宋 剛

(中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司,天津 300131)

綜采放頂煤工藝因其單產(chǎn)高,成本低,適應(yīng)性好的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于厚煤層開(kāi)采[1]。厚煤層在適宜的條件下,應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮放頂煤開(kāi)采方法[2]。機(jī)采高度作為礦井綜放開(kāi)采過(guò)程中重要的開(kāi)采技術(shù)參數(shù),決定了煤層采放比,控制著煤炭采出率、割巖比例、含矸率[3]。合理的機(jī)采高度將有效增加煤炭采出率、降低含矸率,是頂煤冒放性的關(guān)鍵指標(biāo)。

針對(duì)厚煤層綜放開(kāi)采工藝參數(shù)、頂煤損傷、頂煤運(yùn)移特征等問(wèn)題已取得大量研究成果。王家臣等[4-7]基于自制頂煤冒放裝置及數(shù)值計(jì)算,系統(tǒng)總結(jié)了不同采放比、機(jī)采高度、放煤步距等條件下頂煤運(yùn)移特征,提出了BBR頂煤冒放體系;劉長(zhǎng)友等[8-9]對(duì)綜放開(kāi)采過(guò)程中頂煤結(jié)構(gòu)演化及其對(duì)頂煤冒放性的影響進(jìn)行了分析;張錦旺等[10-12]對(duì)不同煤層傾角條件下放煤形態(tài)、頂煤損失、含矸率進(jìn)行了分析,確定了最佳放煤工藝;劉闖等[13]認(rèn)為,多放煤口放煤可以顯著提升放煤效率;黃炳香等[14]對(duì)大采高低位綜放開(kāi)采放煤工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。潘偉東等[15-16]應(yīng)用跟蹤儀對(duì)單輪順序、多輪順序放煤方式進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè);楊勝利等[17]對(duì)近距離煤層合層綜放開(kāi)采敏感性指標(biāo)進(jìn)行了分析;王伸等[18]分析了特厚煤層間隔放煤對(duì)放煤漏斗形態(tài)的影響并提出放煤控制程序;王國(guó)法等[19]以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐為基礎(chǔ),提出了堅(jiān)硬煤層超大采高合理機(jī)采高度的確定方法;解興智等[20]對(duì)堅(jiān)硬頂煤進(jìn)行預(yù)裂,實(shí)現(xiàn)了高效綜放開(kāi)采;楊俊哲[21]提出了一種提升厚煤層冒放性的開(kāi)采方法。

不同煤層覆巖條件、物理力學(xué)參數(shù)條件下頂煤運(yùn)移特征差異性較大,前人對(duì)機(jī)采高度、放煤方式等研究一般是針對(duì)特定地質(zhì)條件下,忽略了煤巖賦存條件下的復(fù)雜性?；诖?本文以大南湖七礦一分區(qū)5+6煤合并綜放為工程背景,以一分區(qū)不同鉆孔柱狀為基礎(chǔ),建立不同煤層賦存條件、不同采放比條件下數(shù)值計(jì)算模型,以采出率、割巖率為指標(biāo)確定最佳機(jī)采高度。

1 工程背景

大南湖七礦一分區(qū)內(nèi)5+6煤總厚度為6.0～10.0 m,含0～7層夾矸,夾矸隨機(jī)分布在各個(gè)層位,單層夾矸厚度0.2～3.1 m,整體夾矸厚度1.6～4.9 m,巖性以碳質(zhì)泥巖為主。部分鉆孔(ZK486、ZKJ207、ZK491、ZK4812、ZKJ206等)對(duì)應(yīng)柱狀圖見(jiàn)圖1所示。

2 5+6煤合并綜放冒放性數(shù)值模型建立與分析

2.1 模擬方案及參數(shù)設(shè)定

本文以下列假設(shè)為前提:①頂煤顆粒以準(zhǔn)剛體形式運(yùn)移;②支架上方破碎頂煤可自由冒落;③假定無(wú)片幫及端頭冒落情形,是一種理想放煤過(guò)程。

