富夾矸近距離煤層合并綜放開采合理機采高度研究

宋 剛

(中煤天津設計工程有限責任公司,天津 300131)

綜采放頂煤工藝因其單產高,成本低,適應性好的特點,廣泛應用于厚煤層開采[1]。厚煤層在適宜的條件下,應當優先考慮放頂煤開采方法[2]。機采高度作為礦井綜放開采過程中重要的開采技術參數,決定了煤層采放比,控制著煤炭采出率、割巖比例、含矸率[3]。合理的機采高度將有效增加煤炭采出率、降低含矸率,是頂煤冒放性的關鍵指標。

針對厚煤層綜放開采工藝參數、頂煤損傷、頂煤運移特征等問題已取得大量研究成果。王家臣等[4-7]基于自制頂煤冒放裝置及數值計算,系統總結了不同采放比、機采高度、放煤步距等條件下頂煤運移特征,提出了BBR頂煤冒放體系;劉長友等[8-9]對綜放開采過程中頂煤結構演化及其對頂煤冒放性的影響進行了分析;張錦旺等[10-12]對不同煤層傾角條件下放煤形態、頂煤損失、含矸率進行了分析,確定了最佳放煤工藝;劉闖等[13]認為,多放煤口放煤可以顯著提升放煤效率;黃炳香等[14]對大采高低位綜放開采放煤工藝參數進行了研究。潘偉東等[15-16]應用跟蹤儀對單輪順序、多輪順序放煤方式進行了現場實測;楊勝利等[17]對近距離煤層合層綜放開采敏感性指標進行了分析;王伸等[18]分析了特厚煤層間隔放煤對放煤漏斗形態的影響并提出放煤控制程序;王國法等[19]以現場實踐為基礎,提出了堅硬煤層超大采高合理機采高度的確定方法;解興智等[20]對堅硬頂煤進行預裂,實現了高效綜放開采;楊俊哲[21]提出了一種提升厚煤層冒放性的開采方法。

不同煤層覆巖條件、物理力學參數條件下頂煤運移特征差異性較大,前人對機采高度、放煤方式等研究一般是針對特定地質條件下,忽略了煤巖賦存條件下的復雜性。基于此,本文以大南湖七礦一分區5+6煤合并綜放為工程背景,以一分區不同鉆孔柱狀為基礎,建立不同煤層賦存條件、不同采放比條件下數值計算模型,以采出率、割巖率為指標確定最佳機采高度。

1 工程背景

大南湖七礦一分區內5+6煤總厚度為6.0～10.0 m,含0～7層夾矸,夾矸隨機分布在各個層位,單層夾矸厚度0.2～3.1 m,整體夾矸厚度1.6～4.9 m,巖性以碳質泥巖為主。部分鉆孔(ZK486、ZKJ207、ZK491、ZK4812、ZKJ206等)對應柱狀圖見圖1所示。

2 5+6煤合并綜放冒放性數值模型建立與分析

2.1 模擬方案及參數設定

本文以下列假設為前提:①頂煤顆粒以準剛體形式運移;②支架上方破碎頂煤可自由冒落;③假定無片幫及端頭冒落情形,是一種理想放煤過程。

采用PFC3.0數值計算軟件對5+6煤合并綜放冒放性進行分析。針對以上9個地質鉆孔的煤巖層數據進行逐一模擬分析,機采高度定為2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m共5種,模擬方案及其采放比如表1所示。

圖1 一分區地質鉆孔簡化示意圖Fig.1 Simplified schematic diagram of geological boreholes in the first division

表1 不同機采高度下地質鉆孔采放比Table 1 Mining-caving ratio of geological boreholes under different cutting heights

表2 模型材料顆粒力學參數Table 2 Granular mechanics parameters of model materials

2.2 基礎模型及邊界條件

模型設計尺寸為:X×Y=110 m×50 m。其中,兩邊留設30 m以避免邊界效應。模型四周及底部為固定約束。不同鉆孔柱狀條件下初始模型見圖2所示。

2.3 模擬結果分析

為了提高研究結果的準確性,本次數值模擬對工作面初次放煤直至第6次放煤分別進行模擬分析,通過內置Fish語言代碼,對不同巖層顆粒進行統計分析,最終得到不同開采方案下的煤層采出率與含矸率等相關數據。由于模擬案例較多,僅對ZK207、ZK4910進行詳細分析,其他鉆孔僅分析結果。

