近距離煤層合并綜放開采放煤工藝優化研究

蔣銀華 梁 峰 李志華

(1.淮北礦業股份有限公司袁店一井煤礦，安徽省淮北市，235137；2.安徽理工大學能源與安全學院，安徽省淮南市，232001)

綜采放頂煤技術在我國經過近30年的不斷試驗和實踐，取得重大突破，使綜采放頂煤技術成為我國主要的厚煤層安全高效采煤方法之一[1-3]。在綜放工作面的開采過程中，放煤工藝是重要的環節之一，選擇合理放煤方式和放煤步距是提高工作面產量、提升原煤品質和煤層采出率的重要措施[4]。我國學者針對具體的工作面工程地質條件，通過數值模擬、相似模擬和現場實測確定了合理的放煤工藝參數[5-9]。以往開展的有關綜放開采放煤工藝研究主要是針對厚煤層及特厚煤層進行的，而近距離煤層合并綜放研究的卻很少。本文在前人研究成果的基礎上，以袁店一井煤礦822工作面為背景，應用PFC2D數值模擬軟件，對比分析不同放煤步距、放煤方式對頂煤采出率和含矸率的影響，確定最優放煤工藝參數。

1 工作面概況

袁店一井煤礦822工作面煤層賦存較穩定，81煤層厚1.00～3.50 m，平均厚2.57 m，82煤層厚0.80～4.90 m，平均厚2.66 m。81與82煤層間距0.50～4.00 m，平均為1.98 m，夾矸以泥巖(灰—深灰色、塊狀、泥質結構，見大量植物化石碎片)為主。煤層傾角3°～8°，平均傾角為6°。工作面標高為-295～-394 m，工作面走向長度965 m，面長155 m。81煤層直接頂為泥砂巖互層，厚度為4.22～8.45 m，平均為6.36 m，深灰色，泥質結構，層狀構造，含較多根化石。

81、82煤層若采用分層綜采，將存在巷道布置復雜、掘進率高、再生頂板的形成時間長等問題。另外，82煤層為易燃煤層，81煤層回采后，回采82煤層時極易發生煤層自燃，對安全生產構成威脅。故822工作面決定采用綜放開采，在82煤層底板進行回采，綜放回采總厚度平均為7.21 m。工作面使用ZFH9600-17.4/28型支架以及ZFG9600-20/28型過渡支架。采煤機型號為MG500/1180-AWD。根據工作面地質條件及設備選型，確定工作面采高2.5 m，放煤高度為4.71 m，采放比為1∶1.9。

2 放煤步距的PFC2D數值模擬分析

PFC2D(Particle Follow Code 2 Dimension)軟件是美國 ITASCA 公司和明尼蘇達大學聯合開發的商用 DEM 軟件，適用于研究顆粒集合體的破裂和破裂發展，以及大位移的顆粒流問題，是一款用于模擬復雜固體力學問題和顆粒流問題的有效工具[10-12]。

2.1 數值模擬模型構建

822工作面開采的煤層屬近水平煤層，可忽略煤巖層傾角的影響。模型長15 m，高12 m。數值模擬主要研究放煤工藝，因此可以不考慮割煤。夾矸厚2.0 m，頂煤厚3.0 m，頂板厚6.0 m。煤巖物理力學參數見表1。

表1 822工作面煤巖物理力學參數

在模型底部設置與水平面成40°的墻體來模擬支架掩護梁。當放煤口見頂板矸時關閉放煤口，完成一次放煤。然后支架前移一個放煤步距，模型運算平衡后，開始下一次放煤。具體放煤前準備如圖1所示，圖中黃色顆粒代表夾矸，黑色顆粒代表頂煤，其余代表頂板矸石。

圖1 放煤步距數值模型

2.2 放煤步距模擬方案

為研究不同放煤步距下夾矸、頂煤和頂板的放出規律，統計出頂煤放出率和含矸率。根據采煤機截深，特設定3種放煤步距：一采一放，放煤步距為0.6 m；兩采一放，放煤步距為1.2 m；三采一放，放煤步距1.8 m。

考慮到“見矸關窗”雖然能嚴格控制含矸率，但是會影響采出率。因此在模擬過程中按放煤口附近同時出現2個頂板顆粒時關閉放煤口的原則進行。為了便于對3種模擬方案含矸率、采出率等關鍵指標進行對比分析，3種方案均模擬工作面采12刀煤，則一采一放放煤12次，兩采一放放煤6次，三采一放放煤4次。

