鄒莊礦大傾角綜放開采放煤工藝參數(shù)模擬研究

周 鵬，李志華，王 偉，江山山，劉 程

(1.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽神源煤化工有限公司 鄒莊煤礦，安徽 宿州 235128)

我國(guó)大傾角煤層儲(chǔ)量占探明儲(chǔ)量的20%，其煤炭產(chǎn)量占全國(guó)煤炭總產(chǎn)量的10%[1].在大傾角煤層開采中，如何提高大傾角綜放工作面放頂煤率仍然是一個(gè)重要的研究課題。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)以上課題進(jìn)行了大量的研究。高喜才等分析了大傾角煤層不同傾角條件下綜放開采覆巖運(yùn)移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)大傾角煤層上、中、下3個(gè)區(qū)域的放煤量比例應(yīng)為3∶2∶1[2].黃志增等從采煤方法的確定、工作面設(shè)備的選擇、液壓支架的防落防滑等方面對(duì)綜放開采技術(shù)進(jìn)行了研究，并解決了古山三井遇到的開采難題[3-4]。苑搏等研究了大傾角綜放工作面不同放煤順序下的放頂煤率，得出上行式放煤放頂煤率最優(yōu)的結(jié)論[5]。孫利輝等研究了不同煤層傾角下的煤矸運(yùn)移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了傾角越大回采率越低的現(xiàn)象[6-7]。崔道品等研究得出了不同地質(zhì)條件下的煤層在不同開采高度、不同放煤步距和方式下的放頂煤率[8-10]。

本文以鄒莊煤礦72號(hào)大傾角煤層為背景，以數(shù)值模擬為研究方法，對(duì)大傾角綜放開采放頂煤工藝參數(shù)進(jìn)行研究，以期在實(shí)際生產(chǎn)中取得良好的放頂煤效果。

1 工作面地質(zhì)概況

鄒莊煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣南坪鎮(zhèn)，本文研究對(duì)象為72煤層，煤厚0.6～11.20 m，平均5.36 m，煤層厚度變化大，屬于不穩(wěn)定煤層。72煤層傾角范圍在28～45°，平均傾角為35°.工作面走向長(zhǎng)度為1 258 m，傾斜長(zhǎng)度平均為100 m.7401工作面東臨7403工作面，西到F120斷層保護(hù)煤柱線及四含防水煤柱線，北接四采區(qū)中組煤一區(qū)段軌運(yùn)巷、集中回風(fēng)巷，南為礦井18勘探線。頂?shù)装鍘r性見表1.

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

2 合理放煤步距的數(shù)值模擬研究

2.1 放煤步距數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)鄒莊煤礦72煤層綜放工作面地質(zhì)條件制作長(zhǎng)度15 m，高度9 m的模型。由于工作面走向?yàn)榻矫簩?，因此模型?gòu)建為水平模型，根據(jù)7401綜放工作面實(shí)際采高在2.4～2.6 m,垂直方向上構(gòu)建為2.8 m煤層及6.0 m頂板，如圖1所示，白色顆粒代表頂板，黑色顆粒代表煤層。模型中煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表2.

圖1 工作面初始模型

表2 工作面煤巖物理力學(xué)參數(shù)

具體放煤前準(zhǔn)備如圖2所示。根據(jù)鄒莊煤礦實(shí)際開采過程中使用的采煤機(jī)截深630 mm，因此主要模擬三種不同的放煤步距，分別為一采一放(0.6 m)、兩采一放(1.2 m)和三采一放(1.8 m)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)三種放煤步距下的頂煤放出率及含矸率。

圖2 放煤前準(zhǔn)備

2.2 模擬結(jié)果分析

三種不同的放煤步距下的模擬結(jié)果如圖3所示，頂煤放出率和含矸率對(duì)比見表3.

圖3 三種不同的放煤步距數(shù)值模擬

表3 不同放煤步距下的頂煤放出率與含矸率統(tǒng)計(jì)

從上述圖表可以看出： 隨著工作面放煤步距的增大，放頂煤率和煤矸石含量都在逐漸降低。在放頂煤過程中，當(dāng)放煤步距較大時(shí)，上部矸石會(huì)隨著頂煤的放出而大量下移，在放煤口上方形成一個(gè)漏斗堵塞放煤口，導(dǎo)致后部煤體無法放出，放頂煤率低，此時(shí)放煤口處煤矸分界線明顯，易于掌握放煤口的關(guān)閉時(shí)機(jī)，含矸率低。而放煤步距較小時(shí)，由于其多次放煤的特性，有利于頂煤的破碎，放煤口處頂煤放出后，在放煤口處會(huì)出現(xiàn)一定程度的煤矸混合，此時(shí)應(yīng)繼續(xù)放煤直至放煤口出現(xiàn)大量矸石時(shí)關(guān)閉放煤口，頂煤放出率較高。