采用PFC3.0數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)5+6煤合并綜放冒放性進(jìn)行分析。針對(duì)以上9個(gè)地質(zhì)鉆孔的煤巖層數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一模擬分析,機(jī)采高度定為2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m共5種,模擬方案及其采放比如表1所示。

圖1 一分區(qū)地質(zhì)鉆孔簡(jiǎn)化示意圖Fig.1 Simplified schematic diagram of geological boreholes in the first division

表1 不同機(jī)采高度下地質(zhì)鉆孔采放比Table 1 Mining-caving ratio of geological boreholes under different cutting heights

表2 模型材料顆粒力學(xué)參數(shù)Table 2 Granular mechanics parameters of model materials

2.2 基礎(chǔ)模型及邊界條件

模型設(shè)計(jì)尺寸為:X×Y=110 m×50 m。其中,兩邊留設(shè)30 m以避免邊界效應(yīng)。模型四周及底部為固定約束。不同鉆孔柱狀條件下初始模型見(jiàn)圖2所示。

2.3 模擬結(jié)果分析

為了提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性,本次數(shù)值模擬對(duì)工作面初次放煤直至第6次放煤分別進(jìn)行模擬分析,通過(guò)內(nèi)置Fish語(yǔ)言代碼,對(duì)不同巖層顆粒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,最終得到不同開(kāi)采方案下的煤層采出率與含矸率等相關(guān)數(shù)據(jù)。由于模擬案例較多,僅對(duì)ZK207、ZK4910進(jìn)行詳細(xì)分析,其他鉆孔僅分析結(jié)果。

圖2 不同地質(zhì)鉆孔初始模型示意圖Fig.2 Initial model diagram of different geological boreholes

針對(duì)鉆孔ZK486柱狀可知,當(dāng)機(jī)采高度設(shè)置為2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m及4.0 m,模型的煤層厚度為6.61 m,即放頂煤的高度分別為4.61 m、3.11 m、3.61 m、3.11 m及2.61 m。不同機(jī)采高度條件下,第6次放煤模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同機(jī)采高度下鉆孔ZKJ207工作面頂煤冒放效果Fig.3 Top-coal caving effect of borehole ZKJ207 at different cutting heights

1)當(dāng)機(jī)采高度為2.0 m的工作面進(jìn)行初次放煤時(shí),由于放煤口高度較低,放煤口處發(fā)生煤矸堵塞,有大部分頂煤沒(méi)有放出;當(dāng)工作面完成6次放煤后,矸石運(yùn)移至放煤口,導(dǎo)致大量頂煤遺留于采空區(qū)。

2)當(dāng)機(jī)采高度為2.5 m的工作面進(jìn)行初次放煤時(shí),放煤口上方串矸現(xiàn)象比較嚴(yán)重,導(dǎo)致過(guò)早關(guān)窗,造成頂煤放出量較少;當(dāng)工作面完成第6次放煤后,仍有大量頂煤丟失在采空區(qū)中,煤矸互竄現(xiàn)象較嚴(yán)重,有較多頂煤損失在了煤矸交界處,含矸率和煤矸互竄現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)性較大,可用含矸率特征進(jìn)行分析。

3)當(dāng)機(jī)采高度為3.0 m的工作面進(jìn)行初次放煤時(shí),支架上方存在小部分煤矸互竄情況,導(dǎo)致了過(guò)早關(guān)窗,一小部分頂煤損失;當(dāng)工作面完成第6次放煤后,放出后的煤矸互竄情況較少,較為均勻地分布在采空區(qū)中,頂煤采出率能得到保證。

4)當(dāng)機(jī)采高度為3.5 m、4.0 m的工作面進(jìn)行初次放煤時(shí),煤矸分界線較為明顯,頂煤大部分被放出;當(dāng)工作面完成第6次放煤后,放煤期間頂煤損失量較少,采空區(qū)內(nèi)留有少量遺煤,但因機(jī)采高度的增加,使得開(kāi)采尺寸空間增大,部分矸石可能先于頂煤達(dá)到放煤口,容易提高含矸率。

