大采高綜放工作面合理采高和放煤步距優化研究

摘 要：本文在以往研究成果的基礎上通過運用數值模擬、理論分析等多種研究方法，研究和分析厚煤層大采高綜合放頂煤工作面合理采高和放煤步距等工藝參數的優化計算。應用FLAC3D軟件模擬不同采高對應力場分布、剪應力場分布、位移分布等影響結果，應用PFC軟件對放煤步距等工藝參數進行分析，模擬得出4m采高為相對合理的割煤高度，4m采高條件下，為提高頂煤回收率，可以采用一刀一放順序放煤。

關鍵詞：數值模擬;放煤步距;大采高;綜放

同煤集團同忻煤礦位于大同市西南大約20km的位置，處于大同煤田的東北部，行政隸屬大同市南郊區。井田含煤二十余層，其中可采十三層，由上向下為：2#-1， 2#-3， 3#， 4#， 7#， 9#， 10#， 11-1，11#-2， 12#-1、 -2、14#、15#層，均為弱粘煤，為優質動力用煤。揮發性高、發熱量高，硫分比其它礦偏高。井田內各煤層頂、底板多為細粉砂巖互層、細砂巖或中、粗粒砂巖，有時為礫巖和頁巖，一般為鈣質膠結及泥質膠結，致密堅硬。

1建立數值模型

為 了系統的分析工作面采場的圍巖受力與工作面巷道變形關系的過程，以同忻礦8106工作面的開采技術條件作為背景，建立起了三維計算模型用來數值模擬，模擬軟件選用FLAC3D。模型沿走向長度100m，傾向長度100m，高度120m，包括頂、底板的巖石層和煤層，其中煤的厚度9.20m。模型一共有114666個三維單元，122012個節點。模型上部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量，底面限制垂直移動，側面限制水平移動。

根據現場的取樣分析和巖石力學的試驗結果，當載荷加載到極限強度后，巖體發生破壞，在峰后的塑性流動中，巖體的殘余強度隨著變形逐漸減小。

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式中，c和φ分別是粘結力和摩擦角，σ1、σ3分別是最大和最小主應力，當fsgt;0時，材料產生剪切破壞。巖體具有較高的抗剪切強度，抗拉強度相對較低，所以巖體一般以受拉破壞形式為主。因此，可以根據巖石的抗拉強度判斷巖體是否破壞。

考慮到巖石的尺度效應，根據相關機構研究所提供的現場的調查結果與巖石力學試驗，模擬計算時采用的巖石力學參數見表1。

8106工作面煤層平均埋藏深度為860m，平均巖體容2500KG/m3，由此可求得上覆巖層產生的垂直應力為-13Mpa，因此在模型上部施加13Mpa的垂直應力，同時加入構造應力的影響，取垂直應力與水平應力相等，為13MPa。在模型兩側同時施加13MPa的水平應力。

2 分析模擬結果

2.1 不同的采高剪切應力分布

當采煤的高度從3m到4.5m時，隨著采高的不斷增大，工作面煤壁發生的剪切應變率逐漸會增大：

①當采煤的高度達到3m時，剪切應變主要會發生在煤壁的下方，深度在1000mm左右，高度在2500～3000mm左右。

②當采煤高度達到4m時，剪切應變會發生在煤壁上方，高度和深度都有了不少的增加，在煤壁前方2m～2.5m內都發生了剪切應變，頂板里也有了剪切應變。

③當工作面割煤的高度到4.5m時，剪切應變能布滿整個煤壁。但煤壁的上方產生了較大的剪切應變，說明煤壁片幫會首先發生在煤壁上方。

2.2 不同采高位移場分布

采高分別是3.0m，3.50m，4.0m和4.50m時，因為工作面開采，煤壁會產生一種工作面推進方向的水平位移。隨著采高的增大位移會逐步增加，最大水平應力發生在工作面煤壁偏上方向。

工作面無支護空間易被破壞和冒落的原因，從3m到4. 5m隨采高逐漸加大，煤壁上方和接近頂板的地方以及直接頂和煤壁接近的拐彎處產生顯著的水平應力、垂直應力和剪應力集中區。

