李 超

(山西華信資源與環(huán)境保護研究院,太原 030006)

我國厚煤層開采中常采用綜采放頂煤開采,簡稱綜放開采,但其回采率相對較低,是限制綜放開采進一步發(fā)展的主要因素。圍繞著采放比、放頂步距等綜放工藝參數(shù)優(yōu)化,國內(nèi)學者們做了大量研究工作[1-2]。目前的工程實踐中,綜放工藝參數(shù)的選擇多是根據(jù)經(jīng)驗選取,再結(jié)合實踐進行校對改正。當前,通過數(shù)值模擬手段優(yōu)化綜放工藝也是一種有效手段。其中,于海涌等[3]通過理論結(jié)合數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實測,研究了綜采放頂煤各參數(shù)對放煤效果的影響。毛德兵和劉全等[4-5]運用PFC模擬研究了不同放煤高度對頂煤采出率的影響。本文結(jié)合一緣煤礦15號煤層實際工程背景,采用數(shù)值模擬的手段研究綜放工藝參數(shù)的選擇,可為礦井綜放回采率提高等提供關(guān)鍵參考。

1 工程背景

一緣煤礦位于和順縣義興鎮(zhèn)鳳臺村北,現(xiàn)主采15#煤,煤層厚度4.50～5.83 m,平均4.87 m。有0～2層夾矸,頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖,底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖。開采方式為綜采放頂煤開采。

由于采用放頂煤方式,采出率較低,需要結(jié)合15#煤的真實條件,利用數(shù)值模擬為輔助,通過對放頂煤放煤方式和放煤步距等重要參數(shù)進行分析,確定開采時的工藝參數(shù)[3-5],從而在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上提高產(chǎn)量。

2 模型建立

綜合考慮150113工作面實際工況條件以及所要研究的重點區(qū)域,并根據(jù)《一緣煤業(yè)生產(chǎn)地質(zhì)報告》和《150113放頂煤綜采工作面回采作業(yè)規(guī)程》等相關(guān)地質(zhì)資料,使用FLAC數(shù)值分析軟件對150113工作面局部區(qū)域進行數(shù)值建模。PFC顆粒流數(shù)值模擬軟件在研究散體材料力學行為以及巖石類材料損傷破壞方面具有極大優(yōu)勢,因此用于模擬煤層[6-10]。

模型長×高=80 m×40 m,共劃分6個地層,從上至下依次為：墊層，石灰?guī)r，泥巖,15#煤，粉砂巖，砂質(zhì)泥巖；生成單元8 478個,節(jié)點17 678個,如圖1所示。模型中部x:10～60,y:7.67～20.42范圍設(shè)置為空模型,為后續(xù)PFC顆粒流建模范圍。

圖1 工作面模型建立

位移邊界:模型上部運動變形自由,不設(shè)約束條件。模型底部為全約束邊界,限制其水平和豎直方向移動,即下部邊界水平和豎直位移均為零;左右邊界采用水平位移約束條件,限制左右邊界的水平方向移動。

應力邊界:根據(jù)150113工作面實際埋深設(shè)置應力邊界。地質(zhì)資料顯示，15#煤平均埋深在503 m,按照2.5 MPa/100 m計算,對數(shù)值模型上部施加的垂直應力為12.5 MPa。各巖層材料參數(shù)如表1所示。

表1 各巖層物理力學參數(shù)

在上述FLAC連續(xù)介質(zhì)模型所設(shè)置的空模型范圍內(nèi)建立PFC顆粒流模型,其煤巖參數(shù)無法直接賦值,而是通過標定的方法不斷調(diào)整顆粒的參數(shù),最終使得模型的力學相關(guān)參數(shù)數(shù)值與試驗得到的值近似。本次模擬得到的煤巖顆?；緟?shù)見表2。

表2 煤巖顆粒的細觀參數(shù)

2.1 傾向模型建立

150113工作面采高2.8 m,放頂煤厚2.65 m,直接頂厚7.3 m,液壓支架中心距1.5 m。因此在2.8 m位置沿x方向建立40個墻面,每個墻面長1.5 m以模擬液壓支架頂梁。在墻面之上2.65 m范圍內(nèi)生成煤顆粒,2.65～9.95 m范圍內(nèi)生成泥巖顆粒,共生成顆粒11 002個。其中煤顆粒半徑為0.08～0.132 8 m,密度1 400 kg/m3,孔隙率0.1;泥巖顆粒半徑為0.1～0.166 m,密度2 550 kg/m3,孔隙率0.1,如圖2所示。