圖2 不同地質鉆孔初始模型示意圖Fig.2 Initial model diagram of different geological boreholes

針對鉆孔ZK486柱狀可知,當機采高度設置為2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m及4.0 m,模型的煤層厚度為6.61 m,即放頂煤的高度分別為4.61 m、3.11 m、3.61 m、3.11 m及2.61 m。不同機采高度條件下,第6次放煤模擬結果如圖3所示。

圖3 不同機采高度下鉆孔ZKJ207工作面頂煤冒放效果Fig.3 Top-coal caving effect of borehole ZKJ207 at different cutting heights

1)當機采高度為2.0 m的工作面進行初次放煤時,由于放煤口高度較低,放煤口處發生煤矸堵塞,有大部分頂煤沒有放出;當工作面完成6次放煤后,矸石運移至放煤口,導致大量頂煤遺留于采空區。

2)當機采高度為2.5 m的工作面進行初次放煤時,放煤口上方串矸現象比較嚴重,導致過早關窗,造成頂煤放出量較少;當工作面完成第6次放煤后,仍有大量頂煤丟失在采空區中,煤矸互竄現象較嚴重,有較多頂煤損失在了煤矸交界處,含矸率和煤矸互竄現場相關性較大,可用含矸率特征進行分析。

3)當機采高度為3.0 m的工作面進行初次放煤時,支架上方存在小部分煤矸互竄情況,導致了過早關窗,一小部分頂煤損失;當工作面完成第6次放煤后,放出后的煤矸互竄情況較少,較為均勻地分布在采空區中,頂煤采出率能得到保證。

4)當機采高度為3.5 m、4.0 m的工作面進行初次放煤時,煤矸分界線較為明顯,頂煤大部分被放出;當工作面完成第6次放煤后,放煤期間頂煤損失量較少,采空區內留有少量遺煤,但因機采高度的增加,使得開采尺寸空間增大,部分矸石可能先于頂煤達到放煤口,容易提高含矸率。

鉆孔ZK4910頂煤運移特征見圖4所示。在工作面進行初次放煤時,當機采高度為2.0 m時,放煤口上方有大部分頂煤沒有放出,主要由于放煤口高度較低,放煤過程中多次形成“煤矸組合拱”,造成過早關窗;當機采高度為2.5 m時,放煤口上方串矸現象嚴重,頂煤采出程度不高;當機采高度為3.5 m、4.0 m時,煤矸分界線較為明顯,基本上沒有煤矸互竄現象,頂煤大部分被放出。

圖4 不同機采高度下鉆孔ZK4910工作面頂煤冒放效果Fig.4 Top-coal caving effect of borehole ZK4910 at different cutting heights

在工作面完成第6次放煤后,機采高度為2.0 m、2.5 m對應的煤矸互竄現象明顯,導致關窗提前,不利于頂煤采出;當機采高度大于3.0 m時,煤矸互竄程度明顯降低,但仍有小部分矸石先于頂煤到達放煤口,這對頂煤采出率影響程度較小。

空間直線和平面：平面，空間直線，直線和平面平行，直線和平面垂直，兩個平面平行，兩個平面垂直，研究位置關系的概念、判定和性質.

不同鉆孔柱狀對應的含矸率、放煤高度、采出率見圖5。隨著機采高度的增加放煤高度呈線性降低,采放比在1∶0.65～1∶3之間。頂煤采出率及煤炭采出率均隨機采高度增大而增大,不同鉆孔對應的頂煤采出率增大幅度和煤炭采出率增大幅度不同,且均以機采高度3.0 m為轉折點,增幅呈現先增大后減小趨勢,這和煤矸互存條件相關性較大。除個別鉆孔外,含矸率隨機采高度增大表現出先增大后減小再增大趨勢,機采高度為3.0 m時為第一個轉折點。

