采空区全息探测技术与顶煤运移的时空演化规律研究

顶煤回收率是厚煤层综放开采的核心问题，长期以来饱受争议，是学界和工程界高度关注的焦点问题。大同塔山矿，主采煤层为石炭系3-5#层，厚度达20 m，受火成岩侵入影响，煤层与顶板都受到不同程度的破坏，且大同矿区煤层具有“两硬”特点，开采时条件极其复杂。国内外一次开采的煤层厚度最大不超过14 m，而对于塔山矿一次开采厚度达20 m 煤层后形成的采空区是何种形状，与放煤工艺之间有何种关系，如何在保证安全开采条件下，高效、高回收率的回收煤炭是亟待解决的难题。

针对此问题，采用洞穴三维激光扫描探测仪，获得采空区空间体积及形状等相关信息，并结合理论分析、数值模拟及现场实测等方法对顶煤运移规律进行深入系统研究，获得采空区全息探测技术与顶煤运移的时空演化规律，形成了完善的理论技术体系。主要在以下方面取得了创新性成果：

1.首次基于洞穴三维激光扫描探测系统，探明了不同时刻、不同顶板条件下特厚煤层综放开采采空区顶板顶煤垮落形态；提出了顶煤冒放的“面接触块体拱”模型及其形成条件，揭示了煤岩物理力学、顶板来压特征等因素对煤矸分界线的影响规律。

(1)顶煤“成拱”实测分析

①采用洞穴三维激光扫描探测仪进行实测分析。在工作面进行多次观测，探明不同时刻、不同顶板条件下特厚煤层综放开采采空区顶板顶煤垮落形态，也证明其“成拱”的必然性。

图1 顶煤“成拱”实测图

图2 采空区三维激光扫描图

图3 顶煤及夹矸厚度不同时顶煤放出率变化

图4 夹矸厚度相同顶煤厚度不同顶煤放出率变化

(2)相似材料模拟及数值模拟研究。利用巴厘石和河沙等散体材料模拟破碎后的顶煤，进行相似材料模拟试验，结合PFC 数值计算建立了顶煤运移规律结构力学模型，探索了顶煤放冒规律。

(3) 提出顶煤冒放的“面接触块体拱”模型理论。特厚煤层综放开采中，破碎的煤体可能以点接触的方式形成铰接触结构，也可能以面的形式形成面接触的结构，但随着接触点的破坏，接触方式也会由点接触转为面接触，基于此，提出了“面接触块体拱”结构模型(图5)。

图5 煤层“成拱”受力平衡图

2.采用数值模拟方法，分析了综放液压支架尾梁后方顶煤冒落形态、顶煤运移规律及其影响因素，揭示了荷载、压力拱跨长、高跨比等因素对块体拱的作用机制。

(1)顶煤“成拱”数值模拟研究。结果表明：放煤过程中，冒落顶煤在尾梁矸石堆积之间有拱形屈服应力分布区域，在此区域内顶煤自由冒落到输送机上被运走，而在拱形区域上方的顶煤则受该拱的阻挡影响，不能充分放落，使回收率降低。

(2)通过对顶煤自架后放出的力学行为对放煤效果的影响、掩护梁及架后岩堆对放煤形成“面接触块体拱”的高度、跨度影响规律、极限跨度理论研究，得到了形成“面接触块体拱”结构的力学机理、动力学机理和相关结构参数。

(3)现场实测研究

①采用现场深基点测试得到了实际的顶煤位移情况。实测结果表明：顶煤的层位不同，其位移发生的初始点也不同，层位越高，顶煤位移始动点距离工作面煤壁越远。

②在工艺巷内布置采空区压力监测仪及应力监测点。监测数据表明，随着顶板来压，采空区压力逐渐增加；当岩层破断时，岩移跃升，支架来压瞬间增加。钻孔密度高，监测手段多，各方法相互验证，提高了监测精度和可靠性，同时也向全息采矿迈进。

3.提出了特厚煤层综放开采条件下顶煤冒放性评价方法，提出了消除顶拱效应对策与措施，对顶煤回收率进行了预测，优化了塔山矿特厚煤层开采放煤工艺。

(1)顶煤破坏过程及冒放性研究，通过对顶煤的破碎过程及影响顶煤冒放性等指标进行定性与定量分析，运用模糊数学分类方法，对顶煤冒放性进行了分类研究，同时引入煤体损伤概念，得出塔山煤矿顶煤放出率为n=75.36%，冒放难度中等。

(2)顶煤注水软化。采用注水软化后，顶煤硬度得到了一定的弱化，减小了顶煤的块度。从现场采煤效率来看，注水软化后，顶煤放出率提高5%左右。

(3)选择新型放煤支架及强扰动装置。选用四柱式综放支架，放煤架宽度由1.5 m 提高到1.75 m，采煤支架高度由3.5 m 增大到5.2 m，并加大放煤口尺寸。在支架设计时设置专门的强扰动放煤装置（图6）。通过现场实践，顶煤放出率提高了4%。

图6 ZF15000/28/52 放顶煤支架

(4)放煤工艺优化

①PFC3D数值模拟，对不同放煤方式放煤过程进行分析，获得特厚煤层大采高放顶煤开采的基本规律及最优的放煤方式，结果表明：无论是顺序放煤还是间隔放煤多轮放煤回收率均高于单轮放煤。

②不同放煤工艺现场实测，对顶煤进行探测，根据顶煤厚度及结构，选择合理放煤工艺。具体包括增加放煤轮次、保证放煤时间及主动扰动，通过实测研究，给出不同顶煤厚度放煤轮次、放煤时间、主动扰动次数等参数。根据夹矸厚度情况，对放煤工艺进行适当调整，通过上述措施，工作面回收率提高了5%左右，同时提高了生产效率。

本项目在理论与技术上取得了进展，2020年1月4日经中国煤炭工业协会组织专家鉴定：研究成果达到了国际先进水平。应用以来，塔山矿8301工作面新增产值3 807.7 万元，新增利税400.87 万元，经济社会效益显著，同时该成果具有很强的示范性。