特厚煤层综放开采顶煤放出率影响因素分析

许力峰，张 勇，李 立，张 保，李俊峰，李宗超

(中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京100083)

综放开采是随着我国开采技术的不断提高与采煤机装备高可靠性、高强度发展而结合起来的针对特厚煤层的一种新型高产高效综放开采方法，是厚及特厚煤层进一步提高单产水平、实现安全高效高采出率的重要途径［1－2］。目前在我国特厚煤层综放开采实践过程中，对煤岩冒放与顶板活动规律的研究仍处于探索阶段［3］。同时煤层厚度的加大对大采高支架的适应性提出了更高的要求，亟需进行深一步研究。

针对此问题，采用PFC2D圆形离散单元体数值模拟软件对山西兴县金地煤矿大采高工作面不同采高情况下散体顶煤的冒放规律进行数值模拟，统计随采高变化顶煤放出率，分析大采高液压支架位态及其他影响因素对顶煤放出率的影响，研究大采高散体顶煤的运动规律，为大采高放顶煤开采提供依据。

1 建立数值模型

山西兴县金地煤矿首采综放工作面开采13号煤层，伪俯斜布置，走向长110～115m，平均为112.5m，倾向长1520～1615m，平均1567m。煤层厚度为10.89～12.98m，平均11.94m，可采指数100%;井田内地层平均倾角为21°，工作面伪俯斜角度为15°。13号煤层顶底板均为泥岩，伪顶泥岩0.62m，基本顶为砂岩，煤层的围岩力学性质及稳定性均较差。根据矿井工作面地质概况建立模型，模型中煤厚12m，按照顶板载荷为4～8倍采高的原则，散体顶板选取22m，分为2层，下分层为10m，上分层为12m，各煤岩层的物理力学参数见表1。

现场采用低位放顶煤液压支架，结合现场支架位态观测结果，根据不同机采高度下液压支架的各参数，数值模拟建立了可以改变支架高度和掩护梁倾角的低位放顶煤支架模型，见表2。割煤截深为0.8m，模型高34m，工作面推进长度66.6m。

表1 煤岩物理力学参数

表2 液压支架参数

分别对3m，3.5m，4m，4.5m和5m共5种采高情况散体顶煤动态放出形态与顶煤放出率进行模拟，研究合理的开采机采高度，并对特厚煤层开采煤岩的冒放规律进行分析。

2 模拟结果分析

2.1 顶煤放出率分析

模拟过程分别采用一刀一放、两刀一放和三刀一放3种放煤步距，模拟工作面推进30刀时的顶煤冒落和放出过程，按照“见矸关门”和“遇拱人工不处理”的原则统计顶煤放出量，根据本文的研究内容，暂不考虑顶煤初、末采及端头顶煤损失，尽量准确地计算和统计顶煤放出率。根据模拟结果，统计出5种机采高度下，3种放煤步距的顶煤放出率关系曲线，如图1所示。

图1 机采高度与顶煤放出率关系曲线

由图1可知，顶煤放出率随机采高度增加整体呈下滑趋势。两刀一放在3种放煤步距中顶煤放出率是最高的，3种放煤步距情况下均为3m机采高度时顶煤放出率最高，最高为两刀一放时的93.04%。机采高度从3m增至4m过程中，顶煤放出率降低较缓慢，最高下降了1.84%，随后降低幅度较大，直至机采高度5m时放出率达到最低，最低为三刀一放时的78.41%。机采高度从4m增至5m时，3种放煤步距情况下顶煤放出率分别下降了11.32%，9.60%和11.31%。由此可见，机采高度以及液压支架各参数的变化对顶煤放出率有很大影响，根据图1的结果，机采高度3m时两刀一放放煤步距情况下顶煤放出率最高。