綜上所述，三種放煤步距相比，一采一放的放頂煤率較高。分析3種放煤步距的放煤效果可知，采用一采一放的方式最合理。

3 合理放煤方式的數(shù)值模擬研究

3.1 放煤方式數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)鄒莊煤礦72煤層傾向角度構(gòu)建工作面模型，長(zhǎng)度12 m，高15 m，模擬頂煤厚度2.8 m，直接頂厚度10.5 m，傾角35°，如圖4所示。共有連續(xù)的10個(gè)支架，放煤口大小為1.5 m.放煤順序有工作面上端從上向下與工作面下端從下向上放煤2種。鄒莊煤礦7401工作面煤層平均厚度為5.36 m，小于6 m，因此在數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中不考慮多輪放煤方式，放煤方式模擬單輪順序放煤與單輪間隔放煤2種。根據(jù)需要，對(duì)上述方案進(jìn)行組合模擬，通過數(shù)值模擬結(jié)果比較放頂煤率及含矸率。

圖4 工作面初始模型

3.2 模型結(jié)果分析

依次模擬了4種不同的放煤方式，模擬結(jié)果如圖5所示。放頂煤率和含矸率的比較見表4.從上述圖表可以看出：

圖5 四種不同的放煤方式數(shù)值模擬

表4 不同放煤方式下的頂煤放出率與含矸率統(tǒng)計(jì)

1) 單輪順序放煤方式的放頂煤率優(yōu)于單輪間隔放煤。在放煤過程中，單輪順序放煤方式放煤時(shí)頂煤的流動(dòng)空間較大，相鄰支架之間的頂煤與矸石有充足的空間進(jìn)行運(yùn)移，使得上部頂煤更加破碎，放頂煤率更高；且單輪順序放煤時(shí)頂煤僅從一方流動(dòng)至放煤口，不易產(chǎn)生擠壓拱，更加有利于頂煤的放出。

2) 單輪順序上行放煤方式的放頂煤率優(yōu)于單輪順序下行放煤。在放煤過程中，上行放煤因下部頂煤的不斷放出，上部頂煤會(huì)更加破碎并在重力的影響下不斷下移直至放煤口，放頂煤率更高；下行放煤則是優(yōu)先放出上部頂煤，導(dǎo)致上部矸石不斷下移，隨著下方的放煤口打開和下部頂煤一起放出，增大含矸率的同時(shí)還會(huì)阻礙下部頂煤的放出。

綜上所述，權(quán)衡頂煤放出率和含矸率兩個(gè)方面，應(yīng)優(yōu)先采用單輪順序上行放煤方式。

4 工程應(yīng)用

通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)以上幾種放煤工藝方案進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)幾種放煤結(jié)果比較分析后，一采一放與單輪順序上行放煤方式放煤頂煤采出率最高，平均為85%，高于其他放煤工藝近5%.

安徽淮北鄒莊煤礦72煤層現(xiàn)場(chǎng)采用一采一放與單輪順序上行放煤方式放煤，于2021年共生產(chǎn)原煤58.4萬(wàn)t，解決了鄒莊煤礦72煤層的開采難題，大大提高了煤炭資源采出率，對(duì)工作面的高產(chǎn)高效提供了顯著幫助。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 由三種不同的放煤步距數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，放煤步距越大，其頂煤放出率越低。綜合來看，選用一采一放的放煤步距最為合理。

2) 通過四種不同的放煤方式數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，單輪順序放煤方式在頂煤放出率及含矸率兩個(gè)方面都要優(yōu)于單輪間隔放煤方式；綜合比較單輪順序上行放煤與單輪順序下行兩種放煤方式，分析兩種上部煤矸的運(yùn)移趨勢(shì)后，得出選用單輪順序上行放煤方式不僅可以提高放頂煤率，還大大降低了含矸率的結(jié)論。

3) 通過研究，確定了鄒莊煤礦72煤層綜放工作面合理的放煤步距、放煤方式和放煤順序，在實(shí)際生產(chǎn)中效果顯著，為類似工程的安全高效開采提供了參考。