特厚煤層綜放開采傾向大比例試驗平臺研制與應用

李東印，張偉宇，王文，王伸，王祖洸，李化敏

(河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000)

0 引 言

綜合機械化放頂煤開采自20世紀80年代引入我國以來已經(jīng)得到了廣泛應用，經(jīng)過多年不斷發(fā)展，已成為我國厚煤層高產工作面最主要的采煤方法[1-3]。放煤方式是影響頂煤回收率和含矸率的重要因素，各綜放支架放煤順序不同導致煤巖形態(tài)變化出現(xiàn)差異,從而影響放煤效果[4]。由于綜放工作面放煤的復雜性，難以在現(xiàn)場對頂煤放出過程進行有效追蹤和還原，目前多采用實驗室物理模擬或數(shù)值模擬研究頂煤放出規(guī)律。

黃炳香等[5]研制出沿采煤工作面推進方向長1 200 mm、寬800 mm的放煤試驗平臺和低位放頂煤模擬支架，采用該平臺研究了極松散細砂巖頂板下不同放煤步距和不同頂煤塊度對放煤過程中煤矸砂流動形態(tài)、混矸程度的影響，給出了不同煤矸塊度條件下的放煤步距選取原則；黃炳香等[6]又研究了低位綜放開采過量放煤對煤矸形態(tài)的影響，以及混矸程度與頂煤放出率的關系，提出了頂煤拐點放出率的概念；黃炳香等[7]還分析了大采高綜放開采放煤口參數(shù)、采放比、放煤工序和放煤步距對煤矸流場的影響；王家臣等[8-11]研制了多種微型放煤支架以及沿工作面推進方向的二維模擬平臺，并自主研制出綜放開采散體頂煤放出三維相似模擬試驗臺，采用物理模擬和PFC3D數(shù)值模擬多次研究綜放開采散體頂煤放出規(guī)律，建立了包含煤巖分界面、頂煤放出體、頂煤采出率和含矸率等4要素的BBR研究體系，也研究了頂煤塊度級配、不同放煤工藝、工作面傾角以及支架形態(tài)對散體頂煤放出規(guī)律的影響；崔景昆等[12]研制了長670 mm、高370 mm、厚30 mm的放煤平面試驗臺，以方鋼抽動代替放煤口開閉，模擬了不同采放比、不同放煤步距和不同放煤方式下的頂煤采出率情況；魏煒杰等[13]采用中國礦業(yè)大學自主研發(fā)的急傾斜煤層水平分段模擬試驗臺，對某礦放頂煤工作面放煤方式進行了優(yōu)化研究，試驗臺長1 800 mm、寬160 mm、高1 500 mm，內部設有9臺模擬綜放支架；張錦旺等[14]采用自主研制的雙層絲杠螺母控制式放煤試驗平臺，研究了不同級配塊度對初始放煤量、顆粒運移軌跡以及煤巖分界面演化特征的影響；于斌等[15-16]采用沿工作面推進方向的物理試驗平臺，對塔山礦特厚煤層綜放開采進行了模擬，確定了8105工作面合理的機采高度、放煤步距及放煤方式，基于物理試驗建立了煤矸分界線和頂煤放出體方程。還有許多學者也通過物理模擬試驗對頂煤放出規(guī)律進行了研究[17-20]。

為了提高綜放開采過程中的頂煤回收率，學者們設計了多種試驗平臺，通過物理模擬的方式探究頂煤的放出機制。目前的二維放煤試驗平臺存在以下不足：

(1)二維相似模擬平臺大多為研究工作面推進方向，對工作面方向上的放煤研究較少，難以直觀體現(xiàn)出采用不同放煤方式時工作面方向上部煤巖分界面變化形態(tài)。

(2)試驗平臺中支架個數(shù)較少。

(3)相似比較小，大多為1∶ 25～1∶ 40。

(4)放煤支架尾梁多為固定角度，放煤口大小無法控制，難以研究放煤口大小對煤矸流場的影響。

本文研制了特厚煤層綜放開采傾向大比例試驗平臺，利用散體顆粒對塔山礦8222工作面“分段四級一次”放煤方式進行物理模擬試驗，研究放煤過程中頂煤和矸石的時空演化規(guī)律及煤巖分界面形態(tài)特征，以期為發(fā)現(xiàn)特厚煤層頂煤運移規(guī)律及放煤方式的合理確定提供試驗方法和思路。