圖2 工作面傾向FLAC-PFC耦合數(shù)值模型

2.2 走向模型建立

在FLAC連續(xù)介質(zhì)模型所設(shè)置的空模型范圍內(nèi)生成煤顆粒和泥巖顆粒,共生成顆粒14 816個,顆粒參數(shù)同上。在距煤層顆粒模型右?guī)?5 m處形成切眼,以減少邊界效應對模擬結(jié)果造成影響,切眼寬7.15 m,高2.8 m。并根據(jù)工作面實際使用的ZF7000-19.5/38四柱支撐掩護式低位放頂煤液壓支架技術(shù)參數(shù),利用墻面建立液壓支架模型,如圖3所示。

圖3 工作面走向FLAC-PFC耦合數(shù)值模型

3 放煤方式的數(shù)值模擬研究

3.1 模擬方案

首先選取工作面傾向模型中位于工作面中部的12#～29#支架,重新編號為1#～18#,以連續(xù)的3個支架為一組,共設(shè)定6組支架,設(shè)計兩種放煤方式,分別為方案一和方案二;之后重新選取位于工作面中部的9#～32#支架,重新編號為1#～24#,以連續(xù)4個支架為一組,共設(shè)定6組支架,設(shè)計一種放煤方式,為方案三。分別對這三個方案的放煤效果進行分析比較。支架分組及編號情況如下圖4所示。

1)方案一:先對1#、3#支架放煤見矸后關(guān)閉放煤口,再對2#支架放煤見矸后關(guān)閉放煤口。之后對7#、9#支架放煤見矸后關(guān)閉放煤口,再對8#支架進行放煤見矸后關(guān)閉放煤口。最后對中間的4#、5#、6#支架進行放煤,放煤順序同上。10#～18#支架放煤順序同1#～9#支架。

(a)三個一組

2)方案二:先對5#支架放煤見矸后關(guān)閉放煤口,再對4#、6#支架放煤見矸后關(guān)閉放煤口。之后對1#、2#支架放煤見矸后關(guān)閉放煤口,再對3#支架進行放煤見矸后關(guān)閉放煤口。最后對中間的7#、8#、9#支架進行放煤,放煤順序同上。10#～18#支架放煤順序同1#～9#支架。

3)方案三:放煤從工作面中間開始分別向兩側(cè)推進,每間隔兩架對一架進行放煤且兩架同時放煤,之后對相鄰的兩架放煤。具體為先對11#、14#支架放煤見矸后關(guān)閉放煤口,再對12#、13#支架放煤;之后對5#、8#支架放煤見矸后關(guān)閉放煤口,再對9#、10#和6#、7#支架放煤;最后對17#、20#支架放煤見矸后關(guān)閉放煤口,再對15#、16#和18#、19#支架放煤。

3.2 模擬結(jié)果及分析

3.2.1方案一

方案一放煤過程模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 方案一放煤過程

結(jié)果分析:從圖5(a)中可以看出,1#、3#支架放煤漏斗疊加所形成的大放煤漏斗上口寬度約6.5 m,覆蓋下方5個支架。由于間隔兩支架的放煤漏斗相互疊加,使得位于兩支架之間的2#支架上方頂煤量極少,放出時易混入大量矸石。因此在模擬過程中,未對2#支架放煤,8#、14#支架亦是如此,同時也就造成了一定的頂煤損失。

對比圖5(a)、(b)和圖5(f)、(h),可以看出,在7#、9#以及16#、18#支架放煤時,會使放煤漏斗整體向右側(cè)偏移,偏移距離約為1.1 m,如圖6所示。這使得4#、13#支架放煤含矸率升高，而1#支架再次被煤覆蓋丟煤率上升。

圖6 放煤漏斗偏移

對每次放煤量及含矸率進行計算,結(jié)果顯示:1#、3#支架放煤7.13 m3,含矸率5.24%,丟煤率3.90%;7#、9#支架放煤6.77 m3,含矸率0.92%,丟煤率3.11%;4#、6#支架放煤1.91 m3,含矸率19.57%;5#支架放煤0.33 m3,含矸率56.16%,丟煤率45.24%;10#、12#支架放煤4.21 m3,含矸率5.91%;11#支架放煤0.33 m3,含矸率37.44%,丟煤率45.24%;16#、18#支架放煤6.05 m3,含矸率2.06%;17#支架放煤0.28 m3,含矸率67.98%,丟煤率42.42%;13#、15#支架放煤1.98 m3,含矸率12.57%,丟煤率12.18%。總放煤30.94 m3,含矸率6.24%,丟煤率4.72%,平均每架放煤1.72 m3。方案一放煤量、含矸率及丟煤率變化情況如圖7所示。

