仰斜綜放開采頂煤運移規(guī)律及合理放煤參數(shù)研究

王圣志，袁 永，朱 成，袁超峰，鐘慧偉

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

從1982年綜采放頂煤技術(shù)引入我國，至今已有40年的歷史。在這段時間內(nèi)，我國多個礦區(qū)針對各種地質(zhì)條件進(jìn)行了大量放頂煤的現(xiàn)場實踐，取得了豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗，放頂煤開采成為我國6～12 m厚煤層的主流開采技術(shù)[1]。研究放頂煤首先要確定該煤層是否能夠采用放頂煤工藝。徐旖旎等[2]通過建立貝葉斯分類器模型,預(yù)測7個煤礦的放頂煤可行性，準(zhǔn)確率達(dá)85.71%。放頂煤中頂煤放出率是評價放頂煤技術(shù)的最重要指標(biāo)之一，也是放頂煤研究的重點之一。許力鋒等[3]系統(tǒng)分析了影響頂煤放出率的因素。袁永等[4]則細(xì)化在分析放頂煤煤損組成基礎(chǔ)上，通過分析優(yōu)化采煤工藝和巷道布置，提升了淺埋硬厚頂煤的放出率。張勇等[5]研究頂煤塊度對放出率的影響，研究得出一個臨界塊度，當(dāng)塊度小于臨界值時，頂煤放出率普遍較高，而當(dāng)塊度大于臨界值時，頂煤放出率會顯著降低。頂煤的運移規(guī)律近年來同樣成為專家學(xué)者研究放頂煤的重要課題。劉松孟等[6]通過實測趙莊二號井西盤區(qū)首采面放頂煤時頂煤及上覆巖層的運移，并通過實驗與數(shù)值模擬的方法對頂煤和巖層運移與礦壓顯現(xiàn)之間的關(guān)系進(jìn)行分析。夏洪春等[7]通過PFC3D模擬大同塔山厚煤層，分析不同放煤情況下的頂煤運移規(guī)律，為現(xiàn)場開采提供指導(dǎo)。朱帝杰等[8-9]運用現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬的方法，同樣分析了厚煤層頂煤的運移規(guī)律。王家臣等[10-12]通過對綜采放頂煤的理論分析與數(shù)值模擬，建立了頂煤運移規(guī)律的理論模型。以上專家學(xué)者都是以水平條件下的厚煤層為基礎(chǔ)進(jìn)行研究分析，缺少對傾斜厚煤層放頂煤的研究。張錦旺等[13-14]基于BBR研究體系，對不同工作面傾角進(jìn)行了離散元模擬破碎機理分析，建立了傾角與放出體，傾角與頂煤放出率的關(guān)系，但缺少不同傾角頂煤位移與運移規(guī)律的對比。王紅偉等[15]分析了急傾斜厚煤層短壁綜放采場承載結(jié)構(gòu)泛化特征，闡述了煤層傾角條件影響頂煤運移規(guī)律的內(nèi)因。白慶升等[16]通過分析放頂煤過程中頂煤成拱機理，提出多種破壞成拱的方法，以提高放煤效率。在放頂煤煤矸區(qū)分方面，王保平[17]通過分析頂煤與矸石對支架尾梁作用力不同而區(qū)分煤矸，為放頂煤見矸停止放煤提供一種新的方法。其他專家學(xué)者，如王伸等[18]通過調(diào)整放煤支架分組，得到了特厚煤層分組間隔放煤頂煤運移規(guī)律；郭文兵等[19]分析了放頂煤導(dǎo)水裂隙帶的高度，確定在水庫下進(jìn)行放頂煤開采的可行性；康鑫等[20]基于趙固二礦11111工作面的實測分析與實驗?zāi)M，確定頂煤的破壞過程實際上是裂隙發(fā)育的過程，為頂煤破碎機理提供有力的理論支撐；韓現(xiàn)剛[21]分析了頂煤破碎過程，提出了破裂統(tǒng)一的本構(gòu)關(guān)系。