1 試驗平臺研制

特厚煤層綜放開采傾向大比例試驗平臺主要由可調傾試驗架、放煤口模擬裝置、前后可觀察擋板以及其他配套裝置等組成。

1.1 可調傾試驗架

可調傾試驗架為長3 800 mm、寬250 mm、高2 200 mm的長方體框架，框架內徑為3 600 mm×250 mm×2 000 mm，如圖1(a)所示。長方體框架下面由2個支點支撐，左側支點為可旋轉鉸接結構，右側支點為一固定支撐結構，試驗架中部采用傾角調節(jié)油缸與底座連接，通過油缸伸縮和左側支點可控制上方試驗架傾斜角度，傾角可調角度0°～30°。長方體框架四周有多個直徑12 mm的螺絲孔，便于安裝槽鋼和透明有機玻璃板。

1.2 放煤口模擬裝置

圖1(b)中，放煤口模擬裝置由箱體、尾梁模擬斜面、溜煤斜面、放煤插板、放煤插板軌道、玻璃板槽、溜煤口組成。將19個放煤口模擬裝置從左至右依次編號,并排列在試驗架上，構成放煤系統(tǒng)。

圖1 放煤試驗平臺及放煤口模擬裝置示意圖

箱體高300 mm，寬175 mm，長250 mm，通體由5 mm鋼板制成，寬度與現(xiàn)場放煤支架寬度比例為1∶ 10，長度與試驗架寬度相匹配，箱體頂部兩側設有兩個玻璃板槽，用于固定和承載有機玻璃板，卡槽內徑為12 mm；尾梁模擬斜面與水平面呈30°角，垂直投影高度為70 mm，水平投影長度為120 mm，用于模擬放煤支架尾梁對放煤效果的影響；放煤插板在箱體一側開口處插入，為可抽動式，插板閉合時與尾梁模擬斜面閉合相接，實現(xiàn)放煤口關閉，插板可全部抽出，實現(xiàn)放煤口最大范圍打開，插板上標有刻度，抽動插板不同距離可實現(xiàn)放煤口大小調節(jié)；放煤插板軌道由兩根長條鐵塊焊接在箱體內部，為上述插板移動提供軌道；箱體底部設有與水平面呈20°角的溜煤斜面，抽動放煤插板，散體顆粒從溜煤斜面經(jīng)溜煤口滑出；溜煤口開在箱體底部一側，寬175 mm，高80 mm。

1.3 可觀察擋板

試驗平臺前后擋板采用10 mm厚的透明有機玻璃板，試驗平臺內徑長3 600 mm，為了便于安裝以及裝置穩(wěn)定，選用4塊1 880 mm×600 mm和2塊1 880 mm×200 mm的有機玻璃板按圖2方式安裝，玻璃板上方預留300 mm高的空間用于填裝散體材料。在兩塊玻璃板接口處用3.8 m長槽鋼橫向固定，試驗平臺前后均用以上方式安裝玻璃板和槽鋼。鑒于試驗平臺跨度較長，在平臺前后兩塊相同位置的槽鋼中部打孔用絲杠連接，防止裝入散體材料后引起槽鋼和玻璃板彎曲變形。

圖2 透明有機玻璃板安裝方式

1.4 其他配套裝置

除了試驗平臺主體之外，還有相應的其他配套裝置，包括收集桶、振篩機、電子臺秤、相機等。

收集桶桶口為邊長300 mm的正方形，桶高1 000 mm，收集桶放置在基座上，與試驗架上部長方體框架緊挨，位于溜煤口下方，散體顆粒經(jīng)溜煤口溜出后進入收集桶。

試驗時，整個放煤過程中煤巖運移過程需用監(jiān)控裝置實時拍攝，本試驗平臺采用尼康D7000高分辨率單反相機拍攝記錄，用可伸縮相機支架將相機固定于試驗臺前方4 000 mm位置處。

試驗采用的散體顆粒粒徑大小不一，當從放煤口放出后，不同顏色和粒徑的散體顆?；旌?，可用篩分系統(tǒng)對其進行篩分，統(tǒng)計不同粒徑顆粒放出量，同時還可以作為下一次試驗的材料重復循環(huán)利用。本試驗篩分裝置選用3層振篩機，尺寸為1 000 mm×400 mm×500 mm，內含3層孔徑分別為6，9，12 mm的可拆卸篩片，將混合的散體材料放入篩斗中，可將其重新分成不同粒徑的顆粒。

