大采高综放开采顶煤采出率研究

颜爱华

(国家安全生产监督管理总局研究中心，北京 100713)

大采高综放开采是随着我国综放开采技术的深入发展与大功率、大采高、高可靠性重型综采设备发展而发展起来的，结合了综放开采和大采高综采的优势，是一种针对特厚煤层新型的高产高效的采煤方法[1-5]。在综放开采中，由于顶煤的放出规律直接影响煤炭的采出率、工作面的顶板管理、煤壁控制等，因此一直是研究的重点，而目前大采高综放开采顶煤采出率的研究较少[6-9]。本文依据某煤矿8206工作面开采技术条件，运用PFC2D数值模拟和现场实测方法对大采高综放开采顶煤的受力特点、运移规律、放出顺序及放出率等进行研究，并提出了提高采出率的措施。

1 工程概况

8206工作面走向长度2722m，倾斜长度207m，工作面沿煤层倾向上山回采，煤层赋存稳定，厚度为9.42～19.44m，平均14.50m，煤层倾角在3～5°，平均4°，普氏系数在2.7～3.7之间。直接顶平均8.79m，主要由灰黑色炭质泥岩、高岭质泥岩、岩浆岩组组成。老顶成分以石英长石为主，厚度11.8～39.55m。直接底平均4.87m，灰褐色、浅灰色高岭质泥岩。割煤高度4.2m，采用一刀一放，即放煤步距0.8m，双轮顺序放煤。

2 数值分析

2.1 模型建立

采用PFC2D离散元软件对顶煤放出规律进行研究。根据8206工作面现场实际地质条件，设定煤的法向刚度和切向刚度为2.0×108N·m-1，容重为1.5 kN·m-3，岩石的法向刚度和切向刚度为4.0×108N·m-1，容重为2.5 kN·m-3，同时二者摩擦因素均为0.4，不考虑粘结力。在模拟中，为减少机时、加快计算收敛速度，舍掉少量的过大或过小的块体，按高斯随机分布规律，将顶煤块度半径设定为0.125～0.15m。

图1所示为大采高综放开采模型，颗粒簇模拟工作面上覆顶板最初受力状态，其中上部分代表煤层顶板，下部分代表支架上覆顶煤。在未采动情况下，煤体处于相对稳定状态，并未形成明显的散体流动介质。

图1 大采高综放PFC计算模型

2.2 计算结果及分析

顶煤放出过程中，在矿山压力和放煤影响的作用下，采场上覆煤、岩发生不同程度的损伤破坏。支架上方附近的煤岩体完全破碎，在重力作用下自由散落放出，形成散体冒落区，散体冒落区中，存在上覆岩石先于顶煤放出的现象，即混矸现象。

当介质颗粒单元间的剪切应力大于准则设定的最大值时，颗粒介质产生拉剪塑性破坏，形成拉剪破坏区。该区煤体间存在残余拉应力和剪应力，没有完全破碎。顶煤基本未产生影响的区域成为原始应力区。在原始应力区和拉剪破坏区之间，煤体处于弹性变形阶段，尚未出现塑性破坏，称为压缩变形区。因此，根据采场上方煤体颗粒流介质间的受力区域依次为散体冒落区、拉剪破坏区、压缩变形区、原始应力区，如图2所示。

图2 顶煤不同区域受力分布

通过监测放煤过程可知，不同受力区域中，顶煤在散体介质区波动剧烈程度强于拉剪应力区，强于压缩变形区。说明支架放煤口附近顶煤破坏最严重，沿工作面推进方向依次减弱。同一受力区域，上部介质波动明显强于中部，中部强于下部，说明上部的煤体破碎较中、下部更加充分。

3 顶煤放出规律现场实测

3.1 测站的布设

采用顶煤运移跟踪仪对顶煤不同位置放出情况进行监测，顶煤运移跟踪仪主要由信号接收仪(机站)、RF射频标签(探头)和射频标签编码器组成。在8206工作面机道顶煤上方施工4个钻孔(钻孔均垂直于顶煤，且所在平面和煤壁平行)，分别位于60#～61#(1#孔)、65#～66#(2#孔)、90#～91#(3#孔)、109#～110#(4#孔)架前探梁之间，钻孔顶煤厚度分别为9.5m、9.7m、7.8m和12.5 m。在钻孔中，以0.8m间距安装顶煤跟踪仪探头63个，其中煤层中安装43个探头，煤层顶板岩层中安装20个探头。顶煤跟踪仪整体布置平面图如图3所示。

