急斜煤層運(yùn)移規(guī)律及提高回采率的方法研究

郝志強(qiáng)

(山焦西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 太原 030205)

引 言

煤炭作為人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所必不可少的一種能源，為人類的進(jìn)步提供了巨大的幫助，隨著人類對(duì)煤炭資源開采的不斷深入，急斜煤層等各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤炭開采應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，但受技術(shù)條件的限制人們對(duì)急斜煤層中煤炭的移運(yùn)規(guī)律了解較少，導(dǎo)致井下煤炭的含矸率、采放比過高，回采率偏低，嚴(yán)重影響了煤礦井下的綜采作業(yè)安全和綜采效率。目前對(duì)急斜煤層綜放開采規(guī)律的研究主要集中在優(yōu)化急斜煤層開采時(shí)的支護(hù)和開采機(jī)械設(shè)備的研究，對(duì)急斜煤層的移運(yùn)規(guī)律的研究較少，而急斜煤層的移運(yùn)規(guī)律直接決定了井下的支護(hù)方式和回采效率，因此本文通過對(duì)某礦井下急斜煤層的移運(yùn)規(guī)律的研究提出了優(yōu)化支護(hù)，提升井下煤炭回采效率的方案，具有十分廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

1 煤巖的力學(xué)性能測試研究

本文以某礦為研究對(duì)象，其煤層的厚度約為21 m～27 m，其煤層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，其中含有約7～11層的矸石，其沿著從煤層走向的傾角約為78°～82°，煤巖的硬度約為1.6，其煤層屬于焦煤，在綜采作業(yè)時(shí)采用了分段放頂綜采方案。

為了對(duì)該礦井下綜采面的煤巖的力學(xué)性能進(jìn)行研究，在綜采面取兩組加矸巖層作為分析樣本，將兩組樣本分別編號(hào)為1#和2#，每組取12個(gè)樣本。將1#組樣本在空間內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，將2#組樣本先在自然狀態(tài)下稱重然后進(jìn)行烘干后稱重，之后將烘干的樣本放入清水中充分浸泡，使之充分吸收水分后按1#組樣本的測試方案進(jìn)行點(diǎn)載荷測試[1]，1#組樣本和2#組樣本的測試結(jié)果分布如圖1和圖2所示。

圖1 1#組煤樣的點(diǎn)載荷強(qiáng)度

圖2 2#組煤樣的點(diǎn)載荷強(qiáng)度

由分析結(jié)果可知，2組煤炭樣本的點(diǎn)載荷強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度之間呈線性關(guān)系，1#組煤炭樣本的點(diǎn)載荷強(qiáng)度的平均值為0.3 MPa，2#組煤炭樣本的點(diǎn)載荷強(qiáng)度的平均值為0.27 MPa。

同時(shí)通過對(duì)2#組樣本的承重-烘干-吸水的試驗(yàn)可計(jì)算出煤樣的實(shí)際吸水率，用數(shù)學(xué)公式可表示為式(1)[2]：

(1)

式中：GW為煤炭樣本的吸水量；GS為煤炭樣本完全烘干后的質(zhì)量。

煤炭的吸水率是煤炭的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，其直接影響著煤炭的力學(xué)性能和煤層的移運(yùn)規(guī)律特性。

2 急斜煤層運(yùn)移規(guī)律模擬

在對(duì)煤巖力學(xué)性能進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步研究煤巖的運(yùn)移規(guī)律性，本文采用了PFC顆粒流法來模擬井下煤炭介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用數(shù)值模擬法把煤炭分為多個(gè)具有固定特性的顆粒單元，利用各個(gè)顆粒單元之間的相互作用來表示整個(gè)煤層的應(yīng)力的響應(yīng)特性，從而實(shí)現(xiàn)以局部來模擬整個(gè)煤層的移運(yùn)規(guī)律。

在進(jìn)行煤層的移運(yùn)規(guī)律研究時(shí)，首先建立了放煤時(shí)的顆粒流分析計(jì)算模型[3]，根據(jù)井下綜采作業(yè)時(shí)常見煤炭顆粒的大小，將計(jì)算時(shí)煤塊的大小設(shè)置為1 mm～310 mm，通過高斯隨機(jī)分布的思想來進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建，其放頂煤的計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 放頂煤的顆粒流分析模型

根據(jù)對(duì)放頂煤的顆粒流分析并結(jié)合該礦井下綜采面急斜煤層的實(shí)際地質(zhì)情況，將此次試驗(yàn)時(shí)的流動(dòng)距離設(shè)置為0.9 m～1 m，其模擬的實(shí)際的流動(dòng)距離約為19 m。因此可基本模擬煤礦井下煤矸石的流動(dòng)和放出規(guī)律特性。

3 不同放煤步距對(duì)頂煤回采率的影響

綜采作業(yè)時(shí)的放煤步距是綜采的關(guān)鍵參數(shù)，其對(duì)井下煤矸石的流動(dòng)形態(tài)有較大的影響[4]，因此可直接影響到對(duì)頂煤的回采率。根據(jù)對(duì)井下急斜煤層移運(yùn)規(guī)律的研究，可通過采用不同放煤工藝的方案提升煤礦井下的煤炭回采效率，根據(jù)以上分析結(jié)果，本文提出了一刀一放、兩刀一放和三刀一放三種放煤方案，分別對(duì)其對(duì)頂煤的回收效率的影響進(jìn)行研究。

不同放煤方案下的頂煤的流動(dòng)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同放煤方案下的頂煤的流動(dòng)效果

由圖4可知，當(dāng)采用不同的放煤方案時(shí)所形成的背脊煤的損失量不同，一刀一放情況下的損失量最小，三刀一放情況下的損失量最大，一刀一放情況下對(duì)應(yīng)的放煤步距為600 mm，兩刀一放情況下對(duì)應(yīng)的放煤步距為1 200 mm，三刀一放情況下所對(duì)應(yīng)的放煤步距為1 800 mm。實(shí)際驗(yàn)證不同放煤步距情況下煤炭的回采率變化如圖5所示。

圖5 不同放煤步距條件下的頂煤回收率

由實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，采用一刀一放時(shí)頂煤的相對(duì)回收率約為86.2%，兩刀一放時(shí)頂煤的相對(duì)回收率約為85.6%，三刀一放時(shí)頂煤的相對(duì)回收率約為84.3%。整個(gè)放煤過程中頂煤的回收率隨著放煤步距的增加而逐漸降低。而當(dāng)采用低放煤步距的情況下，在放煤時(shí)煤炭所受到的阻力較低，更容易實(shí)現(xiàn)放煤。

4 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有的急斜煤層綜采作業(yè)時(shí)回采率低下的問題，對(duì)井下煤巖的力學(xué)特性和移運(yùn)規(guī)律進(jìn)行了研究，根據(jù)研究結(jié)果提出了提升頂煤回采率的方案，不同方案的驗(yàn)證結(jié)果表明：

1) 煤巖在常規(guī)狀態(tài)下的點(diǎn)載荷強(qiáng)度的平均值為0.3 MPa，吸水飽和后的點(diǎn)載荷強(qiáng)度的平均值為0.27 MPa，表明煤巖的抗剪強(qiáng)度地下，容易受力發(fā)生破壞，特別是含水量較高是更容易發(fā)生垮塌。

2) 放煤步距和頂煤回采效率關(guān)系密切，放煤步距越大其回采率越低，因此采用一刀一放(放煤步距為600 mm)，能夠顯著降低井下的移架次數(shù)，降低煤體阻力，節(jié)約開采工時(shí)，提升井下的綜采作業(yè)效率。