郭建彪

(安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 淮北 235000)

0 引 言

煤炭是我國(guó)能源的主要來(lái)源,隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采規(guī)模以及機(jī)械化程度的不斷增大,放頂煤的開(kāi)采由于低耗、高產(chǎn)等特點(diǎn),已成為增加煤炭產(chǎn)量的重要采煤工藝之一[1-3]。目前我國(guó)含薄夾矸和中厚夾矸的頂煤開(kāi)采工藝技術(shù)已相對(duì)較為成熟,而對(duì)于含厚夾矸頂煤開(kāi)采,由于夾矸厚度的增加,導(dǎo)致在實(shí)際作業(yè)時(shí)放頂煤的回收率往往和實(shí)際情況有很大差距,以至于實(shí)現(xiàn)煤礦頂煤回采率的提升[4],已成為提高煤炭產(chǎn)量,降低資源浪費(fèi)的重要任務(wù)[5]。王家臣教授[6]根據(jù)金屬礦放礦橢球原理,采用相似模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等方法,建立了頂煤介質(zhì)流理論。該模型能直觀地反映出在低位放頂煤中的頂煤流動(dòng)和釋放情況,對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)放頂煤技術(shù)及參數(shù)的選擇具有重要意義。樊中恩等[7]以鋪龍灣煤業(yè)5102工作面為研究對(duì)象,采用理論分析結(jié)合COMSOL數(shù)值模擬方法,對(duì)含厚夾矸煤層開(kāi)采過(guò)程中頂煤變形破壞機(jī)理、開(kāi)采后煤巖層應(yīng)力、位移變化進(jìn)行研究,得出了頂煤放出規(guī)律,為提高頂煤的回收率提供了科學(xué)依據(jù),除此之外其他多位學(xué)者也對(duì)厚夾矸煤層的特性及開(kāi)采技術(shù)做出了大量研究。由以往專家研究的成果來(lái)看,雖然已有較為成熟的理論分析和相似模擬試驗(yàn)方法,但由于受到開(kāi)采條件的影響,往往會(huì)出現(xiàn)理論分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果有較大出入,而本次相似模擬試驗(yàn)的結(jié)果則與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果高度一致,能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算出頂煤放出率。

1 工程概況

朱仙莊煤礦位于宿東礦區(qū)東部,是淮北礦業(yè)集團(tuán)在宿縣礦區(qū)的一座大型礦井。東、西、北三面均以P3煤層露頭為界,井田南部以F1斷層,F9斷層及原蔡橋電廠煤柱為界,F10以南部暫以-700mP8-2煤層底板等高線為界。井田尺寸為:南北走向9.0km,傾斜寬2.8km,面積26km2。

Ⅱ863工作面所在煤層為主采煤層8煤層,煤厚一般為7～13m,兩極厚度1.70～28.07m,平均9.98m,均為大部可采煤層。8煤發(fā)育不穩(wěn)定,厚度變化大,煤層頂板裂隙發(fā)育,巖石破碎。根據(jù)采區(qū)及區(qū)段巷道布置情況和Ⅱ863綜放工作面的地質(zhì)條件、生產(chǎn)技術(shù)條件和生產(chǎn)需要,確定Ⅱ863綜放工作面采用兩巷布置方式。初期形成工作面工程量為:機(jī)巷184m,風(fēng)巷232m,切眼115 m,合計(jì)531 m。

2 散體介質(zhì)流相似模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

相似材料模型方法的本質(zhì)就是將類似于原型力學(xué)特性的物質(zhì)按照幾何相似常量進(jìn)行縮制。根據(jù)相似程度的差異,將相似物質(zhì)模型分為以下兩類。

(1)定性模型:用模型對(duì)原型中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行定性的判定,定性模型不需要嚴(yán)格遵守各種相似關(guān)系,只需要符合基本的相似常數(shù);

(2)定量模型:相關(guān)物理量必須符合相似常數(shù)和相似依據(jù)。因?yàn)樵撃Ｐ托枰罅康牟牧虾痛罅康臅r(shí)間,所以在建立模型之前,必須對(duì)模型進(jìn)行定性分析。