質量測量采用K-FINE高精度電子臺秤，測量范圍為200 g～300 kg，誤差為50～200 g，將經(jīng)過篩分的石子分別測量質量并記錄。

2 試驗方案設計

為驗證本試驗平臺的可靠性，以塔山礦8222綜放工作面為工程背景，模擬在現(xiàn)有特厚煤層放煤方式(“分段四級一次”)下煤巖分界面發(fā)育過程和煤巖運移規(guī)律，為現(xiàn)場放煤提供指導作用。

“分段四級一次”放煤方式是一種適用于頂煤厚度較大的放煤方式，相較于其他單輪放煤方式，由于其相鄰順序的放煤口間隔較大，在頂煤厚度較大時，不會因為相鄰放煤漏斗的影響導致本架放出體發(fā)育不完全，從而過早見矸，提高了頂煤回收率。該放煤方式將整個工作面分成若干段同時放煤，液壓支架分為“大、中、小、微”4個等級，在一個分段內按照從大到微的順序，以見矸關窗為準依次進行放煤，其中相鄰兩個“大”號放煤支架中間相隔7架，相鄰兩個 “中”號放煤支架中間相隔7架，相鄰兩個 “小”號放煤支架中間相隔3架，相鄰兩個 “微”號放煤支架中間相隔1架，圖3為此種放煤方式的示意圖。

圖3 “分段四級一次”放煤方式示意圖

2.1 放出層鋪設方案

綜放開采過程中，頂煤和直接頂在支承壓力和支架反復支撐的作用下，在工作面上方時已經(jīng)處于破碎狀態(tài)，形成松散體。因此，對于頂煤放出規(guī)律的試驗研究采用散體顆粒代替破碎的頂煤和直接頂。頂煤在垂直方向上破碎程度不同，越靠近工作面的煤體顆粒越小，所以用不同粒徑的散體顆粒分層模擬頂煤和直接頂。本試驗采用的散體材料為顏色不同、粒徑不同的水磨石，將其作為模擬材料，如圖4所示。

圖4 不同粒徑的散體材料水磨石

塔山礦8222綜放工作面平均放煤高度為11.96 m，直接頂平均厚8.22 m。結合試驗幾何相似比1∶ 10以及平臺尺寸，分別鋪設1.0，0.4 m不同粒徑的水磨石模擬煤層和矸石層(破碎直接頂)，如圖5所示。根據(jù)顆粒粒徑不同將煤層分為1,2,3層，煤層和矸石層所用水磨石的粒徑及顏色均不相同，以便更好地觀察和分析放煤過程中煤巖運動規(guī)律，各分層散體材料鋪設參數(shù)如表1所示。

表1 各分層散體材料鋪設參數(shù)

圖5 放煤模型鋪設實物圖

2.2 試驗步驟

(1)將加工好的19個液壓支架模擬裝置緊挨著擺放在試驗臺上，溜煤口統(tǒng)一向外。

(2)把③、⑥號有機玻璃板分別放入試驗臺前后的玻璃板槽中，然后用槽鋼緊貼玻璃板上部用螺絲固定。

(3)將3～6 mm粒徑的黃色水磨石平鋪在放煤口模擬裝置上，厚333 mm，在黃色石子上面鋪設200 mm厚，粒徑3～6 mm的紅色水磨石。再將②、⑤號有機玻璃板用槽鋼固定在緊挨下方玻璃板位置上，繼續(xù)平鋪133 mm厚的紅色水磨石，接著在紅色石子上面鋪設333 mm厚，粒徑>9～12 mm的黑色水磨石。再將①、④號玻璃板以同樣方式固定在試驗臺上，最后在黑色石子上面鋪設400 mm厚，粒徑10～20 mm的白色水磨石。

(4)在試驗平臺前方4 000 mm位置處將相機支架固定好，升至1 700 mm高，然后將高分辨率單反相機安裝在相機支架上，調整角度并對焦，放煤過程中用相機全程錄像，以便后期試驗數(shù)據(jù)處理。