3.2.2方案二

方案二在方案一的基礎(chǔ)上對放煤方式進行了調(diào)整,由方案一的先放每組支架中兩側(cè)的支架先放煤,中間支架后放煤,相鄰三組支架中兩側(cè)的支架組先放煤,中間的支架組后放煤改變?yōu)橹Ъ芙M中間支架先放煤、兩側(cè)支架后放煤,相鄰支架組中間支架組先放煤,兩側(cè)支架組后放煤。放煤過程如圖8所示。

圖7 方案一放煤量、含矸率及丟煤率變化情況

圖8 方案二放煤過程

由圖8可以看出,在1#支架放煤見矸后,其上所形成的放煤漏斗寬度達到7.69 m,覆蓋3#～7#共5個支架；而在4#、6#支架放煤見矸后,放煤漏斗寬度未發(fā)生明顯變化,漏斗傾角由30°增至50°左右。2#支架放煤過程造成相鄰支架上方頂煤向其運動,從而使頂煤在平行于煤壁平面內(nèi)有水平位移,形成不平衡的接觸力,造成頂煤不能均勻地沿著豎直方向從放煤口放出,使得3#支架無煤可放。1#支架放煤過程使放煤漏斗繼續(xù)向左偏移,1#支架放煤見矸后,放煤漏斗向左偏移了0.9 m,漏斗左側(cè)底角由4#、6#支架放煤見矸后的48°增至67°,右側(cè)底角由4#、6#支架放煤見矸后的51°降至46°,呈現(xiàn)出非對稱現(xiàn)象,使得已放煤見矸的6#支架再次被頂煤覆蓋。在后續(xù)對7#～18#支架的放煤過程中,放煤漏斗整體向右偏移,最終放煤漏斗整體向右偏移了1.74 m,造成已放煤見矸的1#支架再次被頂煤覆蓋。

對每次放煤量及含矸率進行計算,結(jié)果顯示:5#支架放煤6.06 m3,含矸率5.14%;4#、6#支架放煤1.82 m3,含矸率34.17%,丟煤率1.56%;2#支架放煤3.04 m3,含矸率18.45%;1#支架放煤1.24 m3,含矸率50.07%,丟煤率1.15%;8#支架放煤3.43 m3,含矸率0.25%;7#、9#支架放煤1.82 m3,含矸率47.84%,丟煤率3.82%;14#支架放煤5.16 m3,含矸率3.61%;13#、15#支架放煤2.19 m3,含矸率22.81%,丟煤率3.82%;11#支架放煤1.39 m3,含矸率8.97%,丟煤率65.08%。10#、12#支架放煤0.59 m3,含矸率94.51%,丟煤率34.92%;17#支架放煤2.75 m3,含矸率11.33%;16#、18#支架放煤0.85 m3,含矸率36.49%,丟煤率25.32%?？偡琶?0.37 m3,含矸率17.23%,丟煤率2.60%,平均每架放煤1.69 m3。方案二放煤量、含矸率及丟煤率變化情況如圖9所示。

圖9 方案二放煤量、含矸率及丟煤率變化情況

3.2.3方案三

根據(jù)方案一和方案二的模擬結(jié)果,設(shè)計了第三種放煤方案,放煤從工作面中間開始分別向兩側(cè)推進,每間隔兩架對一架進行放煤且兩架同時放煤,之后對相鄰的兩架放煤。放煤從工作面中間開始分別向兩側(cè)推進,每間隔兩架對一架進行放煤且兩架同時放煤,之后對相鄰的兩架放煤。具體為先對11#、14#支架放煤見矸后關(guān)閉放煤口,再對12#、13#支架放煤;之后對5#、8#支架放煤見矸后關(guān)閉放煤口,再對9#、10#和6#、7#支架放煤;最后對17#、20#支架放煤見矸后關(guān)閉放煤口,再對15#、16#和18#、19#支架放煤。放煤過程如圖10所示。

圖10 方案三放煤過程

由圖10可以看出,相較于方案一,間隔兩架放煤后,中間架仍有少量頂煤可以放出,而且能夠避免因相鄰架放煤造成的含矸率高的問題。相較于方案二,間隔兩架放煤能夠減弱因放煤漏斗偏移造成的中間架頂煤極少無法放出的問題。

對每次放煤量及含矸率進行計算,結(jié)果顯示:11#、14#支架放煤7.85 m3;12#、13#支架放煤0.98 m3,含矸率18.99%,丟煤率2.86%;5#、8#支架放煤7.66 m3,含矸率4.88%;9#、10#支架放煤0.74m3,含矸率16.88%,丟煤率23.88%;6#、7#支架放煤0.85 m3,含矸率29.19%,丟煤率15.71%;17#、20#支架放煤8.28 m3,含矸率8.28%,丟煤率0.87%;15#、16#支架放煤0.67 m3,含矸率37.44%,丟煤率34.29%;18#、19#支架放煤0.80 m3,含矸率62.63%。總放煤27.82 m3,含矸率8.51%,丟煤率2.93%,平均每架放煤1.74 m3。方案三放煤量、含矸率及丟煤率變化情況如圖11所示。