2.2 頂煤放出率計(jì)算方法

頂煤放出率對(duì)綜采放頂煤工藝中判斷放煤技術(shù)具有重要意義,也是放頂煤綜合機(jī)械化開(kāi)采成敗的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。綜采放頂煤工作面的實(shí)際采掘高度通常很難用實(shí)測(cè)方法來(lái)確定,而采煤量的精確度也存在較大的差別。因此,在相似試驗(yàn)中,用標(biāo)記點(diǎn)法代替計(jì)算產(chǎn)量進(jìn)行頂煤放出率的計(jì)算。在對(duì)煤層放放率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用標(biāo)志點(diǎn)法對(duì)不同煤層進(jìn)行標(biāo)記,并對(duì)其進(jìn)行相似模擬,從而確定頂煤放出率。

(1)

式(1)中:q1為放出標(biāo)志點(diǎn)個(gè)數(shù);q2為設(shè)置標(biāo)志點(diǎn)總個(gè)數(shù)。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于淮北朱仙莊煤礦Ⅱ863工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,相似材料模擬試驗(yàn)在1.8m×1.6m×模型架上進(jìn)行,試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀伪壤?shù)采用1:20,試驗(yàn)支架高度為12.5cm,放煤步距為6cm,頂煤8煤厚為26cm,夾矸層厚10cm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)總刀數(shù)15刀,距離90cm,模擬實(shí)際距離18m。試驗(yàn)材料采用砂子、石膏、石灰、巴厘石,針對(duì)9煤極軟煤層特點(diǎn),采煤機(jī)所采煤層采用細(xì)砂、石膏、石灰按照8:1:1.5配制,頂煤采用直徑1cm的棕黑色暗紅色巴厘石進(jìn)行模擬,頂部破碎的巖石用2cm左右的白巴厘石進(jìn)行模擬,以使其在放煤時(shí)的運(yùn)移得到更為準(zhǔn)確的測(cè)定,對(duì)于不同的層位,設(shè)置染色并標(biāo)號(hào)的蓮子作為標(biāo)志點(diǎn),平均粒徑為1.5cm。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

相似模擬實(shí)驗(yàn)中,在不同煤層上設(shè)置了同樣數(shù)目的標(biāo)記物,但在不同煤層中釋放的標(biāo)記物數(shù)目存在差異,自下而上釋放的標(biāo)記物數(shù)目分別為30,34,35,35,32,23,24個(gè),具體數(shù)據(jù)表1所示。工作面散體介質(zhì)流模擬試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。

(a)開(kāi)挖前的模型(b)正常循環(huán)放煤

(c)初始放煤 (d)結(jié)束放煤

表1 不同層位放出標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)量

圖2 不同層位的頂煤回收率

從表1和圖2的數(shù)據(jù)分析可以看出,在放煤時(shí),破碎夾矸和頂煤沿最小的路線逐步向放煤口方向運(yùn)動(dòng),從而形成了散體介質(zhì)的流動(dòng)區(qū)域,根據(jù)不同的顆粒尺寸、邊界條件、流動(dòng)阻力等因素,不同的煤層,夾矸、頂煤的放出率也會(huì)有所不同,平均放煤率為78%,而在支架附近的夾矸和頂煤接近頂板的上部煤的放出率都比較低,分別為76.9%和61.5%。造成這種情況的原因,是因?yàn)樵谶\(yùn)輸和放煤時(shí),離支架較近的夾矸提前向采空區(qū)散失,而在頂板附近的頂煤因矸石進(jìn)入放煤口和見(jiàn)矸關(guān)閉的原理,使上部煤層被竄入的矸石從采空區(qū)中排出,從而造成了工作面的技術(shù)損失。

夾矸層并沒(méi)有對(duì)頂煤冒落形成隔離帶,接近86%的夾矸能被順利放出,少量夾矸遺留在采空區(qū),頂煤隨著夾矸層也能順利放出,上位頂煤在頂板巖石的竄矸的影響下,回收率偏低。整體放煤顯得順利,效果良好。需要指出的是放出的煤量含矸率偏高,能達(dá)到30%左右。這是由于夾矸層過(guò)厚造成的,在現(xiàn)有裝備、技術(shù)措施條件下并無(wú)其他理想的解決措施,這將給后期煤炭洗選造成困難,成本大大提高。

3 頂煤回收率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定試驗(yàn)

