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        鄒莊礦大傾角綜放開采放煤工藝參數(shù)模擬研究

        2022-10-09 08:27:26李志華江山山
        2022年10期

        周 鵬,李志華,王 偉,江山山,劉 程

        (1.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.安徽神源煤化工有限公司 鄒莊煤礦,安徽 宿州 235128)

        我國大傾角煤層儲量占探明儲量的20%,其煤炭產(chǎn)量占全國煤炭總產(chǎn)量的10%[1].在大傾角煤層開采中,如何提高大傾角綜放工作面放頂煤率仍然是一個重要的研究課題。

        國內(nèi)學(xué)者針對以上課題進行了大量的研究。高喜才等分析了大傾角煤層不同傾角條件下綜放開采覆巖運移規(guī)律,發(fā)現(xiàn)大傾角煤層上、中、下3個區(qū)域的放煤量比例應(yīng)為3∶2∶1[2].黃志增等從采煤方法的確定、工作面設(shè)備的選擇、液壓支架的防落防滑等方面對綜放開采技術(shù)進行了研究,并解決了古山三井遇到的開采難題[3-4]。苑搏等研究了大傾角綜放工作面不同放煤順序下的放頂煤率,得出上行式放煤放頂煤率最優(yōu)的結(jié)論[5]。孫利輝等研究了不同煤層傾角下的煤矸運移規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了傾角越大回采率越低的現(xiàn)象[6-7]。崔道品等研究得出了不同地質(zhì)條件下的煤層在不同開采高度、不同放煤步距和方式下的放頂煤率[8-10]。

        本文以鄒莊煤礦72號大傾角煤層為背景,以數(shù)值模擬為研究方法,對大傾角綜放開采放頂煤工藝參數(shù)進行研究,以期在實際生產(chǎn)中取得良好的放頂煤效果。

        1 工作面地質(zhì)概況

        鄒莊煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣南坪鎮(zhèn),本文研究對象為72煤層,煤厚0.6~11.20 m,平均5.36 m,煤層厚度變化大,屬于不穩(wěn)定煤層。72煤層傾角范圍在28~45°,平均傾角為35°.工作面走向長度為1 258 m,傾斜長度平均為100 m.7401工作面東臨7403工作面,西到F120斷層保護煤柱線及四含防水煤柱線,北接四采區(qū)中組煤一區(qū)段軌運巷、集中回風(fēng)巷,南為礦井18勘探線。頂?shù)装鍘r性見表1.

        表1 工作面頂?shù)装迩闆r

        2 合理放煤步距的數(shù)值模擬研究

        2.1 放煤步距數(shù)值模型構(gòu)建

        根據(jù)鄒莊煤礦72煤層綜放工作面地質(zhì)條件制作長度15 m,高度9 m的模型。由于工作面走向為近水平煤層,因此模型構(gòu)建為水平模型,根據(jù)7401綜放工作面實際采高在2.4~2.6 m,垂直方向上構(gòu)建為2.8 m煤層及6.0 m頂板,如圖1所示,白色顆粒代表頂板,黑色顆粒代表煤層。模型中煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表2.

        圖1 工作面初始模型

        表2 工作面煤巖物理力學(xué)參數(shù)

        具體放煤前準(zhǔn)備如圖2所示。根據(jù)鄒莊煤礦實際開采過程中使用的采煤機截深630 mm,因此主要模擬三種不同的放煤步距,分別為一采一放(0.6 m)、兩采一放(1.2 m)和三采一放(1.8 m),根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計三種放煤步距下的頂煤放出率及含矸率。

        圖2 放煤前準(zhǔn)備

        2.2 模擬結(jié)果分析

        三種不同的放煤步距下的模擬結(jié)果如圖3所示,頂煤放出率和含矸率對比見表3.