(a) 放煤高度

(b) 頂煤采出率

(c) 煤炭采出率

(d) 含矸率

3 合理機采高度方案確定

3.1 基于頂煤冒放效果的合理機采高度

根據不同地質鉆孔對應的煤巖層結構進行放頂煤開采,數值模型運算結果以及數據統計分析結果如下。

在工作面初次放煤以及第6次放煤過程中,對于地質鉆孔ZKJ207、ZK4812、ZKJ206、ZK482、ZKJ208、ZK492所對應的煤巖層結構,當機采高度為2.0 m、2.5 m時,放煤口上方存在竄矸現象,頂煤放出量較少,當機采高度逐漸增大為3.0 m、3.5 m、4.0 m時,支架上方煤矸分界線較為明顯,煤矸互竄情況較少,頂煤大部分被放出。對于鉆孔ZK491、ZK4910所對應的煤巖層結構,當機采高度為3.0 m時,煤矸分界線較為均勻,但支架上方出現少量的煤矸互竄情況。

當工作面由初次放煤至第6次放煤過程中,頂煤采出率隨機采高度依次為2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m而逐漸增大。對于鉆孔ZKJ207、ZK4812、ZKJ206、ZK4910、ZK482、ZKJ208、ZK492所對應的煤巖層結構,當機采高度超過3.0 m后,頂煤采出率增大趨勢放緩;對于鉆孔ZK491所對應的煤巖層結構,當機采高度超過3.5 m后,頂煤采出率增大趨勢放緩。對于含矸率來說,含矸率隨機采高度增大表現出先增大后減小再增大趨勢,機采高度為3.0 m時為第一個轉折點。

因此,相對于其他開采方案而言,當機采高度為3.0 m時,有利于提高頂煤冒放性,保證煤炭采出率,降低含矸率。

3.2 基于采煤機割巖比例的合理機采高度

根據礦井一分區地質鉆孔揭露的5號煤、6號煤及其夾矸的賦存特征,計算得到不同鉆孔煤巖結構在機采高度為2.0～4.0 m開采方案下的采煤機割巖比例,即采煤機截割巖層(夾矸)厚度與截割總厚度(機采高度)的比值,計算結果如6所示。

由圖6(a)可知,對于一分區開采范圍內的9處地質鉆孔所揭露的煤巖層結構。其中,有7處鉆孔(ZK486、ZKJ207、ZK4812、ZKJ206、ZK482、ZKJ208、ZK492)在機采高度為3.0 m時,其采煤機割巖比例小于機采高度為3.5 m和4.0 m時的割巖比例。由圖6(b)可知,機采高度由2.0 m增至4.0 m時,采煤機割巖總比例逐漸增大,具體分為兩個階段:機采高度為2.0～3.0 m時,割巖總比例緩慢增加;機采高度由3.0 m增加到4.0 m時,割巖總比例急劇增加。因此,機采高度為3.0 m的開采方案,在有效減小采煤機割煤比例的同時,最大限度地保證了機采高度,對放頂煤開采較為有利。

圖6 割巖比例結果統計Fig.6 Rock-cutting ratio results

綜上,基于提高頂煤冒放性、保證煤炭采出率、控制含矸率以及降低采煤機割煤比例等角度進行綜合分析,確定研究方案三,即大南湖七礦一分區5+6煤合并綜放合理機采高度為3.0 m。

4 結論

1)隨著機采高度的增大,各鉆孔首次放煤難易程度逐漸降低,機采高度為2.0 m時放煤口易堵塞,機采高度為2.5 m時串矸現象嚴重,導致含矸率較大。

2)頂煤采出率及煤炭采出率均隨機采高度增大而增大,不同鉆孔對應的頂煤采出率增大幅度和煤炭采出率增大幅度不同,且均以機采高度3.0 m為轉折點,增幅呈現先增大后減小趨勢。

3)割巖總比例、含矸率以機采高度等于3.0 m為轉折點,分別呈現先緩慢增加后急劇增加趨勢及先增大后減小再增大趨勢。

4)基于提高頂煤冒放性、保證煤炭采出率、控制含矸率以及降低采煤機割煤比例等角度進行綜合分析,5+6煤合并綜放工作面合理機采高度為3.0 m。