在放頂煤開(kāi)采過(guò)程中,對(duì)頂煤回收率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn),因此現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用頂煤運(yùn)移跟蹤器對(duì)頂煤的回收率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本儀器主要包括信號(hào)接收儀(機(jī)站)、RF射頻標(biāo)簽和射頻標(biāo)簽編碼等。其基本工作原理是將RF射頻標(biāo)簽埋在夾矸和煤層的不同部位,在夾矸和頂煤排出時(shí),將信號(hào)接收器(機(jī)臺(tái))放置在傳送帶的上端,將射頻標(biāo)簽標(biāo)記的數(shù)量和起始位置進(jìn)行記錄,并在抵達(dá)地面后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得出所釋放射頻標(biāo)簽的數(shù)量和位置,以此來(lái)確定所釋放的煤量和位置。從而計(jì)算出不同煤層頂煤的放出率。

3.1 頂煤運(yùn)移跟蹤儀布置方案

在工作面的煤壁中部完好無(wú)斷塊的地方,設(shè)置一個(gè)臨時(shí)的鉆孔平臺(tái),從煤壁頂部的架間點(diǎn)開(kāi)始向斜上方打孔,在同一平面上鑿出4個(gè)孔。鉆孔所處平面與煤壁呈45°角,鉆孔長(zhǎng)度均為13.7m,鉆孔頂點(diǎn)與煤壁間的垂直距離為9.7m。儀器的整體布置如圖1,單孔布置方案如圖2。

圖3 頂煤運(yùn)移跟蹤儀整體布置平面圖

圖4 頂煤運(yùn)移跟蹤儀單孔布置方案

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

煤層不同層位共安設(shè)了54個(gè)標(biāo)簽,煤孔內(nèi)安裝的頂煤運(yùn)移跟蹤儀的標(biāo)號(hào)及放出與否情況如圖3、表3所示。

表2 煤層不同層位的頂煤運(yùn)移跟蹤儀放出情況統(tǒng)計(jì)表

由表2、圖3、圖4所示,10.0m以下平均回收率為29/35=82.8%,10.0m以上平均回收率為13/19=68.4%,8煤的平均回收率為42/54=77.8%。將距8煤底板距離劃分為上中下3個(gè)區(qū)間,分別為6m～7m,7.5m～10m以及10.5m以上,每個(gè)區(qū)間的平均回收率分別為75%,85.7%,68.18%,上下2個(gè)區(qū)間跟蹤儀放出率要明顯低于中間跟蹤儀放出率,與相似模擬試驗(yàn)得出的結(jié)論一致。

表3 機(jī)站接收的夾矸中的頂煤運(yùn)移跟蹤儀放出情況統(tǒng)計(jì)表

如表3所示,在安裝的18個(gè) RF標(biāo)簽中有16個(gè)被接收,放出率為16/18=88.9%,可以得出8,9煤之間夾矸的破碎程度較好,另一方面說(shuō)明合層綜放開(kāi)采時(shí)夾矸對(duì)煤層的冒放性影響不大。

根據(jù)試驗(yàn)得出,淮北朱仙莊煤礦Ⅱ863綜放工作面8煤的平均回收率為42/54=77.8 %,夾矸的放出率為16/18=88.9%,9煤的回收率按照95%計(jì)算的話,8煤、9煤的總體回收率為85.1 %。這與室內(nèi)試驗(yàn)所測(cè)結(jié)果相比較小,其原因包括多種因素,如煤層厚度的變化、放煤步距、放煤方式損失頂煤破壞程度等。

4 結(jié) 論

基于淮北朱仙莊煤礦Ⅱ863工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,在1:20比例下設(shè)計(jì)并搭建了散體介質(zhì)流模擬試驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)相似模擬,得到了含厚夾矸綜采過(guò)程的頂煤回收率及其運(yùn)移規(guī)律:頂煤平均放出率78%,靠近支架的下位頂煤和靠近頂板的上位頂煤的放出率均較低,分別為76.9%和61.5%。而中間頂煤放出率較高為89.7%,呈現(xiàn)“兩頭低中間高”的規(guī)律。

含厚夾矸綜放開(kāi)采時(shí),會(huì)造成煤量含矸率偏高,能達(dá)到30%左右。這是由于夾矸層過(guò)厚造成的,在現(xiàn)有裝備、技術(shù)措施條件下并無(wú)其他理想的解決措施,這將給后期煤炭洗選造成困難,成本大大提高。