        圖3 三種不同的放煤步距數(shù)值模擬

        表3 不同放煤步距下的頂煤放出率與含矸率統(tǒng)計

        從上述圖表可以看出: 隨著工作面放煤步距的增大,放頂煤率和煤矸石含量都在逐漸降低。在放頂煤過程中,當(dāng)放煤步距較大時,上部矸石會隨著頂煤的放出而大量下移,在放煤口上方形成一個漏斗堵塞放煤口,導(dǎo)致后部煤體無法放出,放頂煤率低,此時放煤口處煤矸分界線明顯,易于掌握放煤口的關(guān)閉時機,含矸率低。而放煤步距較小時,由于其多次放煤的特性,有利于頂煤的破碎,放煤口處頂煤放出后,在放煤口處會出現(xiàn)一定程度的煤矸混合,此時應(yīng)繼續(xù)放煤直至放煤口出現(xiàn)大量矸石時關(guān)閉放煤口,頂煤放出率較高。

        綜上所述,三種放煤步距相比,一采一放的放頂煤率較高。分析3種放煤步距的放煤效果可知,采用一采一放的方式最合理。

        3 合理放煤方式的數(shù)值模擬研究

        3.1 放煤方式數(shù)值模型構(gòu)建

        根據(jù)鄒莊煤礦72煤層傾向角度構(gòu)建工作面模型,長度12 m,高15 m,模擬頂煤厚度2.8 m,直接頂厚度10.5 m,傾角35°,如圖4所示。共有連續(xù)的10個支架,放煤口大小為1.5 m.放煤順序有工作面上端從上向下與工作面下端從下向上放煤2種。鄒莊煤礦7401工作面煤層平均厚度為5.36 m,小于6 m,因此在數(shù)值模擬實驗中不考慮多輪放煤方式,放煤方式模擬單輪順序放煤與單輪間隔放煤2種。根據(jù)需要,對上述方案進行組合模擬,通過數(shù)值模擬結(jié)果比較放頂煤率及含矸率。

        圖4 工作面初始模型

        3.2 模型結(jié)果分析

        依次模擬了4種不同的放煤方式,模擬結(jié)果如圖5所示。放頂煤率和含矸率的比較見表4.從上述圖表可以看出:

        圖5 四種不同的放煤方式數(shù)值模擬

        表4 不同放煤方式下的頂煤放出率與含矸率統(tǒng)計

        1) 單輪順序放煤方式的放頂煤率優(yōu)于單輪間隔放煤。在放煤過程中,單輪順序放煤方式放煤時頂煤的流動空間較大,相鄰支架之間的頂煤與矸石有充足的空間進行運移,使得上部頂煤更加破碎,放頂煤率更高;且單輪順序放煤時頂煤僅從一方流動至放煤口,不易產(chǎn)生擠壓拱,更加有利于頂煤的放出。

        2) 單輪順序上行放煤方式的放頂煤率優(yōu)于單輪順序下行放煤。在放煤過程中,上行放煤因下部頂煤的不斷放出,上部頂煤會更加破碎并在重力的影響下不斷下移直至放煤口,放頂煤率更高;下行放煤則是優(yōu)先放出上部頂煤,導(dǎo)致上部矸石不斷下移,隨著下方的放煤口打開和下部頂煤一起放出,增大含矸率的同時還會阻礙下部頂煤的放出。

        綜上所述,權(quán)衡頂煤放出率和含矸率兩個方面,應(yīng)優(yōu)先采用單輪順序上行放煤方式。

        4 工程應(yīng)用

        通過現(xiàn)場對以上幾種放煤工藝方案進行驗證,對幾種放煤結(jié)果比較分析后,一采一放與單輪順序上行放煤方式放煤頂煤采出率最高,平均為85%,高于其他放煤工藝近5%.

        安徽淮北鄒莊煤礦72煤層現(xiàn)場采用一采一放與單輪順序上行放煤方式放煤,于2021年共生產(chǎn)原煤58.4萬t,解決了鄒莊煤礦72煤層的開采難題,大大提高了煤炭資源采出率,對工作面的高產(chǎn)高效提供了顯著幫助。

        5 結(jié) 語

        1) 由三種不同的放煤步距數(shù)值模擬實驗結(jié)果可以得出,放煤步距越大,其頂煤放出率越低。綜合來看,選用一采一放的放煤步距最為合理。

        2) 通過四種不同的放煤方式數(shù)值模擬結(jié)果可以得出,單輪順序放煤方式在頂煤放出率及含矸率兩個方面都要優(yōu)于單輪間隔放煤方式;綜合比較單輪順序上行放煤與單輪順序下行兩種放煤方式,分析兩種上部煤矸的運移趨勢后,得出選用單輪順序上行放煤方式不僅可以提高放頂煤率,還大大降低了含矸率的結(jié)論。

        3) 通過研究,確定了鄒莊煤礦72煤層綜放工作面合理的放煤步距、放煤方式和放煤順序,在實際生產(chǎn)中效果顯著,為類似工程的安全高效開采提供了參考。

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