董劍峰

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024;2.山西省朔州市平魯區(qū)國強煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036899)

1 國強煤礦放頂煤工藝現(xiàn)狀分析

我國煤炭資源豐富，是世界煤炭產(chǎn)量和消費第一大國，我國工業(yè)對煤炭的依賴程度位居世界第一［1］.隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭的消耗給環(huán)境帶來了許多負(fù)面影響，主要由低質(zhì)煤炭的燃燒造成，其中以褐煤最為嚴(yán)重［2，3］. 優(yōu)質(zhì)煤價值高、對環(huán)境污染少、生產(chǎn)利潤高，在考慮經(jīng)濟(jì)和供應(yīng)的條件下，是我國能源和化工原料的最佳選擇。然而，隨著煤炭資源的開采，優(yōu)質(zhì)煤，尤其是無煙煤的儲量越來越少，無煙煤逐漸成為我國的稀缺資源［4］.

眾所周知，我國的煤炭資源開采屬于粗放式開采，更是掠奪式開采，煤炭資源丟損現(xiàn)象嚴(yán)重，采出率低，因此，提高煤炭資源的采出率已迫在眉睫。

影響煤炭采出率的關(guān)鍵因素之一是綜放開采的采放比，合理的采放比可以提高煤炭資源的采出率［5］. 本文通過正交試驗分析國強煤礦4#煤層控頂距、采放比，研究控頂距和采放比對煤炭采出率、工作面礦壓特征的影響，提出合理的控頂距和科學(xué)的采放比，為煤炭開采的安全、高效、綠色、環(huán)保提供理論支持和科學(xué)依據(jù)。

2 煤層賦存條件及試驗方案的確定

國強煤礦4#煤層厚度為4.23 ～10.95 m，平均7.64 m，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)單一，加矸0 ～5 層，厚度為0.07 ～0.60 m，巖性多為高嶺巖、炭質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖。

多因素試驗要充分研究各因素對結(jié)果的影響，具有試驗方案多、工作量大等困難，正交試驗設(shè)計方法的出現(xiàn)從根本上解決了這一難題。為此，本文通過正交試驗設(shè)計方法來設(shè)計研究方案。

本次數(shù)值模擬中考慮3 個因素，分別為:放煤步距、控頂距、采煤機采高。

依據(jù)正交試驗方法設(shè)計的方案見表1.

3 數(shù)值計算模型的建立

為了能夠準(zhǔn)確地分析預(yù)測控頂距、采放比對煤炭采出率和工作面礦壓特征的影響，在參照地質(zhì)勘察資料的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場鉆孔取芯和落煤取樣的方法獲取巖石試樣，并在實驗室測定巖樣的力學(xué)特征來預(yù)測和評估現(xiàn)場巖體和煤體的特性。實驗室測定力學(xué)特性圖見圖1.煤層附近巖層物理力學(xué)參數(shù)見表2.

為了能真實、準(zhǔn)確地描述工作面的開采條件及采動影響，依據(jù)生產(chǎn)條件、采煤工序、采煤工藝等實際情況，并結(jié)合數(shù)值計算的建模原則和方法，建立該工作面的整體數(shù)值計算模型，見圖2. 模型長×高×寬為100 m×105 m ×20 m. 模型邊界采用應(yīng)力邊界和位移邊界，具體為上邊界為應(yīng)力邊界，載荷值為3.2 MPa，左右邊界和下邊界為位移邊界，左右限制水平方向位移，下邊界限制豎向位移，并施加場力模擬重力作用，場力的方向數(shù)值向下，大小為9.8 m/s2.

表1 數(shù)值模擬方案參數(shù)表

圖1 巖樣巖石力學(xué)試驗圖

表2 巖石物理力學(xué)參數(shù)表

圖2 計算模型圖

4 結(jié)果分析

放頂煤開采中，在工作面前方會形成煤體破壞區(qū)，且存在應(yīng)力釋放區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)(即支撐壓力區(qū)域)。這種應(yīng)力的改變和遷移使得頂煤發(fā)生破壞，且由于受采動的影響其破壞范圍和破壞程度不同。模擬獲得不同方案條件下工作面前放頂煤一定區(qū)域內(nèi)煤體的破壞率，即頂煤宏觀破碎系數(shù)。據(jù)此可知，頂煤宏觀破壞系數(shù)越大，預(yù)示著頂煤的破壞效果越好，回收越容易，回收率也越高。液壓支架支護(hù)反力模擬圖見圖3.

圖3 液壓支架支護(hù)反力模擬圖

試驗的12 種方案條件下頂煤的破壞區(qū)域分布圖見圖4.

圖4 不同方案條件下頂煤的破壞區(qū)域分布圖

從圖4 可以看出，不同的方案條件下，圍巖的破壞范圍和破壞類型極不相同，其破壞基本形式包括拉伸和壓剪兩種模式，破壞形狀分布有鐮刀形、矩形、扇形等，破壞模式有單一性和復(fù)合型。為此，分析各因素對頂煤破壞的影響以及與頂煤破壞率之間的關(guān)系是尋找合理開采工藝的基本條件。

控頂距、支架合力作用點、放煤步距、采高與頂煤破碎系數(shù)之間的關(guān)系見圖5 ～8.

分析圖5 ～8 可以發(fā)現(xiàn)，支架合理作用點和支架前方距離為2.8 ～4.0 m 時，頂煤破碎率逐漸增大，因此，支架合理作用點距離應(yīng)大于2.8 m，小于4.0 m.放煤步距在1.0 ～1.5 m 時頂煤破碎率逐漸增大，1.5 m時為最大值，因此，采用一采一放比較合理。隨采高的增加，破碎系數(shù)遞減，所以，最佳采高為2.1 ～2.9 m.

圖5 控頂距和頂煤破碎系數(shù)關(guān)系示意圖

圖6 支架合力作用點和頂煤破碎系數(shù)關(guān)系示意圖

5 結(jié) 論

通過理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，結(jié)合山西朔州國強煤礦4#煤層賦存的地質(zhì)條件，對該礦綜放工作面工藝參數(shù)的確定及頂煤回采率進(jìn)行了研究，

圖7 放煤步距和頂煤破碎系數(shù)關(guān)系示意圖

圖8 采高和頂煤破碎系數(shù)關(guān)系示意圖

得出如下結(jié)論:1)合理的采放比可以實現(xiàn)工作面的高產(chǎn)高效。2)該礦3 m 采高時頂煤冒放性最好。3)確定了該礦4#煤層的合理采高為3 m，采放比為1∶1.5. 4)確定了該礦綜放工作面合理的放煤工藝為“一采一放、單輪間隔”。5)確定該礦提高初采頂煤、末采頂煤、端頭頂煤的措施。

［1］ 張立其，李志軍.堅硬厚煤層綜采放頂煤工藝巷預(yù)裂爆破開采技術(shù)［J］.中國煤炭，2011(10):50－52.

［2］ 梁和平，章之燕.開灤礦區(qū)綜采放頂煤工藝煤炭采出率的分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008(7):13－15.

［3］ 張克濤.煤層特征對綜采放頂煤工藝的控制作用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2001(2):19－20.

［4］ 唐子波.金屬網(wǎng)下綜采放頂煤工藝研究［J］.中國礦業(yè)，2001(3):47－50.

［5］ 謝宗保，馬德昌.堅硬頂板較厚煤層綜采放頂煤工藝的實踐［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003(12):34－36.