2.3 應力場在不同采高時的分布規律

工作面開采會重新分布應力場，在工作面前方會集中水平、垂直應力，超前支承壓力是垂直應力集中后形成的。為了更好的掌握現場礦壓的顯現規律，需要分析應力集中程度和應力場的分布。

不同割煤高度（3.0m，3.50m，4.0m，4.50m） 水平應力場和垂直應力場分布，隨著工作面的不斷推進，煤壁的前方5m～15m內會產生集中應力，隨著開采高度的不斷增加，應力集中峰值會逐漸向煤壁的深處移動，集中系數不斷增大，同時影響范圍也逐漸增大。當采煤的高度大于4m時，會劃分更細的應力等值線，應力環境將會比普通工作面更加復雜。

垂直和水平應力分布之處有許多相似，隨著采高增大，應力影響的范圍不斷增大，集中程度不斷增加，峰值往工作面的深處轉移。

分析水平、垂直應力場的以上特征，隨著采高的不斷增加，垮落帶的同時增大，上覆巖層難以形成穩定的結構，表現在應力場范圍增大，集中點前移形成的結構支撐點前移。

3 放煤工藝參數優化

3.1 放煤步距優化

確定合理放煤步距可以使煤炭損失和含矸率都減少到允許的范圍。影響放煤步距的因素主要有采煤機的截深、放煤口中心高度、支架放煤口的長度以及頂煤的厚度、頂煤裂隙發育致使頂煤破碎后塊度大小等。合理的放煤步距既要控制煤的含矸率，又要保證頂煤回收率。

放煤步距必須大于放煤口的長度，避免一開始放煤就混矸。放煤的步距越小，就會引起老塘混矸;放煤的步距越大，放煤步距的損失量就會增加。確定一種合理的放煤步距，可以使混矸和煤炭損失都降低到合理的范圍里。大采高下的綜放工作面，由于頂煤冒落碎裂的空間增大，采高較大，礦山壓力的破煤作用增強，頂煤在礦山壓力和支架支撐力的雙重作用下破碎，放煤的流動性好。

由工作面實際情況確定，有效的試驗距離以18～20m為宜，因為是等比例制作模型，PFC軟件模擬的實際距離為18～20m之間，基本能夠反映放出和流動之間的規律。考慮到目前采煤工作面常用的放煤工藝，本試驗考慮三種工藝：

①一刀一放;

②兩刀一放;

③三刀一放。

三種放煤步距的模擬方案如下：

方案a為：放煤步距為0.8m，一刀一放;

方案b為：放煤步距為1.6m，兩刀一放;

方案c為：放煤步距為2.4m，三刀一放 。

3.2 計算結果分析

為了方便分析和研究，在本課題中認定頂煤相對回收率就是頂煤放出量所占當下割煤推進范圍頂煤總量的比例。

各種放煤方案，頂煤放出率如表2所示，頂煤放出率最大的模式是方案a，該方案頂煤回收率最大為85.6%;最低的方案是方案c，該方案下頂煤回收率最大為78%。所以頂煤的回收率：放煤步距為0.8m分別比放煤步距為1 .6m與2.4m時高4.5%和9.7%。

可以得出，同忻礦8106工作面采煤機機采高度為4.0m，放煤步距采用方案a最合適。

表2 "不同放煤模式頂煤回收率計算

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4 結論

本文結合同忻礦8106工作面的生產環境，經過對不同的機采高度和放頂煤的步距模擬的結果分析，對厚煤層大采高綜采放頂煤工作面的放頂煤工藝進行了工藝優化，通過對厚煤層大采高綜放面參數的研究，得出如下結論：

①經過模擬數值確定了同忻礦8106工作面合理的放煤步距，說明4m大采高綜放開采也能滿足9m左右厚煤層的要求;同時也確定了放煤步距為一刀一放的方式，認為該方式煤體受阻較小，同時節約工時，頂煤回收率較高。

②在綜采放頂煤中，回收率和含矸率一直都是相互制約的指標，由于8106工作面頂煤中未發現明顯的夾石層，故放頂煤時應防止頂板矸石混入煤流中。

參考文獻：

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