采空區(qū)全息探測技術(shù)與頂煤運移的時空演化規(guī)律研究

頂煤回收率是厚煤層綜放開采的核心問題，長期以來飽受爭議，是學(xué)界和工程界高度關(guān)注的焦點問題。大同塔山礦，主采煤層為石炭系3-5#層，厚度達20 m，受火成巖侵入影響，煤層與頂板都受到不同程度的破壞，且大同礦區(qū)煤層具有“兩硬”特點，開采時條件極其復(fù)雜。國內(nèi)外一次開采的煤層厚度最大不超過14 m，而對于塔山礦一次開采厚度達20 m 煤層后形成的采空區(qū)是何種形狀，與放煤工藝之間有何種關(guān)系，如何在保證安全開采條件下，高效、高回收率的回收煤炭是亟待解決的難題。

針對此問題，采用洞穴三維激光掃描探測儀，獲得采空區(qū)空間體積及形狀等相關(guān)信息，并結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測等方法對頂煤運移規(guī)律進行深入系統(tǒng)研究，獲得采空區(qū)全息探測技術(shù)與頂煤運移的時空演化規(guī)律，形成了完善的理論技術(shù)體系。主要在以下方面取得了創(chuàng)新性成果：

1.首次基于洞穴三維激光掃描探測系統(tǒng)，探明了不同時刻、不同頂板條件下特厚煤層綜放開采采空區(qū)頂板頂煤垮落形態(tài)；提出了頂煤冒放的“面接觸塊體拱”模型及其形成條件，揭示了煤巖物理力學(xué)、頂板來壓特征等因素對煤矸分界線的影響規(guī)律。

(1)頂煤“成拱”實測分析

①采用洞穴三維激光掃描探測儀進行實測分析。在工作面進行多次觀測，探明不同時刻、不同頂板條件下特厚煤層綜放開采采空區(qū)頂板頂煤垮落形態(tài)，也證明其“成拱”的必然性。

圖1 頂煤“成拱”實測圖

圖2 采空區(qū)三維激光掃描圖

圖3 頂煤及夾矸厚度不同時頂煤放出率變化

圖4 夾矸厚度相同頂煤厚度不同頂煤放出率變化

(2)相似材料模擬及數(shù)值模擬研究。利用巴厘石和河沙等散體材料模擬破碎后的頂煤，進行相似材料模擬試驗，結(jié)合PFC 數(shù)值計算建立了頂煤運移規(guī)律結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，探索了頂煤放冒規(guī)律。

(3) 提出頂煤冒放的“面接觸塊體拱”模型理論。特厚煤層綜放開采中，破碎的煤體可能以點接觸的方式形成鉸接觸結(jié)構(gòu)，也可能以面的形式形成面接觸的結(jié)構(gòu)，但隨著接觸點的破壞，接觸方式也會由點接觸轉(zhuǎn)為面接觸，基于此，提出了“面接觸塊體拱”結(jié)構(gòu)模型(圖5)。

圖5 煤層“成拱”受力平衡圖

2.采用數(shù)值模擬方法，分析了綜放液壓支架尾梁后方頂煤冒落形態(tài)、頂煤運移規(guī)律及其影響因素，揭示了荷載、壓力拱跨長、高跨比等因素對塊體拱的作用機制。

(1)頂煤“成拱”數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：放煤過程中，冒落頂煤在尾梁矸石堆積之間有拱形屈服應(yīng)力分布區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)頂煤自由冒落到輸送機上被運走，而在拱形區(qū)域上方的頂煤則受該拱的阻擋影響，不能充分放落，使回收率降低。

(2)通過對頂煤自架后放出的力學(xué)行為對放煤效果的影響、掩護梁及架后巖堆對放煤形成“面接觸塊體拱”的高度、跨度影響規(guī)律、極限跨度理論研究，得到了形成“面接觸塊體拱”結(jié)構(gòu)的力學(xué)機理、動力學(xué)機理和相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(3)現(xiàn)場實測研究

①采用現(xiàn)場深基點測試得到了實際的頂煤位移情況。實測結(jié)果表明：頂煤的層位不同，其位移發(fā)生的初始點也不同，層位越高，頂煤位移始動點距離工作面煤壁越遠(yuǎn)。

②在工藝巷內(nèi)布置采空區(qū)壓力監(jiān)測儀及應(yīng)力監(jiān)測點。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隨著頂板來壓，采空區(qū)壓力逐漸增加；當(dāng)巖層破斷時，巖移躍升，支架來壓瞬間增加。鉆孔密度高，監(jiān)測手段多，各方法相互驗證，提高了監(jiān)測精度和可靠性，同時也向全息采礦邁進。

3.提出了特厚煤層綜放開采條件下頂煤冒放性評價方法，提出了消除頂拱效應(yīng)對策與措施，對頂煤回收率進行了預(yù)測，優(yōu)化了塔山礦特厚煤層開采放煤工藝。

(1)頂煤破壞過程及冒放性研究，通過對頂煤的破碎過程及影響頂煤冒放性等指標(biāo)進行定性與定量分析，運用模糊數(shù)學(xué)分類方法，對頂煤冒放性進行了分類研究，同時引入煤體損傷概念，得出塔山煤礦頂煤放出率為n=75.36%，冒放難度中等。

(2)頂煤注水軟化。采用注水軟化后，頂煤硬度得到了一定的弱化，減小了頂煤的塊度。從現(xiàn)場采煤效率來看，注水軟化后，頂煤放出率提高5%左右。

(3)選擇新型放煤支架及強擾動裝置。選用四柱式綜放支架，放煤架寬度由1.5 m 提高到1.75 m，采煤支架高度由3.5 m 增大到5.2 m，并加大放煤口尺寸。在支架設(shè)計時設(shè)置專門的強擾動放煤裝置（圖6）。通過現(xiàn)場實踐，頂煤放出率提高了4%。

圖6 ZF15000/28/52 放頂煤支架

(4)放煤工藝優(yōu)化

①PFC3D數(shù)值模擬，對不同放煤方式放煤過程進行分析，獲得特厚煤層大采高放頂煤開采的基本規(guī)律及最優(yōu)的放煤方式，結(jié)果表明：無論是順序放煤還是間隔放煤多輪放煤回收率均高于單輪放煤。

②不同放煤工藝現(xiàn)場實測，對頂煤進行探測，根據(jù)頂煤厚度及結(jié)構(gòu)，選擇合理放煤工藝。具體包括增加放煤輪次、保證放煤時間及主動擾動，通過實測研究，給出不同頂煤厚度放煤輪次、放煤時間、主動擾動次數(shù)等參數(shù)。根據(jù)夾矸厚度情況，對放煤工藝進行適當(dāng)調(diào)整，通過上述措施，工作面回收率提高了5%左右，同時提高了生產(chǎn)效率。

本項目在理論與技術(shù)上取得了進展，2020年1月4日經(jīng)中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織專家鑒定：研究成果達到了國際先進水平。應(yīng)用以來，塔山礦8301工作面新增產(chǎn)值3 807.7 萬元，新增利稅400.87 萬元，經(jīng)濟社會效益顯著，同時該成果具有很強的示范性。