對比三種放煤方案下平均每架的放出的凈煤量、含矸量以及丟煤量,如圖12所示?？梢钥闯?，方案三凈煤放出量較高,丟煤及含矸量均較少。因此建議選擇方案三作為合理的放煤方式。

圖11 方案三放煤量、含矸率及丟煤率變化情況

圖12 不同放煤方式放煤量、含矸量、丟煤量對比

4 放煤步距的數(shù)值模擬研究

一緣煤業(yè)采煤機型號為MG-250/600-WD型采煤機,截深為0.8 m,因此設(shè)計放煤步距為一刀一放和兩刀一放兩種放煤步距方案,即分別為0.8 m和1.6 m。其中一刀一放割煤10刀,兩刀一放割煤5刀,總推進距離均為8 m。

4.1 一刀一放

一刀一放共進行10次割煤放煤過程,每刀推進0.8 m,數(shù)值模擬結(jié)果如圖13所示。

由圖13可以看出,隨著回采放煤過程的不斷推進,放煤漏斗下口隨支架向前偏移,而漏斗上口偏移有明顯遲滯,使得前方放煤漏斗線斜率不斷增大,而后方放煤漏斗線不斷減小。在推進7.2 m處,支架后方形成橢球形放煤區(qū)域,推進8.0 m處,橢球形區(qū)域進一步擴大。

對每一刀割煤量、放煤量及含矸率進行計算,結(jié)果顯示:第一刀割煤180.96 m3,放煤1 067.64 m3,含矸率3.18%;第二刀割煤188.19 m3,放煤159.24 m3,含矸率25.86%;第三刀割煤177.34 m3,放煤115.813,含矸率29.30%;第四刀割煤180.96 m3,放煤141.15 m3,含矸率20.03%;第五刀割煤184.57 m3,放煤419.82 m3,含矸率21.55%;第六刀割煤206.67 m3,放煤260.58 m3,含矸率21.70%;第七刀割煤202.67 m3,放煤264.20 m3,含矸率14.98%;第八刀割煤195.43 m3,放煤101.34 m3,含矸率27.90%;第九刀割煤177.34 m3,放煤199.05 m3,含矸率25.57%;第十刀割煤173.72 m3,放煤86.86 m3,含矸率19.53%。10刀割煤共計1 867.46 m3,放煤2 815.67 m3,平均含矸率14.86%,丟煤率13.27%。一刀一放割煤量、放煤量及含矸率如圖14所示。

圖13 一刀一放過程

圖14 一刀一放割煤量、放煤量及含矸率

4.2 兩刀一放

對比圖13和圖15可以看出,兩刀一放相比一刀一放丟煤更多,且橢球形放煤區(qū)域形成更早。對每一刀割煤量、放煤量及含矸率進行計算,結(jié)果顯示:推進1.6 m割煤380.01 m3,放煤1 118.31 m3,含矸率0.51%;推進3.2 m割煤383.63 m3,放煤148.38 m3,含矸率11.43%;推進4.8 m割煤390.86 m3,放煤398.10 m3,含矸率11.36%;推進6.4 m割煤390.86 m3,放煤676.77 m3,含矸率14.20%;推進8.0 m割煤358.29 m3,放煤387.25 m3,含矸率24.82%。10刀割煤共計1 903.65 m3,放煤2 728.81 m3,平均含矸率9.53%,丟煤率15.19%。兩刀一放割煤量、放煤量及含矸率如圖16所示。

如圖17所示,對比兩種放煤步距下的放出的割煤量、放出凈煤量、含矸量以及丟煤量可以看出,一刀一放和兩刀一放在割煤量、放出凈煤量方面差別不大,兩刀一放由于減少了放煤次數(shù),其含矸量明顯少于一刀一放,同時由于放煤步距的擴大,其丟煤量較大。綜合考慮放出凈煤量、含矸量以及丟煤量,建議選擇兩刀一放作為合理的放煤步距。

圖16 兩刀一放割煤量、放煤量及含矸率

圖17 不同放煤步距放煤量對比

5 結(jié)論

1)通過對比3種不同放煤方式下的放煤效果,考慮平均每架丟煤量、含矸量、凈煤量,建議采用四架一組的放煤方式,即將工作面中間位置的支架作為首個放煤支架,再向左右兩側(cè)推進,每間隔兩架放一架,最后對間隔的兩架放煤。

2)綜合考慮放出凈煤量、割煤量、含矸量以及丟煤量,建議選擇兩刀一放作為合理的放煤步距,即推薦每1.6 m放煤一次。