提高綜放工作面采出率技術(shù)研究

蘆寶玉

(山西石港煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 左權(quán) 032612)

綜采放頂煤采煤法具備巷道布置簡(jiǎn)單、回采效率高、人力成本低等特點(diǎn)，隨著采煤工藝的不斷優(yōu)化與開采設(shè)備的不斷革新，已經(jīng)逐步成為一種中國(guó)特色的先進(jìn)采煤技術(shù)[1]。綜放開采生產(chǎn)效率高，產(chǎn)量大，但由于放煤過(guò)程中，部分頂煤無(wú)法放出，導(dǎo)致其資源回收率較低，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，綜放開采平均資源回收率僅為約80%，造成了大量的資源浪費(fèi)，對(duì)此，大量學(xué)者進(jìn)行了研究：張錦旺[2]通過(guò)建立頂煤放出的BBR分析體系，研究了煤巖分界面、頂煤放出體、頂煤放出率及含矸率之間的影響關(guān)系，提出了煤巖分界面的簡(jiǎn)化拋線模型；劉龍飛[3]通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，針對(duì)大傾角綜放工作面放煤采出率及含矸率進(jìn)行分析，優(yōu)化了工作面工藝技術(shù)參數(shù)，對(duì)大傾角液壓支架防倒滑措施提出優(yōu)化方案；沈玉旭[4]采用數(shù)值模擬方法，模擬頂煤爆破效果及工作面切頂垮落礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，結(jié)果表明，爆破切頂后較不切頂相比垂直應(yīng)力上升速度明顯加快，且前者普遍大于后者，切頂后頂煤破壞程度明顯；李鵬翔[5]通過(guò)數(shù)值模擬方法，模擬綜放工作面不同采高情況下工作面端頭、中部圍巖破壞情況，分析了不同采高情況下煤壁穩(wěn)定性，最終確定礦區(qū)合理的采放比為1∶0.85；商鐵林[6]采用數(shù)值模擬方法模擬不同采高及放煤步距時(shí)，頂板圍巖破碎情況，結(jié)果表明，兩采一放頂板破碎效果較一采一放頂板破碎效果更好。

述研究成果雖然在一定程度提高了綜放工作面開采資源回收率，但由于都是針對(duì)個(gè)別礦井進(jìn)行研究，對(duì)綜放開采提高資源回收率的廣泛適應(yīng)性仍較片面。因此，本文以石港煤業(yè)15203綜放工作面為背景，通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬方法，對(duì)綜放開采合理提高資源回收率進(jìn)行研究。

1 工程背景

石港煤業(yè)15203工作面平均埋深520 m，工作面走向長(zhǎng)度756 m，傾向長(zhǎng)度155 m，煤層平均厚度7.1 m，平均傾角6°，屬近水平煤層，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采方法，采高2.5 m，放煤高度4.6 m，采放比1∶1.84。煤層賦存穩(wěn)定，一般含2層夾矸，節(jié)理發(fā)育。具體頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1。目前工作面開采時(shí)產(chǎn)生的煤炭損失主要包括初采損失及端頭損失，因此，有必要通過(guò)技術(shù)手段改進(jìn)當(dāng)前采煤工藝以增加工作面煤炭資源回收率。

表1 15203工作面頂?shù)装鍘r性特征

2 支護(hù)解除機(jī)理分析

工作面頂板在錨桿、錨索布設(shè)完備的情況下，直接頂以懸吊作用固定在上方穩(wěn)定巖層中，此時(shí)巷道頂板受三向應(yīng)力狀態(tài)，難以及時(shí)垮落。當(dāng)錨桿、錨索支護(hù)解除后，此時(shí)巷道頂板處于雙向應(yīng)力狀態(tài)，上覆巖層產(chǎn)生的壓力與工作面回采產(chǎn)生的應(yīng)力容易對(duì)巷道頂板產(chǎn)生影響，最終使其垮落。

1) 錨桿支護(hù)解除。錨桿支護(hù)解除主要指去除錨桿托盤，錨桿托盤去除以后，錨桿失去錨固力，巷道上方直接頂與上位巖層之間的懸吊作用消失，此時(shí)容易使巷道頂板發(fā)生垮落。

2) 錨索支護(hù)解除。錨索支護(hù)解除其作用與錨桿支護(hù)解除類似，去掉錨索端頭機(jī)具后，錨索產(chǎn)生的錨固力消失，巷道上方頂板與上位巖層的懸吊作用消失，同樣能夠幫助巷道頂板發(fā)生垮落。

支護(hù)解除前后巷道應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示。

圖1 支護(hù)解除前后巷道應(yīng)力狀態(tài)

支護(hù)解除按其位置不同主要?jiǎng)澐譃橐韵聝煞N：

1) 回采巷道支護(hù)解除。在回采巷道中，進(jìn)行支護(hù)解除措施，除了要解除頂板的錨桿、錨索外，巷道截割幫部的錨桿也要解除，支護(hù)解除后，能夠幫助頂板及時(shí)垮落，降低圍巖應(yīng)力集中程度，同時(shí)對(duì)巷道上隅角瓦斯治理具有明顯作用，通過(guò)支護(hù)解除，幫助頂板垮落，端頭支架可放出頂煤，能夠有效提高煤炭資源回收率。