綜上所述，各專家學(xué)者對放頂煤開采技術(shù)研究已經(jīng)日趨成熟，特別是對水平與緩斜條件下頂煤放出率與見矸停止放煤的研究。但缺少對于仰采放頂煤，以及頂煤含矸量與頂煤放出率關(guān)系的研究。涉及傾角對頂煤冒放性的影響現(xiàn)階段也有大量研究成果，但其主要研究傾角對頂煤放出量的影響，缺少對不同傾角情況下頂煤位移與運移規(guī)律的研究，同時缺少對仰采情況下對頂煤成拱后破壞拱形的研究。而在實際情況下，工作面煤層傾角并不是固定的。主要針對濟(jì)寧二號礦10301工作面的實際地質(zhì)條件，運用PDC2D數(shù)值模擬仰采綜放采煤工藝，對傾角對頂煤運移規(guī)律及放出率的影響進(jìn)行了研究，為實際生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

10301首采工作面為濟(jì)寧二號礦十采區(qū)首采工作面。工作面長230 m，推進(jìn)長度1 100.3～1 167.7 m，煤層傾角3°～17°，平均傾角為10°，平均煤厚為8.67 m，平均埋深750 m。最大高差1 36.1 m。工作面基本頂為厚度20.43～22.36 m、平均厚度22.15 m的中砂巖，普氏系數(shù)為6～13。直接頂為厚度1.75～8.10 m、平均厚度3.7 m的粉細(xì)砂巖互層，普氏系數(shù)為5～8。偽頂為厚度0～3.53 m、平均厚度1.72 m的泥巖粉砂巖互層，普氏系數(shù)1.5～3.0。直接底為厚度0～1.5 m、平均厚度0.85 m的泥巖，普氏系數(shù)為2～5；基本底為厚度10.45～12.83 m、平均厚度11.97 m 的中細(xì)砂巖互層，普氏系數(shù)為3～7。

2 仰采放頂煤頂煤運移規(guī)律

頂煤的放出過程，實際上是松散塊體的流動過程。生產(chǎn)實踐證明，采空區(qū)側(cè)上方或后方的頂煤和部分破碎直接頂已表現(xiàn)出松散介質(zhì)特性，不能有效傳遞來自上方覆巖或前方的礦山壓力，僅以自重形式作用到頂梁上。因此，用PFC2D顆粒流程序研究散體頂煤和破碎直接頂?shù)拿奥湟?guī)律是合理的。

根據(jù)10301工作面的實際地質(zhì)條件建立了如圖1所示的PFC2D放煤模型，設(shè)計模型長×寬為50.0 m×25.9 m，初始傾角設(shè)置為10°，開采高度3.5 m，放煤高度5.2 m。PFC中不能直接設(shè)置邊界條件，可在模型基本頂上方添加一高密度應(yīng)力施加層，代替上方巖層的垂直地應(yīng)力?；卷斏戏骄嚯x地面720 m，取上方巖層的平均密度為2 500 kg/m3，則換算到施加層的密度1.8×107kg/m3。頂煤因未受滾筒截割影響，放出煤體以塊煤為主，某些礦井為提高頂煤放出率，則會適當(dāng)放出一些偽頂、直接頂?shù)膸r體。為保證運算速度與放頂煤模型模擬效果，取煤層顆粒半徑為0.22～0.29 m，偽頂與直接頂顆粒半徑為0.29～0.38 m。各煤巖層的模擬物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table1 Coal rock physical and mechanical parameters

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model diagram

建立模型以后，對比不同仰采傾角頂煤的運移規(guī)律(圖2)。由圖2可以看出，隨著仰采傾角的增加，頂煤到放煤口的位移越大，這會造成頂煤放出時間增加，效率降低。

圖2 不同傾角頂煤位移對比Fig.2 Comparison of displacement of top-coal with different dip angles

