富夹矸近距离煤层合并综放开采合理机采高度研究

宋 刚

(中煤天津设计工程有限责任公司,天津 300131)

综采放顶煤工艺因其单产高,成本低,适应性好的特点,广泛应用于厚煤层开采[1]。厚煤层在适宜的条件下,应当优先考虑放顶煤开采方法[2]。机采高度作为矿井综放开采过程中重要的开采技术参数,决定了煤层采放比,控制着煤炭采出率、割岩比例、含矸率[3]。合理的机采高度将有效增加煤炭采出率、降低含矸率,是顶煤冒放性的关键指标。

针对厚煤层综放开采工艺参数、顶煤损伤、顶煤运移特征等问题已取得大量研究成果。王家臣等[4-7]基于自制顶煤冒放装置及数值计算,系统总结了不同采放比、机采高度、放煤步距等条件下顶煤运移特征,提出了BBR顶煤冒放体系;刘长友等[8-9]对综放开采过程中顶煤结构演化及其对顶煤冒放性的影响进行了分析;张锦旺等[10-12]对不同煤层倾角条件下放煤形态、顶煤损失、含矸率进行了分析,确定了最佳放煤工艺;刘闯等[13]认为,多放煤口放煤可以显著提升放煤效率;黄炳香等[14]对大采高低位综放开采放煤工艺参数进行了研究。潘伟东等[15-16]应用跟踪仪对单轮顺序、多轮顺序放煤方式进行了现场实测;杨胜利等[17]对近距离煤层合层综放开采敏感性指标进行了分析;王伸等[18]分析了特厚煤层间隔放煤对放煤漏斗形态的影响并提出放煤控制程序;王国法等[19]以现场实践为基础,提出了坚硬煤层超大采高合理机采高度的确定方法;解兴智等[20]对坚硬顶煤进行预裂,实现了高效综放开采;杨俊哲[21]提出了一种提升厚煤层冒放性的开采方法。

不同煤层覆岩条件、物理力学参数条件下顶煤运移特征差异性较大,前人对机采高度、放煤方式等研究一般是针对特定地质条件下,忽略了煤岩赋存条件下的复杂性。基于此,本文以大南湖七矿一分区5+6煤合并综放为工程背景,以一分区不同钻孔柱状为基础,建立不同煤层赋存条件、不同采放比条件下数值计算模型,以采出率、割岩率为指标确定最佳机采高度。

1 工程背景

大南湖七矿一分区内5+6煤总厚度为6.0～10.0 m,含0～7层夹矸,夹矸随机分布在各个层位,单层夹矸厚度0.2～3.1 m,整体夹矸厚度1.6～4.9 m,岩性以碳质泥岩为主。部分钻孔(ZK486、ZKJ207、ZK491、ZK4812、ZKJ206等)对应柱状图见图1所示。

2 5+6煤合并综放冒放性数值模型建立与分析

2.1 模拟方案及参数设定

本文以下列假设为前提:①顶煤颗粒以准刚体形式运移;②支架上方破碎顶煤可自由冒落;③假定无片帮及端头冒落情形,是一种理想放煤过程。

采用PFC3.0数值计算软件对5+6煤合并综放冒放性进行分析。针对以上9个地质钻孔的煤岩层数据进行逐一模拟分析,机采高度定为2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m共5种,模拟方案及其采放比如表1所示。

图1 一分区地质钻孔简化示意图Fig.1 Simplified schematic diagram of geological boreholes in the first division

表1 不同机采高度下地质钻孔采放比Table 1 Mining-caving ratio of geological boreholes under different cutting heights

表2 模型材料颗粒力学参数Table 2 Granular mechanics parameters of model materials

2.2 基础模型及边界条件

模型设计尺寸为:X×Y=110 m×50 m。其中,两边留设30 m以避免边界效应。模型四周及底部为固定约束。不同钻孔柱状条件下初始模型见图2所示。

2.3 模拟结果分析

为了提高研究结果的准确性,本次数值模拟对工作面初次放煤直至第6次放煤分别进行模拟分析,通过内置Fish语言代码,对不同岩层颗粒进行统计分析,最终得到不同开采方案下的煤层采出率与含矸率等相关数据。由于模拟案例较多,仅对ZK207、ZK4910进行详细分析,其他钻孔仅分析结果。

