顏愛華

(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局研究中心，北京 100713)

大采高綜放開采是隨著我國綜放開采技術(shù)的深入發(fā)展與大功率、大采高、高可靠性重型綜采設(shè)備發(fā)展而發(fā)展起來的，結(jié)合了綜放開采和大采高綜采的優(yōu)勢，是一種針對特厚煤層新型的高產(chǎn)高效的采煤方法[1-5]。在綜放開采中，由于頂煤的放出規(guī)律直接影響煤炭的采出率、工作面的頂板管理、煤壁控制等，因此一直是研究的重點(diǎn)，而目前大采高綜放開采頂煤采出率的研究較少[6-9]。本文依據(jù)某煤礦8206工作面開采技術(shù)條件，運(yùn)用PFC2D數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測方法對大采高綜放開采頂煤的受力特點(diǎn)、運(yùn)移規(guī)律、放出順序及放出率等進(jìn)行研究，并提出了提高采出率的措施。

1 工程概況

8206工作面走向長度2722m，傾斜長度207m，工作面沿煤層傾向上山回采，煤層賦存穩(wěn)定，厚度為9.42～19.44m，平均14.50m，煤層傾角在3～5°，平均4°，普氏系數(shù)在2.7～3.7之間。直接頂平均8.79m，主要由灰黑色炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖、巖漿巖組組成。老頂成分以石英長石為主，厚度11.8～39.55m。直接底平均4.87m，灰褐色、淺灰色高嶺質(zhì)泥巖。割煤高度4.2m，采用一刀一放，即放煤步距0.8m，雙輪順序放煤。

2 數(shù)值分析

2.1 模型建立

采用PFC2D離散元軟件對頂煤放出規(guī)律進(jìn)行研究。根據(jù)8206工作面現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件，設(shè)定煤的法向剛度和切向剛度為2.0×108N·m-1，容重為1.5 kN·m-3，巖石的法向剛度和切向剛度為4.0×108N·m-1，容重為2.5 kN·m-3，同時二者摩擦因素均為0.4，不考慮粘結(jié)力。在模擬中，為減少機(jī)時、加快計算收斂速度，舍掉少量的過大或過小的塊體，按高斯隨機(jī)分布規(guī)律，將頂煤塊度半徑設(shè)定為0.125～0.15m。

圖1所示為大采高綜放開采模型，顆粒簇模擬工作面上覆頂板最初受力狀態(tài)，其中上部分代表煤層頂板，下部分代表支架上覆頂煤。在未采動情況下，煤體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，并未形成明顯的散體流動介質(zhì)。

圖1 大采高綜放PFC計算模型

2.2 計算結(jié)果及分析

頂煤放出過程中，在礦山壓力和放煤影響的作用下，采場上覆煤、巖發(fā)生不同程度的損傷破壞。支架上方附近的煤巖體完全破碎，在重力作用下自由散落放出，形成散體冒落區(qū)，散體冒落區(qū)中，存在上覆巖石先于頂煤放出的現(xiàn)象，即混矸現(xiàn)象。

當(dāng)介質(zhì)顆粒單元間的剪切應(yīng)力大于準(zhǔn)則設(shè)定的最大值時，顆粒介質(zhì)產(chǎn)生拉剪塑性破壞，形成拉剪破壞區(qū)。該區(qū)煤體間存在殘余拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，沒有完全破碎。頂煤基本未產(chǎn)生影響的區(qū)域成為原始應(yīng)力區(qū)。在原始應(yīng)力區(qū)和拉剪破壞區(qū)之間，煤體處于彈性變形階段，尚未出現(xiàn)塑性破壞，稱為壓縮變形區(qū)。因此，根據(jù)采場上方煤體顆粒流介質(zhì)間的受力區(qū)域依次為散體冒落區(qū)、拉剪破壞區(qū)、壓縮變形區(qū)、原始應(yīng)力區(qū)，如圖2所示。

圖2 頂煤不同區(qū)域受力分布

通過監(jiān)測放煤過程可知，不同受力區(qū)域中，頂煤在散體介質(zhì)區(qū)波動劇烈程度強(qiáng)于拉剪應(yīng)力區(qū)，強(qiáng)于壓縮變形區(qū)。說明支架放煤口附近頂煤破壞最嚴(yán)重，沿工作面推進(jìn)方向依次減弱。同一受力區(qū)域，上部介質(zhì)波動明顯強(qiáng)于中部，中部強(qiáng)于下部，說明上部的煤體破碎較中、下部更加充分。

