综放工作面放煤方式对顶煤放出率的影响规律研究

方恩才，翟恩发，邓润义

(淮矿西部煤矿投资管理有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)



·试验研究·

综放工作面放煤方式对顶煤放出率的影响规律研究

方恩才，翟恩发，邓润义

(淮矿西部煤矿投资管理有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

综放工作面顶煤的冒放性直接关系到煤层的回采率，顶煤的放出率影响因素较多，本文以唐家会煤矿6煤层综放工作面为研究对象，利用PFC软件分析单轮顺序放煤、单轮间隔顺序放煤及单轮间隔多口放煤等几种放煤方式对顶煤放出率的影响，结果表明：单轮间隔多口放煤时煤体下落过程中相互作用、相互碰撞，有利于增加顶煤放出率，且该放煤方式能够部署两个甚至更多的放煤口同时放煤，降低工作面完成一次放煤所需要的时间，是一种合理的放煤方式。

厚煤层；综放开采；顶煤放出率；放煤方式；放煤口

针对厚煤层开采，我国普遍采取分层开采或综放开采技术，综放开采为主要采煤方法。目前，我国综放工作面的煤炭采出率平均在85%左右[1]. 在对厚煤层综放开采过程中，由于顶煤具有不均衡的物理力学性质，从而引起顶煤放采的难度增加，顶煤的复杂物理力学特性严重影响综放工作面煤炭放出的效果、顶板稳定性的控制、提高煤炭采出率等[2]，厚煤层综放开采过程中顶煤回收率与含矸率是对立的两个因素[3]. 顶煤的回收率随着含矸率的增加而提高，而含矸率的增加将会导致采出的精煤量不断降低，选煤设备的损耗增加，选煤的效益会随之降低[4].

本文针对唐家会煤矿主采的6 煤，结合放顶煤开采理论[5-6]，采用PFC软件，重点分析放煤方式对顶煤回收率的影响，通过对比分析，选择合理的方式，增加顶煤的放出，提高顶煤采出率，从而降低顶煤损失。

1 工作面概况

唐家会煤矿主采煤层6煤属于石炭、二叠系上统太原组，这两类地层成岩时间较晚，岩石多为泥质、砂质泥岩，后期由于受到各种应力的影响，顶板岩层发生裂隙、孔隙发育，从而导致岩层易破坏、黏结度差。从井田内钻孔已获取的岩芯物理力学性质来看，顶板大部分为细粒砂岩、粉砂岩及砂质泥岩，底板一般为砂质泥岩及粉砂岩。煤层顶底板岩石的抗压强度自然状态下为4.9～42.4 MPa，平均为23.6 MPa；岩石裂隙吸水后，抗压强度变为3.9～18.4 MPa，抗压强度明显变小。煤层的平均厚度为17 m，埋藏深度为500 m以上。煤层顶板岩层柱状图见图1.

图1 工作面地质柱状图

2 PFC数值模型的建立

2.1 模型的建立

本文对顶煤采出率的高低受放煤方式的影响进行研究，顶煤块度的大小会影响顶煤的采出率，因此选取半径为0～0.2 m的煤层颗粒作为模型的样本，根据高斯随机分布，形成不同尺寸颗粒组成的煤层结构，煤层顶底板由半径为0.25 m的颗粒黏结形成。具体的模型尺寸为：煤层埋藏深度约为518 m，煤层平均厚度为17 m，所建立的模型高度为30 m，剩下的488 m岩层通过等重力加载, 物理力学参数见表1.

表1 物理力学参数表

具体建立的模型见图2.模拟综放工作面底部边界割煤的高度为4.5 m，即采放比1∶2.7，模拟放煤步距1.6 m时，放煤方式对顶煤采出率的影响。针对不同的放煤方式，模拟15架支架宽度的放煤。

图2 数值模型图

2.2 放煤方式对顶煤采出率的影响

1) 单轮顺序放煤。

单轮顺序放煤应先打开1#放煤口，待1#放煤口放煤结束后依次打开2#、3#…放煤口完成放煤，各放煤口放煤过程中见矸关闭放煤口见图3.

图3 单轮顺序放煤图

单轮顺序放煤过程示意图见图4. 从图4a)可以看出，综放工作面完成一次单轮顺序放煤之后，放煤口上方依然留存部分顶煤未被放出。主要原因是：在放顶煤过程中，顶煤和矸石混合到一起向放煤口移动，为降低含矸率，以保证煤质，当见矸关门时，部分顶煤没有及时放出。由单轮放煤过程可以看出，支架放煤口顺序放煤，使顶煤之间相互扰动小，使得脊背煤量及三角区死煤量较大，统计得出煤炭采出率为82.25%.

图4 单轮顺序放煤过程示意图

2) 单轮间隔顺序放煤。

首先打开1#放煤口将顶煤放出，待1#放煤口放煤结束后，按等差数列的顺序依次将3#、5#…放煤口打开放顶煤，见到矸石关闭放煤口，等到上述的放煤口放顶煤结束后，再依次将偶数2#、4#、6#…等放煤口放顶煤，具体操作见图5.