(5)本次試驗放煤方式為“分段四級一次”，將放煤口模擬裝置從左往右編號，按“大→中→小→微”的順序依次放煤，放煤順序見表2。將收集桶緊貼試驗架放置在6號放煤口下方，抽動放煤口模擬裝置上的插板，使上部石子下落入收集桶中，桶中石子達到一定量之后關閉放煤口，將石子稱重記錄并用振篩機篩分，重復多次直至溜煤口出現(xiàn)一定量的白色水磨石后停止放煤，此時6號放煤口放煤結束。

(6)將收集桶放置在14號放煤口模擬裝置下方，重復步驟(5)，按表2放煤順序依次將各放煤口上方頂煤放出并記錄試驗結果。表2中順序沒有嚴格按照“分段四級一次”放煤方式進行，是因為在試驗中為了對比4個級別放煤口放煤后上部煤巖的形態(tài)，考慮到3，4，5號放煤口距離18號放煤口較遠，不會影響頂煤放出效果，所以對3，4，5號放煤口提前進行了放煤。

表2 放煤順序

(7)所有放煤口放煤結束后，將試驗平臺中剩余散體材料放出，篩分、稱重并記錄。篩分好的石子分別裝袋，以便下一次試驗使用。

(8)整理相機錄像，記錄每個放煤口放煤時間，并對試驗結果進行處理分析。

3 結果與分析

3.1 煤巖形態(tài)演化過程

本次試驗模擬的放煤方式為“分段四級一次”，19個放煤口模擬裝置分別編號“大、中、小、微”，首先進行6號和14號兩個“大”放煤口放煤，如圖6(a)所示，大放煤口上方放煤漏斗形態(tài)基本以放煤口中線對稱呈倒三角形，角度約為28°，兩側煤巖分界面在放煤口上方860 mm內基本為一條傾斜直線，>860～1 000 mm內呈彎曲的拋物線；放煤漏斗最大影響范圍約為900 mm，豎直方向860 mm處放煤漏斗寬度約為450 mm，說明放煤漏斗影響范圍在頂部位置比在靠近放煤口的位置變化速率要大；6號和14號兩個放煤漏斗影響范圍相隔約520 mm。

兩個“大”放煤口之后是“中”放煤口放煤，如圖6(b)和(c)所示。2號，10號，18號為中號放煤口，中號放煤口上部放煤漏斗發(fā)育高度減小，約為900 mm，860 mm以下形態(tài)與大號放煤口上部形態(tài)相似，860 mm以上彎曲拋物線部分減少，放煤口中間剩余頂煤呈“駝峰”形態(tài)。本次試驗在2號和10號兩個中號放煤口結束后，對4號“小”放煤口和3號，5號“微”放煤口進行放煤，因為間隔較遠，未對后續(xù)放煤產生影響。

圖6 煤巖形態(tài)演化過程

如圖6(c)和(d)所示，“中”放煤口放煤結束后，對 “小”放煤口進行放煤。由于前面放煤的影響，小放煤口上部放煤漏斗形態(tài)多為非對稱，放煤漏斗兩側煤巖分界面與水平面夾角也較之前平緩，為65°～70°，剩余頂煤高度300～400 mm。

最后進行“微”放煤口放煤，圖6(e)所示為全部放煤口放煤結束后的形態(tài)，在放煤口之間多處殘余頂煤未放出，這是放煤口之間相互影響的結果，也是不同放煤方式存在回收率差異的表現(xiàn)。

3.2 放煤漏斗形態(tài)發(fā)育過程

為了進一步揭示放煤漏斗形態(tài)發(fā)育過程，以14號放煤口為例，選取放煤過程中試驗平臺前后6個不同時刻的照片，以平臺框架內徑左下角點為原點建立坐標系，繪制14號口上部放煤漏斗發(fā)育過程圖。

圖7～8中(a)～(c)分別為試驗平臺前后14號口放煤過程中煤矸分界面、2煤層和3煤層分界面、1煤層和2煤層分界面形態(tài)演化過程，由圖7～8可知：

(1)試驗平臺前后放煤漏斗形態(tài)基本為對稱形態(tài)。由于連接前后槽鋼的絲杠位于放煤漏斗影響范圍內，導致放煤漏斗左右煤巖分界面產生差異，發(fā)育的最大截面直徑均為900 mm左右，橫跨5個放煤支架寬度。