3 頂煤放出規(guī)律現(xiàn)場實(shí)測

3.1 測站的布設(shè)

采用頂煤運(yùn)移跟蹤儀對頂煤不同位置放出情況進(jìn)行監(jiān)測，頂煤運(yùn)移跟蹤儀主要由信號接收儀(機(jī)站)、RF射頻標(biāo)簽(探頭)和射頻標(biāo)簽編碼器組成。在8206工作面機(jī)道頂煤上方施工4個鉆孔(鉆孔均垂直于頂煤，且所在平面和煤壁平行)，分別位于60#～61#(1#孔)、65#～66#(2#孔)、90#～91#(3#孔)、109#～110#(4#孔)架前探梁之間，鉆孔頂煤厚度分別為9.5m、9.7m、7.8m和12.5 m。在鉆孔中，以0.8m間距安裝頂煤跟蹤儀探頭63個，其中煤層中安裝43個探頭，煤層頂板巖層中安裝20個探頭。頂煤跟蹤儀整體布置平面圖如圖3所示。

圖3 頂煤跟蹤儀整體布置平面圖

3.2 測試結(jié)果與分析

當(dāng)工作面推進(jìn)9.5m時、14m時，進(jìn)行了兩次數(shù)據(jù)采集，第一次收集到24個探頭，第二次收集到5個探頭。1#～4#鉆孔分別收集到8個、8個、9個和4個，29個探頭中僅有3#鉆孔收集到1個煤層頂板巖層中的探頭標(biāo)志，其余28個探頭標(biāo)志均來自煤層中。

從統(tǒng)計表2和接收到探頭的順序可知，煤層上部頂板巖層中共安裝20個探頭，僅回收到1個，說明工作面控矸較有效，但仍存在少量竄矸現(xiàn)象。1#、3#孔的探頭回收率較高，分別達(dá)到72.7%、88.9%，但2#、4#孔的探頭回收率較低，僅達(dá)到66.7%、36.4%，說明工作面不同位置處頂煤回收率相差較大，尤其工作面靠近兩端處回收率較低。探頭被接受到的先后順序表明，頂煤冒落順序與支架放煤順序基本一致，放出順序一般為頂煤的下、中、上部，但3.2～4m的中部煤層存在反轉(zhuǎn)進(jìn)入煤流系統(tǒng)的現(xiàn)象。下部5m的頂煤基本可放出(除靠近兩端)，下部7m的頂煤大部分可放出(除靠近兩端)。

表2 不同層位探頭放出情況統(tǒng)計

4 提高8206工作面采出率的措施

4.1 加強(qiáng)初末采及端頭頂煤回收

通過切頂巷技術(shù)或深孔爆破技術(shù)減小來壓步距，加強(qiáng)頂煤冒放性，提高初采采出率。選擇8206工作面安全有效的停采方式，盡量縮短末采階段不放煤寬度，或布置斜停采線，最大限度的實(shí)現(xiàn)停采線平行設(shè)計，提高采出率。

減少端頭頂煤損失率要保證兩端頭的有效支護(hù)，采面支架應(yīng)盡量靠近上下順槽煤柱，擴(kuò)大工作面放煤寬度；選用合理的端頭支架，實(shí)現(xiàn)端頭放煤；工作面上下兩巷掘進(jìn)時，應(yīng)嚴(yán)格按照要求掘進(jìn)，不得丟煤，浮煤要及時清理。

4.2 改善頂煤冒放性

頂煤冒放性好壞，直接關(guān)系到采出率的高低。根據(jù)賈光勝教授對頂煤冒放性的分類，將8206工作面頂煤冒放性劃為“冒放性一般(Ⅲ類)”[14]。8206工作面頂煤若想順利放出，必須有合適的塊度，加大頂煤破碎常用的方法為放振動炮、超前爆破和高壓注水軟化。

4.3 選擇合理的放煤步距

放煤步距受頂煤破斷角的影響，步距大小約為放出橢球體的短軸長度。8206大采高綜放工作面的頂煤破斷角α為75°～85°，放煤高度8.5m，根據(jù)以下經(jīng)驗公式可計算放煤步距。

式中：h為放出體高度；β為放煤破斷角；ε為放出橢球體偏心率這。建議放煤步距為兩刀一放即放煤步距為1.6m更合理，采出率更高。

4.4 選擇合理放煤方式

8206工作面頂煤厚度為8.5m，經(jīng)現(xiàn)場的反復(fù)比較實(shí)踐，采用雙輪順序放煤，放煤工兩人，一人在工作面前半部放煤，一人在工作面后半部放煤，兩組放煤工分別從頭、尾開始向工作面中部放煤，然后再從工作面中部向工作面頭、尾放煤，放煤工根據(jù)后刮板運(yùn)輸機(jī)煤量多少，控制好放煤量。放煤工嚴(yán)格執(zhí)行“見矸關(guān)窗”的原則。