鉆孔ZK4910頂煤運(yùn)移特征見(jiàn)圖4所示。在工作面進(jìn)行初次放煤時(shí),當(dāng)機(jī)采高度為2.0 m時(shí),放煤口上方有大部分頂煤沒(méi)有放出,主要由于放煤口高度較低,放煤過(guò)程中多次形成“煤矸組合拱”,造成過(guò)早關(guān)窗;當(dāng)機(jī)采高度為2.5 m時(shí),放煤口上方串矸現(xiàn)象嚴(yán)重,頂煤采出程度不高;當(dāng)機(jī)采高度為3.5 m、4.0 m時(shí),煤矸分界線較為明顯,基本上沒(méi)有煤矸互竄現(xiàn)象,頂煤大部分被放出。

圖4 不同機(jī)采高度下鉆孔ZK4910工作面頂煤冒放效果Fig.4 Top-coal caving effect of borehole ZK4910 at different cutting heights

在工作面完成第6次放煤后,機(jī)采高度為2.0 m、2.5 m對(duì)應(yīng)的煤矸互竄現(xiàn)象明顯,導(dǎo)致關(guān)窗提前,不利于頂煤采出;當(dāng)機(jī)采高度大于3.0 m時(shí),煤矸互竄程度明顯降低,但仍有小部分矸石先于頂煤到達(dá)放煤口,這對(duì)頂煤采出率影響程度較小。

空間直線和平面：平面，空間直線，直線和平面平行，直線和平面垂直，兩個(gè)平面平行，兩個(gè)平面垂直，研究位置關(guān)系的概念、判定和性質(zhì).

不同鉆孔柱狀對(duì)應(yīng)的含矸率、放煤高度、采出率見(jiàn)圖5。隨著機(jī)采高度的增加放煤高度呈線性降低,采放比在1∶0.65～1∶3之間。頂煤采出率及煤炭采出率均隨機(jī)采高度增大而增大,不同鉆孔對(duì)應(yīng)的頂煤采出率增大幅度和煤炭采出率增大幅度不同,且均以機(jī)采高度3.0 m為轉(zhuǎn)折點(diǎn),增幅呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì),這和煤矸互存條件相關(guān)性較大。除個(gè)別鉆孔外,含矸率隨機(jī)采高度增大表現(xiàn)出先增大后減小再增大趨勢(shì),機(jī)采高度為3.0 m時(shí)為第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

(a) 放煤高度

(b) 頂煤采出率

(c) 煤炭采出率

(d) 含矸率

3 合理機(jī)采高度方案確定

3.1 基于頂煤冒放效果的合理機(jī)采高度

根據(jù)不同地質(zhì)鉆孔對(duì)應(yīng)的煤巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行放頂煤開(kāi)采,數(shù)值模型運(yùn)算結(jié)果以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如下。

在工作面初次放煤以及第6次放煤過(guò)程中,對(duì)于地質(zhì)鉆孔ZKJ207、ZK4812、ZKJ206、ZK482、ZKJ208、ZK492所對(duì)應(yīng)的煤巖層結(jié)構(gòu),當(dāng)機(jī)采高度為2.0 m、2.5 m時(shí),放煤口上方存在竄矸現(xiàn)象,頂煤放出量較少,當(dāng)機(jī)采高度逐漸增大為3.0 m、3.5 m、4.0 m時(shí),支架上方煤矸分界線較為明顯,煤矸互竄情況較少,頂煤大部分被放出。對(duì)于鉆孔ZK491、ZK4910所對(duì)應(yīng)的煤巖層結(jié)構(gòu),當(dāng)機(jī)采高度為3.0 m時(shí),煤矸分界線較為均勻,但支架上方出現(xiàn)少量的煤矸互竄情況。