(2)由圖7(a)～(c)3個分界面發(fā)育形態(tài)的差異可以看出，放煤口中心豎直方向上越靠近放煤口的顆粒，運移速度越快，橫向方向上越靠近放煤口中線位置的顆粒，運移速度越快，這是由于靠近放煤口一側約束消失，顆粒松散程度變大，相互之間摩擦作用變小，導致速度較快。

(3)圖7～8中試驗平臺前后的分界面形態(tài)存在較大差異，后方由于尾梁模擬斜面的影響，分界面比較平滑，分界面發(fā)育至放煤口上方一定距離后停止。

圖7 試驗平臺前方分界面演化過程

圖8 試驗平臺后方分界面演化過程

3.3 頂煤回收指標

3.3.1 頂煤回收率

待19個放煤口全部放煤結束后，對放出的散體顆粒進行統(tǒng)計，模型中所含模擬頂煤的散體顆粒共1 652.46 kg，試驗過程中各放煤口放出總煤量1 375.38 kg，整體頂煤回收率為83.23%。圖9為各個放煤口頂煤和矸石模擬材料的放出量統(tǒng)計結果。由圖9可知，頂煤放出量分3個層次，“大”和“中”放煤口所放出的頂煤量最多，平均頂煤放出量為157.36 kg，由于放煤漏斗影響范圍與大中號放煤口間距較接近，造成大、中兩種類型放煤口上部發(fā)育的煤矸分界面形態(tài)較為接近，放煤量并無太大差異，由此可知，減小兩者間距，可使兩種類型放煤口所放出的頂煤量存在層次差異?！靶　狈琶嚎陧斆悍懦隽烤又?，平均為98.24 kg?！拔ⅰ狈琶嚎诜懦隽孔钚?，平均為19.56 kg，其中1號和19號放出量略多一些，是因為兩放煤口處于模型邊界，受兩側邊界影響所致。

圖9 各支架放出量統(tǒng)計

3.3.2 含矸率

試驗過程放出的總模擬矸石散體材料共219.67 kg，總含矸率為13.77%。圖10為每個放煤口所放出材料含矸率的柱狀圖。由圖10可以看出，各放煤口含矸率分布也分3個層次，“大”“中”放煤口放出煤平均含矸率為5.03%，“小”放煤口放出煤平均含矸率為14.86%，“微”放煤口放出煤平均含矸率為36.49%。由此可知，現(xiàn)場放煤中可以適當延長“大”“中”放煤口的放煤時間,使更多頂煤放出，嚴格控制“微”放煤口放煤時間，見矸關門，以減少含矸率。

圖10 各支架含矸率統(tǒng)計

3.3.3 放煤時間

試驗過程總放煤時間為362 s。由圖11可知：兩個“大”放煤口相對放煤時間較長，這是因為6號口放煤初期放煤口打開較小,14號口放煤過程中成拱一次，導致兩放煤口放煤時間較“中”放煤口多；“中”放煤口平均放煤時間為30.7 s，“小”放煤口平均放煤時間為20.8 s，“微”放煤口平均放煤時間為5.3 s。

圖11 各支架放煤時間統(tǒng)計

由以上數(shù)據(jù)可知，在“分段四級一次”放煤方式下，不同放煤口放煤時間與頂煤放出量成正比，與含矸率成反比，且數(shù)據(jù)層次分明，這是由此種放煤方式的特性所決定的。

4 結 語

為了研究特厚煤層放煤過程中煤巖傾向運移規(guī)律，自主研制了特厚煤層綜放開采傾向大比例試驗平臺，相似比為1∶ 10，設有19個大小可調的放煤口模擬裝置，試驗支架可調傾角度0°～30°，前后擋板透明可觀察，可以直觀地研究在不同放煤方式下工作面方向煤巖運移特征及頂煤放出機制。利用該裝置可進行不同放煤方式、不同頂煤厚度、不同煤矸粒徑、不同放煤口大小等條件下的工作面方向模擬試驗，為研究不同因素影響下的頂煤放出機制提供了試驗平臺。

以塔山礦8222工作面為工程背景進行了“分段四級一次”放煤方式物理模擬試驗。試驗總體頂煤回收率為83.23%，含矸率為13.77%，總放煤時間為362 s?？赏ㄟ^本平臺多次試驗探尋特厚煤層綜放工作面合理的放煤方式，從而對礦井資源采出率的提高和高效生產起到一定的指導作用。