急斜煤层运移规律及提高回采率的方法研究

郝志强

(山焦西山煤电股份有限公司马兰矿，山西 太原 030205)

引 言

煤炭作为人类经济社会发展所必不可少的一种能源，为人类的进步提供了巨大的帮助，随着人类对煤炭资源开采的不断深入，急斜煤层等各种复杂地质条件下的煤炭开采应用范围不断扩大，但受技术条件的限制人们对急斜煤层中煤炭的移运规律了解较少，导致井下煤炭的含矸率、采放比过高，回采率偏低，严重影响了煤矿井下的综采作业安全和综采效率。目前对急斜煤层综放开采规律的研究主要集中在优化急斜煤层开采时的支护和开采机械设备的研究，对急斜煤层的移运规律的研究较少，而急斜煤层的移运规律直接决定了井下的支护方式和回采效率，因此本文通过对某矿井下急斜煤层的移运规律的研究提出了优化支护，提升井下煤炭回采效率的方案，具有十分广阔的应用价值。

1 煤岩的力学性能测试研究

本文以某矿为研究对象，其煤层的厚度约为21 m～27 m，其煤层的地质结构相对复杂，其中含有约7～11层的矸石，其沿着从煤层走向的倾角约为78°～82°，煤岩的硬度约为1.6，其煤层属于焦煤，在综采作业时采用了分段放顶综采方案。

为了对该矿井下综采面的煤岩的力学性能进行研究，在综采面取两组加矸岩层作为分析样本，将两组样本分别编号为1#和2#，每组取12个样本。将1#组样本在空间内进行点荷载试验，将2#组样本先在自然状态下称重然后进行烘干后称重，之后将烘干的样本放入清水中充分浸泡，使之充分吸收水分后按1#组样本的测试方案进行点载荷测试[1]，1#组样本和2#组样本的测试结果分布如图1和图2所示。

图1 1#组煤样的点载荷强度

图2 2#组煤样的点载荷强度

由分析结果可知，2组煤炭样本的点载荷强度和单轴抗压强度之间呈线性关系，1#组煤炭样本的点载荷强度的平均值为0.3 MPa，2#组煤炭样本的点载荷强度的平均值为0.27 MPa。

同时通过对2#组样本的承重-烘干-吸水的试验可计算出煤样的实际吸水率，用数学公式可表示为式(1)[2]：

(1)

式中：GW为煤炭样本的吸水量；GS为煤炭样本完全烘干后的质量。

煤炭的吸水率是煤炭的一项重要的性能指标，其直接影响着煤炭的力学性能和煤层的移运规律特性。

2 急斜煤层运移规律模拟

在对煤岩力学性能进行研究的基础上，为了进一步研究煤岩的运移规律性，本文采用了PFC颗粒流法来模拟井下煤炭介质的运动规律，利用数值模拟法把煤炭分为多个具有固定特性的颗粒单元，利用各个颗粒单元之间的相互作用来表示整个煤层的应力的响应特性，从而实现以局部来模拟整个煤层的移运规律。

在进行煤层的移运规律研究时，首先建立了放煤时的颗粒流分析计算模型[3]，根据井下综采作业时常见煤炭颗粒的大小，将计算时煤块的大小设置为1 mm～310 mm，通过高斯随机分布的思想来进行计算模型的构建，其放顶煤的计算模型如图3所示。

图3 放顶煤的颗粒流分析模型

根据对放顶煤的颗粒流分析并结合该矿井下综采面急斜煤层的实际地质情况，将此次试验时的流动距离设置为0.9 m～1 m，其模拟的实际的流动距离约为19 m。因此可基本模拟煤矿井下煤矸石的流动和放出规律特性。

3 不同放煤步距对顶煤回采率的影响

综采作业时的放煤步距是综采的关键参数，其对井下煤矸石的流动形态有较大的影响[4]，因此可直接影响到对顶煤的回采率。根据对井下急斜煤层移运规律的研究，可通过采用不同放煤工艺的方案提升煤矿井下的煤炭回采效率，根据以上分析结果，本文提出了一刀一放、两刀一放和三刀一放三种放煤方案，分别对其对顶煤的回收效率的影响进行研究。

不同放煤方案下的顶煤的流动结果如图4所示。

图4 不同放煤方案下的顶煤的流动效果

由图4可知，当采用不同的放煤方案时所形成的背脊煤的损失量不同，一刀一放情况下的损失量最小，三刀一放情况下的损失量最大，一刀一放情况下对应的放煤步距为600 mm，两刀一放情况下对应的放煤步距为1 200 mm，三刀一放情况下所对应的放煤步距为1 800 mm。实际验证不同放煤步距情况下煤炭的回采率变化如图5所示。

图5 不同放煤步距条件下的顶煤回收率

由实际统计结果可知，采用一刀一放时顶煤的相对回收率约为86.2%，两刀一放时顶煤的相对回收率约为85.6%，三刀一放时顶煤的相对回收率约为84.3%。整个放煤过程中顶煤的回收率随着放煤步距的增加而逐渐降低。而当采用低放煤步距的情况下，在放煤时煤炭所受到的阻力较低，更容易实现放煤。

4 结论

本文针对现有的急斜煤层综采作业时回采率低下的问题，对井下煤岩的力学特性和移运规律进行了研究，根据研究结果提出了提升顶煤回采率的方案，不同方案的验证结果表明：

1) 煤岩在常规状态下的点载荷强度的平均值为0.3 MPa，吸水饱和后的点载荷强度的平均值为0.27 MPa，表明煤岩的抗剪强度地下，容易受力发生破坏，特别是含水量较高是更容易发生垮塌。

2) 放煤步距和顶煤回采效率关系密切，放煤步距越大其回采率越低，因此采用一刀一放(放煤步距为600 mm)，能够显著降低井下的移架次数，降低煤体阻力，节约开采工时，提升井下的综采作业效率。