以支架與放煤口的連接處為原點建立坐標(biāo)系，監(jiān)測不同傾角下，頂煤的運移情況，如圖3所示。由圖3可以看出隨著傾斜角度的增加頂煤運移軌跡形成倒勺子形狀越容易，這就意味著頂煤流向采空區(qū)越容易，放出也就越困難，在見矸停止放煤的條件下，隨著傾角的增大破碎頂煤的放出率越小還會形成“倒勺子”形堆積在支架后方，具體如圖4所示，很難繼續(xù)放出。

圖3 頂煤運移軌跡Fig.3 Top-coal migration trajectory

圖4 頂煤“倒勺子”形分布Fig.4 Top-coal “inverted spoon” shape distribution

不同傾角頂煤力鏈如圖5所示。由圖5頂煤力鏈可以看出，支架的傾角越大，頂煤與支架后方、頂部相互作用形成的力鏈越粗，說明力鏈拱效應(yīng)會隨著仰采傾角的增加變得越明顯。力鏈成拱是頂煤成拱的一種表現(xiàn)形式，頂煤在放煤口附近與支架后方尾梁相互作用成拱，會阻止后續(xù)頂煤繼續(xù)放出，影響放煤效率(圖6)。

圖5 不同傾角頂煤力鏈Fig.5 Different inclination angle top-coal force chain

圖6 頂煤成拱形態(tài)Fig.6 Top-coal arching

3 仰采放頂煤工藝參數(shù)確定

3.1 采放比

對于長壁綜放工藝來說，采放比是底分層長壁綜采采煤機割煤的高度(即底分層采高)與頂煤放出高度之比。確定3號煤層特定條件下合理采放比，要保證頂煤能夠充分破碎冒放及順利放出。煤層總厚度一定時，采放比直接決定了上層頂煤的活動空間，頂煤只有在合適的垮落空間內(nèi)才能完全破碎，才能順利放出?？紤]到所選設(shè)備的采高范圍為2.5～4.0 m，模擬采高分別2.50、2.75、3.00、3.25、3.50、3.75以及4.00 m，見矸停止放煤。模擬結(jié)果如圖7所示。

由圖7不同采高煤層采出率(默認(rèn)底層煤采出率為100%)可以看出：在采高3.5 m時采出率最高，3.5 m之前煤層采出率隨著采高的增大逐漸增大，在3.5 m之后煤層采出率隨著采高的增大逐漸減小，當(dāng)采高為4 m時，采出率則出現(xiàn)明顯的下降。因此，煤層采高應(yīng)確定在3.25～3.75 m，由此可知最佳采放比為1∶3。

圖7 不同采高頂煤放出率Fig.7 Recovery ratio of top-coal with different mining heights

3.2 放煤步距

確定合理的放煤步距是進(jìn)行綜放工藝參數(shù)優(yōu)化、實現(xiàn)高產(chǎn)高效放煤的前提，針對10301工作面放頂煤開采特點，按照見矸關(guān)門的原則分別模擬了采高3.5 m放煤步距為0.8、1.6及2.4 m三種放煤方案。模擬結(jié)果如圖8及表2所示。

圖8 不同放煤步距頂煤放出情況Fig.8 Release of top coal with different caving steps

表2 不同放煤步距放煤參數(shù)Table 2 Top-coal caving parameters with different coal caving step

由模擬結(jié)果分析可知：隨著放煤步距的增大，頂煤放出率降低，放煤步距為0.8 m時的頂煤放出率比1.6 m和2.4 m時分別提高了5.91%和13.04%；放煤步距1.6 m的頂煤放出時間為放煤步距0.8 m的1.86倍，由此可知，2種方案的放煤時間基本相同；2.4 m放煤步距頂煤放出率低，不予采用。因此，濟(jì)寧二號礦首采綜放工作面條件下，最佳的放煤步距為0.8 m，即采用一刀一放的放煤方式。采用見矸關(guān)門的方法頂煤的放出率較低，在實際生產(chǎn)情況下大多會放出一部分矸石來提高頂煤的放出率。