图2 不同地质钻孔初始模型示意图Fig.2 Initial model diagram of different geological boreholes

针对钻孔ZK486柱状可知,当机采高度设置为2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m及4.0 m,模型的煤层厚度为6.61 m,即放顶煤的高度分别为4.61 m、3.11 m、3.61 m、3.11 m及2.61 m。不同机采高度条件下,第6次放煤模拟结果如图3所示。

图3 不同机采高度下钻孔ZKJ207工作面顶煤冒放效果Fig.3 Top-coal caving effect of borehole ZKJ207 at different cutting heights

1)当机采高度为2.0 m的工作面进行初次放煤时,由于放煤口高度较低,放煤口处发生煤矸堵塞,有大部分顶煤没有放出;当工作面完成6次放煤后,矸石运移至放煤口,导致大量顶煤遗留于采空区。

2)当机采高度为2.5 m的工作面进行初次放煤时,放煤口上方串矸现象比较严重,导致过早关窗,造成顶煤放出量较少;当工作面完成第6次放煤后,仍有大量顶煤丢失在采空区中,煤矸互窜现象较严重,有较多顶煤损失在了煤矸交界处,含矸率和煤矸互窜现场相关性较大,可用含矸率特征进行分析。

3)当机采高度为3.0 m的工作面进行初次放煤时,支架上方存在小部分煤矸互窜情况,导致了过早关窗,一小部分顶煤损失;当工作面完成第6次放煤后,放出后的煤矸互窜情况较少,较为均匀地分布在采空区中,顶煤采出率能得到保证。

4)当机采高度为3.5 m、4.0 m的工作面进行初次放煤时,煤矸分界线较为明显,顶煤大部分被放出;当工作面完成第6次放煤后,放煤期间顶煤损失量较少,采空区内留有少量遗煤,但因机采高度的增加,使得开采尺寸空间增大,部分矸石可能先于顶煤达到放煤口,容易提高含矸率。

钻孔ZK4910顶煤运移特征见图4所示。在工作面进行初次放煤时,当机采高度为2.0 m时,放煤口上方有大部分顶煤没有放出,主要由于放煤口高度较低,放煤过程中多次形成“煤矸组合拱”,造成过早关窗;当机采高度为2.5 m时,放煤口上方串矸现象严重,顶煤采出程度不高;当机采高度为3.5 m、4.0 m时,煤矸分界线较为明显,基本上没有煤矸互窜现象,顶煤大部分被放出。

图4 不同机采高度下钻孔ZK4910工作面顶煤冒放效果Fig.4 Top-coal caving effect of borehole ZK4910 at different cutting heights

在工作面完成第6次放煤后,机采高度为2.0 m、2.5 m对应的煤矸互窜现象明显,导致关窗提前,不利于顶煤采出;当机采高度大于3.0 m时,煤矸互窜程度明显降低,但仍有小部分矸石先于顶煤到达放煤口,这对顶煤采出率影响程度较小。

空间直线和平面：平面，空间直线，直线和平面平行，直线和平面垂直，两个平面平行，两个平面垂直，研究位置关系的概念、判定和性质.

不同钻孔柱状对应的含矸率、放煤高度、采出率见图5。随着机采高度的增加放煤高度呈线性降低,采放比在1∶0.65～1∶3之间。顶煤采出率及煤炭采出率均随机采高度增大而增大,不同钻孔对应的顶煤采出率增大幅度和煤炭采出率增大幅度不同,且均以机采高度3.0 m为转折点,增幅呈现先增大后减小趋势,这和煤矸互存条件相关性较大。除个别钻孔外,含矸率随机采高度增大表现出先增大后减小再增大趋势,机采高度为3.0 m时为第一个转折点。

