国强煤矿4#煤层综采放顶煤工艺对回采率的影响

董剑峰

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024;2.山西省朔州市平鲁区国强煤业有限公司，山西 朔州 036899)

1 国强煤矿放顶煤工艺现状分析

我国煤炭资源丰富，是世界煤炭产量和消费第一大国，我国工业对煤炭的依赖程度位居世界第一［1］.随着经济的快速发展，煤炭的消耗给环境带来了许多负面影响，主要由低质煤炭的燃烧造成，其中以褐煤最为严重［2，3］. 优质煤价值高、对环境污染少、生产利润高，在考虑经济和供应的条件下，是我国能源和化工原料的最佳选择。然而，随着煤炭资源的开采，优质煤，尤其是无烟煤的储量越来越少，无烟煤逐渐成为我国的稀缺资源［4］.

众所周知，我国的煤炭资源开采属于粗放式开采，更是掠夺式开采，煤炭资源丢损现象严重，采出率低，因此，提高煤炭资源的采出率已迫在眉睫。

影响煤炭采出率的关键因素之一是综放开采的采放比，合理的采放比可以提高煤炭资源的采出率［5］. 本文通过正交试验分析国强煤矿4#煤层控顶距、采放比，研究控顶距和采放比对煤炭采出率、工作面矿压特征的影响，提出合理的控顶距和科学的采放比，为煤炭开采的安全、高效、绿色、环保提供理论支持和科学依据。

2 煤层赋存条件及试验方案的确定

国强煤矿4#煤层厚度为4.23 ～10.95 m，平均7.64 m，煤层赋存稳定，结构单一，加矸0 ～5 层，厚度为0.07 ～0.60 m，岩性多为高岭岩、炭质泥岩和砂质泥岩。

多因素试验要充分研究各因素对结果的影响，具有试验方案多、工作量大等困难，正交试验设计方法的出现从根本上解决了这一难题。为此，本文通过正交试验设计方法来设计研究方案。

本次数值模拟中考虑3 个因素，分别为:放煤步距、控顶距、采煤机采高。

依据正交试验方法设计的方案见表1.

3 数值计算模型的建立

为了能够准确地分析预测控顶距、采放比对煤炭采出率和工作面矿压特征的影响，在参照地质勘察资料的基础上，通过现场钻孔取芯和落煤取样的方法获取岩石试样，并在实验室测定岩样的力学特征来预测和评估现场岩体和煤体的特性。实验室测定力学特性图见图1.煤层附近岩层物理力学参数见表2.

为了能真实、准确地描述工作面的开采条件及采动影响，依据生产条件、采煤工序、采煤工艺等实际情况，并结合数值计算的建模原则和方法，建立该工作面的整体数值计算模型，见图2. 模型长×高×宽为100 m×105 m ×20 m. 模型边界采用应力边界和位移边界，具体为上边界为应力边界，载荷值为3.2 MPa，左右边界和下边界为位移边界，左右限制水平方向位移，下边界限制竖向位移，并施加场力模拟重力作用，场力的方向数值向下，大小为9.8 m/s2.

表1 数值模拟方案参数表

图1 岩样岩石力学试验图

表2 岩石物理力学参数表

图2 计算模型图

4 结果分析

放顶煤开采中，在工作面前方会形成煤体破坏区，且存在应力释放区、应力升高区(即支撑压力区域)。这种应力的改变和迁移使得顶煤发生破坏，且由于受采动的影响其破坏范围和破坏程度不同。模拟获得不同方案条件下工作面前放顶煤一定区域内煤体的破坏率，即顶煤宏观破碎系数。据此可知，顶煤宏观破坏系数越大，预示着顶煤的破坏效果越好，回收越容易，回收率也越高。液压支架支护反力模拟图见图3.

图3 液压支架支护反力模拟图

试验的12 种方案条件下顶煤的破坏区域分布图见图4.

图4 不同方案条件下顶煤的破坏区域分布图

从图4 可以看出，不同的方案条件下，围岩的破坏范围和破坏类型极不相同，其破坏基本形式包括拉伸和压剪两种模式，破坏形状分布有镰刀形、矩形、扇形等，破坏模式有单一性和复合型。为此，分析各因素对顶煤破坏的影响以及与顶煤破坏率之间的关系是寻找合理开采工艺的基本条件。

控顶距、支架合力作用点、放煤步距、采高与顶煤破碎系数之间的关系见图5 ～8.

分析图5 ～8 可以发现，支架合理作用点和支架前方距离为2.8 ～4.0 m 时，顶煤破碎率逐渐增大，因此，支架合理作用点距离应大于2.8 m，小于4.0 m.放煤步距在1.0 ～1.5 m 时顶煤破碎率逐渐增大，1.5 m时为最大值，因此，采用一采一放比较合理。随采高的增加，破碎系数递减，所以，最佳采高为2.1 ～2.9 m.

图5 控顶距和顶煤破碎系数关系示意图

图6 支架合力作用点和顶煤破碎系数关系示意图

5 结 论

通过理论分析和数值模拟相结合的方法，结合山西朔州国强煤矿4#煤层赋存的地质条件，对该矿综放工作面工艺参数的确定及顶煤回采率进行了研究，

图7 放煤步距和顶煤破碎系数关系示意图

图8 采高和顶煤破碎系数关系示意图

得出如下结论:1)合理的采放比可以实现工作面的高产高效。2)该矿3 m 采高时顶煤冒放性最好。3)确定了该矿4#煤层的合理采高为3 m，采放比为1∶1.5. 4)确定了该矿综放工作面合理的放煤工艺为“一采一放、单轮间隔”。5)确定该矿提高初采顶煤、末采顶煤、端头顶煤的措施。

［1］ 张立其，李志军.坚硬厚煤层综采放顶煤工艺巷预裂爆破开采技术［J］.中国煤炭，2011(10):50－52.

［2］ 梁和平，章之燕.开滦矿区综采放顶煤工艺煤炭采出率的分析［J］.煤炭科学技术，2008(7):13－15.

［3］ 张克涛.煤层特征对综采放顶煤工艺的控制作用［J］.煤田地质与勘探，2001(2):19－20.

［4］ 唐子波.金属网下综采放顶煤工艺研究［J］.中国矿业，2001(3):47－50.

［5］ 谢宗保，马德昌.坚硬顶板较厚煤层综采放顶煤工艺的实践［J］.煤炭科学技术，2003(12):34－36.