2.3 放煤步距模擬過程

2.3.1 一采一放

一采一放頂煤放出情況如圖2所示。由圖2可知，放煤口后方即為頂板矸石，放煤口上方先是夾矸，然后才是頂煤。在放煤口打開初始放出夾矸時就已經有少量采空區矸石混入放煤口，這時若“見矸關窗”，則導致頂煤無法放出，造成大量的煤炭損失。放煤口上方煤矸顆粒受重力作用，向下運移速度要比放煤口后方矸石顆粒向放煤口水平運移的速度快，利用頂煤運移的這一特征，可繼續放煤，雖然放出矸石量會增加，但是頂煤采出率也同時增大。

圖2 一采一放放煤過程

2.3.2 兩采一放

采空區矸石和放煤口上方頂板矸石同時到達放煤口，可以及時關閉放煤口，頂煤含矸率低。

2.3.3 三采一放

當支架前移后，放煤口上方和后方均為夾矸和頂煤。打開放煤口后，放煤口上方的頂煤和矸石一同流向放煤口，頂煤會被上部矸石代替，在放煤口上方會形成一個放煤漏斗。放煤口上方煤矸顆粒向下運移速度要比放煤口后方煤矸顆粒運移速度快，放煤口上方頂板矸石先于采空區側頂煤到達放煤口，堵塞放煤口，導致后方一部分頂煤無法放出。

2.4 放煤步距模擬結果分析

數值模擬過程中在放煤口下方設置容器，統計分析工作面從開始位置到推進12刀時放出的煤量和矸石量，就可以得出不同放煤步距放煤效果。3種放煤步距工作面都推進12刀共7.20 m，厚度取1個單元，該范圍內含有頂煤30.24 t，夾矸36.00 t。3種放煤步距放煤效果如表2所示。

表2 3種放煤步距放煤效果對比

一采一放的總放煤量為25.72 t，頂煤放出率為85.05%，要高于三采一放的頂煤放出率。但是放出矸石量和含矸率是3種放煤步距中最高的，含矸率達到67.63%。因此一采一放時在提高放煤量的同時也增加了放出矸石量。

兩采一放的總放煤量為27.14 t，頂煤放出率為89.75%，含矸率為62.50%。放煤量和頂煤放出率是3種放煤步距中最高的，而含矸率最低。

三采一放的總放煤量為22.56 t，頂煤放出率為74.60%，是3種放煤步距中最低的。放煤口上方大量頂板矸石同時到達放煤口，頂板矸石粒徑大，容易堵塞放煤口，可以及時關閉放煤口，放出的矸石量最低，為40.69 t。但是由于放煤量小，導致含矸率要略高于兩采一放，為64.33%。

3 放煤方式的PFC2D數值模擬分析

3.1 放煤方式模擬方案

工作面初始模型如圖3所示。模型長15 m，高12 m，共有連續的10個支架，放煤口寬度為1.5 m。模擬分析5種放煤方式對放煤效果的影響。

圖3 工作面初始模型

(1)單輪間隔放煤：先打開1#、3#、5#、7#、9#單號支架上的放煤口放煤，見頂板矸石后關閉放煤口，再放2#、4#、6#、8#、10#雙號支架。

(2)單輪順序放煤：放煤順序按1#、2#、3#、…、10#放煤口順序放煤，見頂板矸石后關閉放煤口。

(3)多輪間隔放煤：先放1#、3#、5#、7#、9#單號支架夾矸，見煤關閉放煤口，然后放2#、4#、6#、8#、10#雙號支架夾矸，同樣見煤關閉放煤口；之后再放單號支架上方頂煤，最后打開雙號支架放煤。

(4)多輪順序放煤：放煤順序按1#、2#、3#、…、10#放煤口順序將夾矸放出，見煤關閉放煤口；之后再順序打開1#、2#、3#、…、10#放煤口放出頂煤。

(5)單輪交替放煤：類似于單輪間隔放煤中的的第一輪放煤方式，只打開1#、3#、5#、7#、9#單號支架上的放煤口放煤，且見矸石關閉放煤口，雙號支架不放。

3.2 放煤方式模擬過程

3.2.1 單輪間隔放煤

單輪間隔放煤過程如圖4所示。

圖4 單輪間隔放煤過程

圖4(a)表示9#放煤口放煤剛結束時的形態，在放煤口上方形成放煤橢球體，9#放煤口關閉后，橢球體表面的煤巖顆粒仍然向放煤口運移，填補留下的空間，導致相鄰兩側放煤口上方的一部分頂煤會滑入到9#放煤口而不能放出，形成頂煤損失。當單號支架放煤結束后，由于兩相鄰單號架之間隔著一個雙號架，在雙號放煤口上方形成呈直墻半圓拱狀的“脊背煤”(下方夾矸，上方頂煤)。