4.5 強(qiáng)化生產(chǎn)管理

成立以礦長為組長的礦產(chǎn)資源領(lǐng)導(dǎo)小組，保證每班都有礦級領(lǐng)導(dǎo)在現(xiàn)場跟班，同時成立礦產(chǎn)資源管理辦公室，確保煤炭采出率在國家規(guī)定的指標(biāo)以上；加強(qiáng)工人業(yè)務(wù)素質(zhì)培訓(xùn)，提升工人的責(zé)任感和技術(shù)水平，從人員上保證采出率；跟班人員抓安全、質(zhì)量和生產(chǎn)的同時，要督工作面放煤相關(guān)工序放煤后需經(jīng)逐架驗收，方可拉移后溜；制定嚴(yán)格的管理制度，通過經(jīng)濟(jì)杠桿的方式實(shí)現(xiàn)落實(shí)，建立科學(xué)合理的獎懲制度。

5 結(jié)論

1)采場上方煤體受力區(qū)域可劃分為散體冒落區(qū)、拉剪破壞區(qū)、壓縮變形區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，其中散體冒落區(qū)和拉剪破壞區(qū)煤體不同程度的破壞，呈現(xiàn)出上部強(qiáng)于中部，強(qiáng)于下部的特征。

2)工作面不同位置頂煤放出率相差較大，表現(xiàn)為下分層頂煤的放出率較高，上分層放出率較低，工作面兩端頂煤回收率較低。

3)頂煤冒落順序表現(xiàn)為下部先于上部，但中部煤層存在先于上部煤層放出現(xiàn)象。

4)通過加強(qiáng)初末采及端頭頂煤回收、改善頂煤冒放性、選擇合理放煤步距和放煤方式、加強(qiáng)生產(chǎn)管理等措施，提高8206工作面采出率。

[1] 毛德兵, 康立軍. 大采高綜放開采及其應(yīng)用可行性分析[J]. 煤礦開采, 2003, 8 (3) : 11-14.

[2] 閆少宏, 尹希文. 大采高綜放開采幾個理論問題的研究[J] . 煤炭學(xué)報, 2008, 33(5): 481-484.

[3] 陳忠輝, 謝和平, 王家臣. 綜放開采頂煤三維變形破壞的數(shù)值分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2002, 21 (3) : 309-313.

[4] 祝凌甫, 閆少宏. 大采高綜放開采頂煤運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J]. 煤礦開采, 2011, 16(1) : 11-13.

[5] 陸明心, 吳健, 郝海金. 綜放開采頂煤的三個特征變形參數(shù)及多次損傷分析[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2002, 30 (11) : 48-51.

[6] 楊科, 謝廣祥. 綜放開采煤層應(yīng)力分布規(guī)律的相似模擬研究[J]. 礦山壓力與頂板管理, 2004, 21 (2) : 26-28.

[7] 黃炳香, 劉長友, 等. 大采高綜放開采頂煤放出的煤矸流場特征研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報, 2008, 25 (4) : 415-419.

[8] 吳健, 陸明心, 張勇, 等. 綜放工作面圍巖應(yīng)力分布的實(shí)驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2002, 21 (S2) : 2356-2359.

[9] 石平五, 張幼振, 張嘉凡. 急斜水平分段放頂煤放煤實(shí)驗研究[J]. 礦山壓力與頂板管理，2005(1) :4-6.

[10] 黃炳香, 劉長友, 程慶迎. 低位綜放開采頂煤放出率與含矸率的關(guān)系[J]．煤炭學(xué)報，2007, 32(8): 789-793．

[11] 李艷. 大采高綜放與普通綜放采出率統(tǒng)計分析[J]. 煤, 2011,19(8) : 80-81.

[12] 李化敏, 周英, 翟新獻(xiàn). 放頂煤開采頂煤變形與破碎特征[J]. 煤炭學(xué)報, 2000,25(4): 352-355.

[13] 毛德兵. 大采高綜放開采頂煤冒放性及煤壁穩(wěn)定性研究[D]. 北京：煤炭科學(xué)研究總院, 2010.

[14] 賈光勝. 綜放開采頂煤冒放性確定[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2001, 29 (7) : 42-44.