采工藝進行優選。在綜采工作面對不同回采工藝進行反復試驗得出最佳工藝是不現實的[1]。因此，結合實踐生產并基于FLAC3D 軟件對回采工藝進行優選，并通過實踐應用驗證所優選的回采工藝是否真正適用于實踐生產。

1 工程概況

窯礦煤層具有埋藏深度大、回采率以及維護效率低等特點。為進一步提升原巷充填采煤工藝對應煤層高效、科學的開采，本文以窯礦為例開展了回采工藝的優化設計，并對開采效果進行工業性試驗。窯礦12401 工作面走向長度為1 290 m，其中傾斜工作面長度為203 m；該工作面煤層的厚度范圍為15～55 m之間，煤層平均厚度為35 m；煤層的傾角范圍為55°～60°，平均傾角為57°。12401 工作面的頂底板條件，如表1 所示。

目前，可應用于實際生產的采煤方法包括有水平分層采煤法、水平分段綜采放頂采煤法、水平分段滑移支架放頂采煤法。其中，由于12401 工作面煤層的厚度變化無規律且結構相對復雜，整體上屬于不穩定煤層；同時，分層開采方法對應的巷道布置復雜且后期維護的工程量較大。因此，先排除水平分層采煤法應用的可行性。

此外，水平分段綜采放頂采煤工藝針對12401 工作面的大傾角煤層、短壁工作面與綜放所配套的液壓支架雖然能夠降低作業人員的勞動強度，但是該工作面本身的地質條件較差，導致綜放液壓支架無法充分發揮其功能。因此，最終確定采用水平分段滑移支架放頂采煤工藝。

2 回采工藝的數值模擬研究

對于水平分段滑移支架所對應的放頂采煤工藝而言，其核心工藝參數包括采高、放煤高度以及工作面長度[2]。但是，12401 工作面本身屬于短壁工作面；因此，工作面長度參數的優選空間不大，僅對采高和放煤高度兩項參數進行優選。首先，根據12401 工作面的實際情況并基于FLAC3D 軟件構建三維模型，模型尺寸為300 m×200 m×200 m；其次，根據12401 工作面的巖石力學參數在模型中進行設置；最后，對模型六個面的邊界條件進行設置，其中地面和側面施加法向約束，具體數值為7.2 MPa，將頂板設置為自由邊界。

2.1 采高的確定

根據12401 工作面煤層的厚度以及我國當前采煤機的生產能力，分別對采高分別為1.5、2、2.5、3 m四種情況下工作面煤層的應力、應變以及采出率等參數進行對比。

通過仿真分析可知，隨著采高的增大對應煤層的應力集中區域范圍擴大[3]。定量分析如下：隨著采高從1.5 m 增加至3 m，煤層的應力集中區域從最初距離工作面4～8 m 的區域擴大至距離工作面6～10 m的區域；而且，應力集中區域所承受的最大載荷從10.43 MPa 增大至10.71 MPa。

同時，隨著采高的增加對應工作面煤層的破壞深部不斷增加；具體表現為，當采高為2 m 時對應煤層的破壞深度為4.5 m，根據12401 工作面的煤層條件可以看出此時工作面煤層已經出現了片幫的現象，其穩定性極差。不同采高對應的煤層采出率，如圖1所示。

圖1 采高對工作面煤層采出率的影響

如圖1 所示，從整體上分析，隨著采高的增加對應頂煤的回收率增大；不同的是，在不同采高區間內采高增長幅度不同。其中，在1.5～2.0 m 采高變化范圍內其增幅最大，而且在采高為2.0 m 時對應的頂煤回收率已經高達84%。綜上所述，最終將采煤高度確定為2.0 m。

2.2 放煤高度的確定

首先，根據12401 工作面滑移液壓支架到破斷面的距離、頂煤跨落角80°以及放出煤的最大軸偏角為15°等參數初步估算出適用于該工作面放煤高度區間為2.05～7.85 m 之間。

其次，結合上述理論計算結果對放煤高度為3、4、5、6 m，工作面推進距離為40 m 時，煤層垂直應力分布情況，如表2 所示。

表2 不同放煤高度對應煤層垂直應力分布情況

如表2 所示，隨著放煤高度的增加，對應煤層的最大集中應力系數、應力的影響區域略微增大，從而有利于工作面頂煤的破碎，進行有助于頂煤被放出[4]。不同放煤高度對應煤層采出率，如圖2 所示。

圖2 不同放煤高度對應煤層回收率

如圖2 所示，隨著頂煤放煤高度的增加，對應頂煤的回收率增加；同時，從實際開采層面分析，隨著放煤高度增加可以減少分段開采的層數和搬家的次數，從而有效提升工作面生產效率[5]。因此，最終確定放煤高度為6 m。

3 回采工藝參數的應用

在上述數值模擬分析的基礎上，最終確定在12401 綜采工作面采用水平分段滑移支架放頂采煤工藝，對應的采煤參數如下：采高為2 m，放煤高度為6 m；根據經驗，采用單輪順序放煤方式，一刀一放。將上述采煤工藝參數與原采煤方式進行對比，對比結果如表3 所示。

表3 不同回采工藝參數對應開采效果對比

如表3 所示，12401 綜采工作面采用水平分段開采工藝后，實際生產中的回采率、月進度和月產率等指標得到顯著提升；而且，經對比采用水平分段開采工藝后生產成本明顯降低，直接可節約半的成本，從42.74 元/t 降低為25.73 元/t。

4 結語

煤礦生產能力為企業關注的核心指標。影響煤礦生產能力除了綜采設備性能等基礎指標外，回采工藝是否與工作面地質、煤層等條件匹配是關鍵。本文采用數值模擬分析手段對不同回采工藝參數對煤層應力、應變區域以及回采率等指標進行對比。最終確定，適用于12401 工作面采煤方法為水平分段滑移支架放頂采煤工藝，對應的采煤參數如下：采高為2 m，放煤高度為6 m。通過實踐表明：采率、月進度和月產率等指標得到顯著提升，生產成本從42.74 元/t 降低為25.73 元/t。