3.2.2 單輪順序放煤

單輪順序放煤過程如圖5所示。圖5(a)為3#放煤口放煤剛結束時的形態，在放煤口上方形成放煤橢球體，3#放煤口關閉后，橢球體表面的煤巖顆粒仍然向放煤口運移，導致4#放煤口上方的一部分頂煤會滑入到3#放煤口上方而不能放出，形成頂煤損失。

3.2.3 多輪間隔放煤

822工作面支架上方存在一層厚度達2 m的夾矸，夾矸上方才是頂煤，根據此工作面特點提出了多輪放煤方式。多輪間隔放煤過程如圖6所示。

圖5 單輪順序放煤過程

圖6 多輪間隔放煤過程

圖6(a)和圖6(b)分別為單號、雙號支架放完夾矸的形態，由于每次放出的夾矸量較少，煤巖分界面下降平穩，可以減少混矸。圖6(c)為打開單號放煤口進行放煤形態，同樣會在單號放煤口上方形成放煤橢球體，相鄰兩側放煤口上方的少部分頂煤會滑入到單號放煤口而不能放出，形成頂煤損失。

3.2.4 多輪順序放煤

多輪順序放煤過程如圖7所示。圖7(a)為所有支架第一輪順序放夾矸結束，可以看出在每個放煤口兩側有一部分夾矸無法放出，放矸過程中，煤巖分界面均勻下降。圖7(b)為10#放煤口頂煤放出形態，放煤口上方形成冒落拱，減緩了頂板矸石運移速度，保證有足夠的時間放出頂煤。

圖7 多輪順序放煤過程

3.2.5 單輪交替放煤

單輪交替放煤過程類似于單輪間隔放煤，如圖4(a)所示，只對單號支架進行放煤，會在雙號支架留下一定的脊背煤(夾矸)。這種放煤方式雖然有一部分夾矸會遺留在采空區，放出矸石量低，但是同時在夾矸上方也有一定量的頂煤會遺留在采空區，造成頂煤放出率低。

3.3 放煤方式模擬結果分析

5種放煤方式放煤寬度15 m，厚度取1個單元，該范圍內含有頂煤63 t，夾矸75 t。放煤效果如表3所示。

通過表3可以看出，單輪順序放煤頂煤放出率較低，為81.94%，而放出矸石量最高，為85.50 t，含矸率達到62.35%。單輪交替放煤方式雖然放出矸石量是最低的，但是放煤量也是最低的，僅58.98 t，含矸率最高，達到64.02%。可見在降低放出矸石量的同時要提高放煤量。單輪間隔、多輪順序和多輪間隔3種放煤方式頂煤放出率較高，約為90%，而含矸率較低，約為58%?？紤]到多輪放煤方式放煤工藝復雜，不好操作，所以確定采用單輪間隔放煤方式。

表3 五種放煤方式放煤效果對比

4 現場實踐

根據數值模擬研究，822工作面采用兩采一放、單輪間隔放煤方式。經過現場實踐表明，工作面夾矸能夠破碎成小塊，不存在懸頂，未出現夾矸堵塞放煤口現象，放出的夾矸塊度和頂煤相當，粒徑較小，約為4～10 cm，夾矸和頂煤具有很好的冒放性。直接頂為泥砂巖互層，呈灰白色大塊，容易堵塞放煤口，在放煤過程中放煤工容易分辨出頂板矸石，可以及時關閉放煤口。因此，工作面頂煤采出率高、含矸率低，頂煤采出率88%，含矸率65%。822工作面于2018年7月1日開始放煤，于2018年12月31日共生產原煤82萬t，最高月產量達17.3萬t。

5 結論

(1)對比分析了一采一放、兩采一放、三采一放3種放煤步距，單輪順序、單輪間隔、多輪順序、多輪間隔和單輪交替5種放煤方式放煤效果，確定工作面合理放煤步距為兩采一放(放煤步距為1.2 m)，合理放煤方式為單輪間隔放煤。

(2)分析不同放煤方式頂煤損失原因可知：相對于多輪放煤，單輪放煤一次放煤(矸)高度更高，形成的放煤橢球體體積更大，相鄰放煤口上方會有更多的頂煤滑入到放煤口而不能放出，造成更多頂煤損失。

(3)822工作面無論采用何種放煤工藝，都必須將頂煤下方的夾矸放出后，才能放出頂煤，如果按夾矸2.0 m、頂煤3.0 m計算，含矸率最低為54.35%。