(a) 放煤高度

(b) 顶煤采出率

(c) 煤炭采出率

(d) 含矸率

3 合理机采高度方案确定

3.1 基于顶煤冒放效果的合理机采高度

根据不同地质钻孔对应的煤岩层结构进行放顶煤开采,数值模型运算结果以及数据统计分析结果如下。

在工作面初次放煤以及第6次放煤过程中,对于地质钻孔ZKJ207、ZK4812、ZKJ206、ZK482、ZKJ208、ZK492所对应的煤岩层结构,当机采高度为2.0 m、2.5 m时,放煤口上方存在窜矸现象,顶煤放出量较少,当机采高度逐渐增大为3.0 m、3.5 m、4.0 m时,支架上方煤矸分界线较为明显,煤矸互窜情况较少,顶煤大部分被放出。对于钻孔ZK491、ZK4910所对应的煤岩层结构,当机采高度为3.0 m时,煤矸分界线较为均匀,但支架上方出现少量的煤矸互窜情况。

当工作面由初次放煤至第6次放煤过程中,顶煤采出率随机采高度依次为2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m而逐渐增大。对于钻孔ZKJ207、ZK4812、ZKJ206、ZK4910、ZK482、ZKJ208、ZK492所对应的煤岩层结构,当机采高度超过3.0 m后,顶煤采出率增大趋势放缓;对于钻孔ZK491所对应的煤岩层结构,当机采高度超过3.5 m后,顶煤采出率增大趋势放缓。对于含矸率来说,含矸率随机采高度增大表现出先增大后减小再增大趋势,机采高度为3.0 m时为第一个转折点。

因此,相对于其他开采方案而言,当机采高度为3.0 m时,有利于提高顶煤冒放性,保证煤炭采出率,降低含矸率。

3.2 基于采煤机割岩比例的合理机采高度

根据矿井一分区地质钻孔揭露的5号煤、6号煤及其夹矸的赋存特征,计算得到不同钻孔煤岩结构在机采高度为2.0～4.0 m开采方案下的采煤机割岩比例,即采煤机截割岩层(夹矸)厚度与截割总厚度(机采高度)的比值,计算结果如6所示。

由图6(a)可知,对于一分区开采范围内的9处地质钻孔所揭露的煤岩层结构。其中,有7处钻孔(ZK486、ZKJ207、ZK4812、ZKJ206、ZK482、ZKJ208、ZK492)在机采高度为3.0 m时,其采煤机割岩比例小于机采高度为3.5 m和4.0 m时的割岩比例。由图6(b)可知,机采高度由2.0 m增至4.0 m时,采煤机割岩总比例逐渐增大,具体分为两个阶段:机采高度为2.0～3.0 m时,割岩总比例缓慢增加;机采高度由3.0 m增加到4.0 m时,割岩总比例急剧增加。因此,机采高度为3.0 m的开采方案,在有效减小采煤机割煤比例的同时,最大限度地保证了机采高度,对放顶煤开采较为有利。

图6 割岩比例结果统计Fig.6 Rock-cutting ratio results

综上,基于提高顶煤冒放性、保证煤炭采出率、控制含矸率以及降低采煤机割煤比例等角度进行综合分析,确定研究方案三,即大南湖七矿一分区5+6煤合并综放合理机采高度为3.0 m。

4 结论

1)随着机采高度的增大,各钻孔首次放煤难易程度逐渐降低,机采高度为2.0 m时放煤口易堵塞,机采高度为2.5 m时串矸现象严重,导致含矸率较大。

2)顶煤采出率及煤炭采出率均随机采高度增大而增大,不同钻孔对应的顶煤采出率增大幅度和煤炭采出率增大幅度不同,且均以机采高度3.0 m为转折点,增幅呈现先增大后减小趋势。

3)割岩总比例、含矸率以机采高度等于3.0 m为转折点,分别呈现先缓慢增加后急剧增加趋势及先增大后减小再增大趋势。

4)基于提高顶煤冒放性、保证煤炭采出率、控制含矸率以及降低采煤机割煤比例等角度进行综合分析,5+6煤合并综放工作面合理机采高度为3.0 m。