當(dāng)工作面由初次放煤至第6次放煤過(guò)程中,頂煤采出率隨機(jī)采高度依次為2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m而逐漸增大。對(duì)于鉆孔ZKJ207、ZK4812、ZKJ206、ZK4910、ZK482、ZKJ208、ZK492所對(duì)應(yīng)的煤巖層結(jié)構(gòu),當(dāng)機(jī)采高度超過(guò)3.0 m后,頂煤采出率增大趨勢(shì)放緩;對(duì)于鉆孔ZK491所對(duì)應(yīng)的煤巖層結(jié)構(gòu),當(dāng)機(jī)采高度超過(guò)3.5 m后,頂煤采出率增大趨勢(shì)放緩。對(duì)于含矸率來(lái)說(shuō),含矸率隨機(jī)采高度增大表現(xiàn)出先增大后減小再增大趨勢(shì),機(jī)采高度為3.0 m時(shí)為第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

因此,相對(duì)于其他開(kāi)采方案而言,當(dāng)機(jī)采高度為3.0 m時(shí),有利于提高頂煤冒放性,保證煤炭采出率,降低含矸率。

3.2 基于采煤機(jī)割巖比例的合理機(jī)采高度

根據(jù)礦井一分區(qū)地質(zhì)鉆孔揭露的5號(hào)煤、6號(hào)煤及其夾矸的賦存特征,計(jì)算得到不同鉆孔煤巖結(jié)構(gòu)在機(jī)采高度為2.0～4.0 m開(kāi)采方案下的采煤機(jī)割巖比例,即采煤機(jī)截割巖層(夾矸)厚度與截割總厚度(機(jī)采高度)的比值,計(jì)算結(jié)果如6所示。

由圖6(a)可知,對(duì)于一分區(qū)開(kāi)采范圍內(nèi)的9處地質(zhì)鉆孔所揭露的煤巖層結(jié)構(gòu)。其中,有7處鉆孔(ZK486、ZKJ207、ZK4812、ZKJ206、ZK482、ZKJ208、ZK492)在機(jī)采高度為3.0 m時(shí),其采煤機(jī)割巖比例小于機(jī)采高度為3.5 m和4.0 m時(shí)的割巖比例。由圖6(b)可知,機(jī)采高度由2.0 m增至4.0 m時(shí),采煤機(jī)割巖總比例逐漸增大,具體分為兩個(gè)階段:機(jī)采高度為2.0～3.0 m時(shí),割巖總比例緩慢增加;機(jī)采高度由3.0 m增加到4.0 m時(shí),割巖總比例急劇增加。因此,機(jī)采高度為3.0 m的開(kāi)采方案,在有效減小采煤機(jī)割煤比例的同時(shí),最大限度地保證了機(jī)采高度,對(duì)放頂煤開(kāi)采較為有利。

圖6 割巖比例結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.6 Rock-cutting ratio results

綜上,基于提高頂煤冒放性、保證煤炭采出率、控制含矸率以及降低采煤機(jī)割煤比例等角度進(jìn)行綜合分析,確定研究方案三,即大南湖七礦一分區(qū)5+6煤合并綜放合理機(jī)采高度為3.0 m。

4 結(jié)論

1)隨著機(jī)采高度的增大,各鉆孔首次放煤難易程度逐漸降低,機(jī)采高度為2.0 m時(shí)放煤口易堵塞,機(jī)采高度為2.5 m時(shí)串矸現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致含矸率較大。

2)頂煤采出率及煤炭采出率均隨機(jī)采高度增大而增大,不同鉆孔對(duì)應(yīng)的頂煤采出率增大幅度和煤炭采出率增大幅度不同,且均以機(jī)采高度3.0 m為轉(zhuǎn)折點(diǎn),增幅呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。

3)割巖總比例、含矸率以機(jī)采高度等于3.0 m為轉(zhuǎn)折點(diǎn),分別呈現(xiàn)先緩慢增加后急劇增加趨勢(shì)及先增大后減小再增大趨勢(shì)。

4)基于提高頂煤冒放性、保證煤炭采出率、控制含矸率以及降低采煤機(jī)割煤比例等角度進(jìn)行綜合分析,5+6煤合并綜放工作面合理機(jī)采高度為3.0 m。