2) 開切眼支護(hù)解除。在切眼處同樣可以進(jìn)行支護(hù)解除措施以幫助頂煤提早垮落，切眼支護(hù)除了要解除頂板的錨桿、錨索外，截割幫部的錨桿也需要解除，解除支護(hù)后，能夠使工作面上方的頂煤提前垮落，避免頂板大面積懸頂，幫助維護(hù)工作面圍巖穩(wěn)定，同時(shí)提高煤炭資源回收率。

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)

3.1 模型建立

為了驗(yàn)證上述分析的合理性，采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)模型尺寸為：295 m×150 m×183 m，模型左右兩側(cè)預(yù)留50 m邊界煤柱，主要觀測(cè)煤層開挖后，上覆巖層位移分布情況，因此，建立模型時(shí)自上而下分層建立，主要包括基巖層、頂板、煤層、底板。各巖層巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 15203工作面頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

3.2 邊界條件及模擬方案

采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系對(duì)模型進(jìn)行定義，對(duì)模型前后左右四個(gè)方向約束位移，固定底板，頂板自由，在頂板施加均布載荷模擬未建模巖層產(chǎn)生的應(yīng)力，分別模擬分析在支護(hù)解除前后頂板下沉情況以表征頂煤放出效果。

支護(hù)解除的機(jī)理在于將頂板的錨桿去除托板、錨索去除端頭機(jī)具，目的是釋放錨桿、錨索提供的預(yù)緊力以使頂板由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為雙向應(yīng)力狀態(tài)。因此，數(shù)值模擬通過(guò)給錨桿、錨索施加不同的預(yù)緊力表征支護(hù)解除前后錨桿受力狀態(tài)，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 解除支護(hù)方案設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

開切眼解除支護(hù)前頂煤初次垮落如圖2所示。由圖2可知，工作面在解除支護(hù)前推進(jìn)至14 m時(shí)，頂板下沉量不明顯，說(shuō)明此時(shí)的頂板巖層仍表現(xiàn)的較為完整，頂板未發(fā)生垮落；工作面持續(xù)推進(jìn)，當(dāng)工作面推進(jìn)至15 m時(shí)，此時(shí)頂板下沉量驟增，最大下沉量集中在巷道中部，以巷道中部為分界線向巷道兩側(cè)依次遞減，此時(shí)，頂板最大下沉量已達(dá)到2.5 m，說(shuō)明頂板發(fā)生垮落。

開切眼解除支護(hù)后頂煤初次垮落如圖3所示。由圖3可知，工作面在解除支護(hù)后推進(jìn)至7 m時(shí)，頂板下沉量不明顯，說(shuō)明此時(shí)的頂板巖層仍表現(xiàn)的較為完整，頂板未發(fā)生垮落；工作面持續(xù)推進(jìn)，當(dāng)工作面推進(jìn)至8 m時(shí)，此時(shí)頂板下沉量驟增，最大下沉量集中在巷道中部，以巷道中部為分界線向巷道兩側(cè)依次遞減，此時(shí)，頂板最大下沉量已達(dá)到2.5 m，說(shuō)明頂板發(fā)生垮落。

圖2 支護(hù)解除前頂板初次垮落位移分布云

圖3 支護(hù)解除后頂板初次垮落位移分布云

對(duì)比圖2、圖3，能夠發(fā)現(xiàn)，在解除頂板支護(hù)后，頂板初次垮落步距為8 m，較解除支護(hù)前相比，垮落步距縮短了7 m，由此能夠分析得出，解除支護(hù)后頂板垮落變得更為容易，由于其頂板上方為頂煤，故能夠幫助工作面提高放煤效率，提高資源回收率。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

石港煤業(yè)15203工作面實(shí)行支護(hù)解除后，頂板初次垮落步距縮短7 m，結(jié)合石港煤業(yè)15203綜放工作面采煤作業(yè)技術(shù)參數(shù)，計(jì)算通過(guò)支護(hù)解除后增加放煤產(chǎn)量如下：

T=Lhaηρ

(1)

其中：T為解除支護(hù)后煤炭增加產(chǎn)量，t；L為工作面長(zhǎng)度，取155 mm；h為頂煤厚度，取4.6 m；a為垮落步距縮短量，取7 m；η為放頂煤采出率，取93%；ρ為煤體密度，取1.4 t/m3。

經(jīng)計(jì)算：T=6 498 t。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，在解除支護(hù)前，15203工作面初次垮落步距為15 m，解除支護(hù)后，初次垮落步距降至8 m，與支護(hù)解除前相比，支護(hù)解除后頂板初次垮落步距縮短了7 m。

2) 當(dāng)在切眼實(shí)行支護(hù)解除后，15203綜放工作面能夠多回收煤炭產(chǎn)量6 498 t，資源回收率得到有效提高。