3.3 含矸率對放出率的影響

針對前面研究結(jié)果顯示，實際生產(chǎn)過程中，如果采用見矸關(guān)門的放煤策略，則會造成頂煤放出率低，大量頂煤處在采空區(qū)內(nèi)不能放出，造成大量資源的浪費，因此在實際生產(chǎn)過程中都會放出一部分矸石來提高頂煤的放出率。為了研究不同含矸率對放出率的影響，結(jié)合濟(jì)寧二號礦實際地質(zhì)條件運用PFC數(shù)值模擬對放出頂煤含矸率從1%到10%，工作面傾角為10°情況進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果如圖9所示。

圖9 含矸率對放出率的影響Fig.9 Influence of enthalpy ratio on recovery rate

從圖9可以看出，含矸率從0到7%，頂煤的放出率是隨著含矸率的增加而增大的，但是在含矸率為7%之后，隨著含矸率的增加，頂煤的放出率增長幅度變緩，而增加含矸率就意味著放煤時間增加，所以過分強調(diào)頂煤放出率不僅不會大幅提高工作面的產(chǎn)量而且還會降低工作面的生產(chǎn)效率，進(jìn)而影響礦井的產(chǎn)量。從圖9可以看出選擇7%的含矸率是最合適的，此時的頂煤放出率為82.7%。

但在實際生產(chǎn)過程中并不好確定含矸率為7%的時機，只有通過肉眼觀測放煤口的瞬時含矸率來推算出總放煤含矸率。在PFC2D模擬中，含矸率為7%的單輪放煤的平均模擬步數(shù)為43 245.5步。根據(jù)這個結(jié)果統(tǒng)計了單輪放煤在42 000～43 500步的含矸率，結(jié)果平均為75.4%。由此可推測出，在現(xiàn)場中，瞬時放出煤矸比約為1∶3的時候關(guān)門最佳。

工作面的采出率與含矸率是檢驗工作面放煤效果與放煤方式的重要指標(biāo)，通過選煤廠統(tǒng)計10301工作面煤矸分選后的矸石與煤炭產(chǎn)量，生成2018年2月、3月、5月這段時期內(nèi)工作面的采出率與含矸率。工作面采出率與含矸率統(tǒng)計見表3。

表3 工作面采出率與含矸率統(tǒng)計(月均值)Table 3 Working face recovery rate and enthalpy rate statistics(average value mothly)

從表3可以看出，整個工作面產(chǎn)生矸石或者說產(chǎn)生的矸石量約占工作面日產(chǎn)量的7%，矸石量不大。工作面采出率在82%左右波動，各個月份工作面采出率均值變化不大。由模擬結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果對比可知，現(xiàn)場采用7%的含矸率為最優(yōu)方案，而現(xiàn)場是在煤矸比為1∶3的時候停止放煤。在此方案內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果相近，由此證明了PFC在模擬放頂煤的可行性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

1)破碎頂煤隨著仰采傾角的增加，放出位移加大，頂煤更容易提前向采空區(qū)滑落，形成“倒勺子”形堆積在支架后方不易放出。

2)仰采傾角的增加，支架后方頂煤成拱效應(yīng)會更加明顯，同時在放煤過程中，易與支架尾梁相互作用成拱，阻止頂煤繼續(xù)放出。

3)首采工作面應(yīng)選用一刀一放且放煤步距為0.8 m時頂煤放出率最高為83.21%，同時確定了采高為3.5 m時采出率最高。

4)模擬與現(xiàn)場實測表明，隨著放出頂煤含矸率的增加，頂煤的放出率隨之增加，但在含矸率超過7%以后增加效果不明顯，所以破碎頂煤的含矸率為7%是最佳方案，瞬時煤矸比為1∶3時停止放煤符合現(xiàn)場實測情況。