图3 顶煤跟踪仪整体布置平面图

3.2 测试结果与分析

当工作面推进9.5m时、14m时，进行了两次数据采集，第一次收集到24个探头，第二次收集到5个探头。1#～4#钻孔分别收集到8个、8个、9个和4个，29个探头中仅有3#钻孔收集到1个煤层顶板岩层中的探头标志，其余28个探头标志均来自煤层中。

从统计表2和接收到探头的顺序可知，煤层上部顶板岩层中共安装20个探头，仅回收到1个，说明工作面控矸较有效，但仍存在少量窜矸现象。1#、3#孔的探头回收率较高，分别达到72.7%、88.9%，但2#、4#孔的探头回收率较低，仅达到66.7%、36.4%，说明工作面不同位置处顶煤回收率相差较大，尤其工作面靠近两端处回收率较低。探头被接受到的先后顺序表明，顶煤冒落顺序与支架放煤顺序基本一致，放出顺序一般为顶煤的下、中、上部，但3.2～4m的中部煤层存在反转进入煤流系统的现象。下部5m的顶煤基本可放出(除靠近两端)，下部7m的顶煤大部分可放出(除靠近两端)。

表2 不同层位探头放出情况统计

4 提高8206工作面采出率的措施

4.1 加强初末采及端头顶煤回收

通过切顶巷技术或深孔爆破技术减小来压步距，加强顶煤冒放性，提高初采采出率。选择8206工作面安全有效的停采方式，尽量缩短末采阶段不放煤宽度，或布置斜停采线，最大限度的实现停采线平行设计，提高采出率。

减少端头顶煤损失率要保证两端头的有效支护，采面支架应尽量靠近上下顺槽煤柱，扩大工作面放煤宽度；选用合理的端头支架，实现端头放煤；工作面上下两巷掘进时，应严格按照要求掘进，不得丢煤，浮煤要及时清理。

4.2 改善顶煤冒放性

顶煤冒放性好坏，直接关系到采出率的高低。根据贾光胜教授对顶煤冒放性的分类，将8206工作面顶煤冒放性划为“冒放性一般(Ⅲ类)”[14]。8206工作面顶煤若想顺利放出，必须有合适的块度，加大顶煤破碎常用的方法为放振动炮、超前爆破和高压注水软化。

4.3 选择合理的放煤步距

放煤步距受顶煤破断角的影响，步距大小约为放出椭球体的短轴长度。8206大采高综放工作面的顶煤破断角α为75°～85°，放煤高度8.5m，根据以下经验公式可计算放煤步距。

式中：h为放出体高度；β为放煤破断角；ε为放出椭球体偏心率这。建议放煤步距为两刀一放即放煤步距为1.6m更合理，采出率更高。

4.4 选择合理放煤方式

8206工作面顶煤厚度为8.5m，经现场的反复比较实践，采用双轮顺序放煤，放煤工两人，一人在工作面前半部放煤，一人在工作面后半部放煤，两组放煤工分别从头、尾开始向工作面中部放煤，然后再从工作面中部向工作面头、尾放煤，放煤工根据后刮板运输机煤量多少，控制好放煤量。放煤工严格执行“见矸关窗”的原则。

4.5 强化生产管理

成立以矿长为组长的矿产资源领导小组，保证每班都有矿级领导在现场跟班，同时成立矿产资源管理办公室，确保煤炭采出率在国家规定的指标以上；加强工人业务素质培训，提升工人的责任感和技术水平，从人员上保证采出率；跟班人员抓安全、质量和生产的同时，要督工作面放煤相关工序放煤后需经逐架验收，方可拉移后溜；制定严格的管理制度，通过经济杠杆的方式实现落实，建立科学合理的奖惩制度。

5 结论

1)采场上方煤体受力区域可划分为散体冒落区、拉剪破坏区、压缩变形区和原始应力区，其中散体冒落区和拉剪破坏区煤体不同程度的破坏，呈现出上部强于中部，强于下部的特征。

2)工作面不同位置顶煤放出率相差较大，表现为下分层顶煤的放出率较高，上分层放出率较低，工作面两端顶煤回收率较低。

3)顶煤冒落顺序表现为下部先于上部，但中部煤层存在先于上部煤层放出现象。

4)通过加强初末采及端头顶煤回收、改善顶煤冒放性、选择合理放煤步距和放煤方式、加强生产管理等措施，提高8206工作面采出率。

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