图5 单轮间隔多口顺序放煤图

上述奇、偶数架放顶煤结束后煤矸堆积形态分别见图6a)、6b). 由图6可以得出，当奇数架放顶煤完成之后，相应的在偶数架上形成脊背煤，其上部顶煤及矸石会随着偶数架放煤口打开而垂直下落，脊背煤受到上覆岩层的压力会发生垂直下落和水平移动，垂直向下移动的顶煤会从放煤口直接放出，而水平移动的顶煤不能从放煤口放出，而是滑落到相邻的奇数架上方，造成煤炭资源的浪费。统计分析得出此放煤方式煤炭采出率为84.89%.

图6 单轮间隔顺序放煤过程示意图

3) 单轮间隔多口放煤。

单轮间隔多口即先打开1#、3#、5#等几个放煤口，偶数支架放煤口待奇数支架放煤完成后再打开，随后将偶数支架上方残留的顶煤放出，见图7.

图7 单轮间隔多口放煤图

单轮间隔多口放煤过程示意图见图8.图8a)显示，随着奇数支架上方顶煤的放出，偶数支架上方的顶煤逐渐形成平衡的趋势，偶数支架上方顶煤待奇数支架顶煤放完后达到平衡。偶数放煤口被打开之后，其上方的顶煤会受上覆岩层压力的影响而发生垂直向下及水平移动，与单轮间隔顺序放煤相同，垂直向下移动的顶煤从开放的放煤口放出，发生水平移动的顶煤不能从排放口排出，而是滑落到相邻的奇数支架上方而搁置，但此种放煤方式同时开放的煤口较多，煤体下落过程中相互作用、相互扰动，有利于增加煤体放出率。统计分析得出此放煤方式煤炭采出率为86.79%.

以上分别论述了3种不同放煤方式对顶煤采出率的影响，从顶煤的放出率分析可得，单轮间隔多口放煤的顶煤采出率要高于其他两种放煤方式，单轮顺序放煤方式的平均顶煤采出率要低于单轮间隔多口放煤大约4%，单轮间隔顺序放煤方式的平均顶煤采出率要低于单轮间隔多口放煤大约2%；从综放工作面放顶煤时间效率分析，割一次工作面底煤的时间短于单口放完一次顶煤的时间，为了提高综放工作面的工作效率，割煤时间一定的情况下有必要缩短一次放顶煤的时间。上述的单轮间隔、单轮顺序放煤方式，每次只可以开放一个放煤口，因此放煤时间比较长，放顶煤的效率较低；但单轮间隔多口放煤方式弥补了其他两种放煤方式的不足，可以开放两个或者多个放煤口放顶煤，大大缩短了综放工作面放顶煤的时间。最终可以得出，单轮间隔多口放煤方式是比较合理的一种放顶煤方式。

3 结 论

本文利用PFC软件分析了放煤方式对顶煤放出率的影响，结果表明：单轮顺序放煤煤炭放出率82.25%，单轮间隔顺序放煤放出率84.89%，单轮间隔多口放煤煤炭放出率86.79%. 而且单轮间隔多口放煤方式的放顶煤时间要短于其他两种放煤方式，提高了综放工作面放顶煤的工作效率，是一种合理的放煤方式。

[1] 徐乃忠．我国厚煤层开采的问题与方向[J]．煤炭工程，2008(12)：5-7.

[2] 李成喜，章 磊，王益品，等．特厚煤层综放开采煤岩冒放规律及放煤工艺[J]．煤矿安全，2010(4)：46-48.

[3] 黄炳香，刘长友，程庆迎．低位综放开采顶煤放出率与含矸率的关系[J]．煤炭学报，2007，32(8)：789-793.

[4] 陈庆丰，陈忠辉，李 辉，等．平朔矿区综放开采顶煤放出规律试验研究[J]．2014，46(1)：90-93.

[5] 崔景昆，陈善昌，付明明，等．双倾斜大倾角轻放仰采工作面放煤工艺研究[J]．煤炭工程，2012(5)：91-95.

[6] 徐开宇．浅埋深中硬特厚煤层综放开采不同放煤工艺试验分析[J]．煤矿开采，2013，113(4)：36-39.

Study on Influence of Caving Mode on Roof Coal Recovery Rate in Fully Mechanized Caving Face

FANG Encai, ZHAI Enfa, DENG Runyi

The top coal caving in fully mechanized top-coal caving face is directly related to the recovery rate of coal seam. There are many factors affecting the discharge rate of roof coal. The fully mechanized top coal caving mining face in No.6 coal seam in Tangjiahui coal mine is taken as the research object. The effect of several coal caving methods on the discharge rate of top coal was analyzed with the software of PFC. The options including single wheel sequential caving, single wheel interval sequential caving, single wheel interval sequential caving with more than one spot at the same time. The results showed that mode three, the single-wheel interval with more spot are more reasonable due to the interaction and collision of coal during caving, it is conducive to increase the recovery, save operation time.

Thick coal seam; Fully mechanized caving mining; Top coal release rate; Caving spot

2017-03-08

方恩才(1965—)，男，安徽淮南人，1990 年毕业于淮南矿业学院，高级工程师，主要从事煤矿技术管理工作

(E-mail)346248235@qq.com

TD823.4+9

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1672-0652(2017)05-0021-04