2.2 顶煤放出率的影响因素

2.2.1 液压支架掩护梁倾角对放出椭球体的影响

根据放煤理论、相似模拟及数值模拟试验［8，11］，为简化分析定义沿工作面走向推进方向放煤步距范围内的煤岩放出体为放出椭球体，β为液压支架掩护梁倾角，随着机采高度的增加而变大，见图2。

图2 综放开采放出椭球体

将支架后方和上方的煤矸分界线分为两段线段，支架上方且靠近支撑梁侧的斜线段为上部煤矸分界线la，支架正后方且靠近支架掩护梁侧的斜线段为后部煤矸分界线lb。2条分界线与椭球体相切是最理想的放煤状态，此时顶煤放出率最高。图2是椭球体与后部煤矸分界线相切的情况，切点为A。模拟结果显示，一刀一放、三刀一放两种放煤步距情况下顶煤放出率均低于两刀一放，主要是由于这两种放煤步距分别低于和高于合理放煤步距，一刀一放时，后方矸石先于上方矸石到达放煤口，造成支撑梁上方一部分煤体不能及时放出而出现煤损;三刀一放时，上方矸石先于后方矸石到达放煤口，在放煤步距间留有较多的煤体而不能放出。两刀一放为最接近合理放煤步距的情况，以下主要考虑两刀一放放煤步距。

根据以往学者提出的放出椭球体理论以及建立的综放开采的放出椭球体模型［4－7］，在综放开采中支架掩护梁倾角会对支架上方和后方的煤矸运动产生不同的影响，其会利于支架后方的顶煤向放煤口运动，而不利于支架上方和前方的顶煤向放煤口运动，进而造成支撑梁上方丢煤量的增加，从而影响了椭球体的放出量，使椭球体放出量随着支架掩护梁倾角的增大呈现减小的趋势。图4为5种采高下综放开采放出椭球体模拟结果。

图4 不同采高下综放开采放出椭球体模拟结果

2.2.2 煤矸分界线的稳定性

在大采高综放开采放煤过程中，随着采高的增加，散体煤矸在运动方向上的重力分量增大，导致煤矸流动的速度变快，在一定程度上会提高顶煤的放出效率;另一方面，必会对煤矸分界线的稳定性产生影响。通过监测放煤过程中煤矸分界线上首放矸石及其周围散体煤的速度－时间曲线，研究对顶煤放出率的影响。煤矸分界线只有处于稳定状态时可放区顶煤才被完全放出，前提是煤矸分界线处的顶煤按各自迹线同时到达放煤口。在自然状态下煤矸分界线受外界因素的影响很难达到这种稳定状态，其多数处于紊乱状态，致使放煤损失在自然状态下不能完全消除［8］。图5为随机监测的不同采高情况下煤矸分界线上的首放矸石及其周围的散体顶煤放出时的速度－时间曲线，图中速度最后急剧增大的转折点所对应的时刻为单元体从放煤口放出的时刻，其中虚曲线表示首放矸石的放出时刻。由图5可知，采高为3m，4m，5m时的首放矸石和周围顶煤放出的时间间隔分别为2000时步、8000时步和14000时步，说明随着采高的增加煤矸分界线的稳定程度降低。这主要是由于随着采高及液压支架掩护梁倾角的变大，支架上方的顶煤距放煤口的距离变大，放煤时采空区侧矸石易超前顶煤提前到达放煤口，造成煤矸分界线的紊乱，同时煤矸在放出前的速度波动范围变大，流动性相对增强，造成放顶煤过程中混矸程度的加剧，从而影响支架上方顶煤放出的充分性。大采高综放开采由于采放比、掩护梁倾角和放煤口尺寸变化导致的放煤速度快和混矸程度加剧的特点已被现场放煤实践所证明［9］。

图5 不同采高顶煤首放矸石速度－时间曲线

2.2.3 煤矸成拱

煤矸成拱是影响顶煤放出率的一个重要因素［8］，煤矸成拱后直接造成顶煤无法放出而使顶煤回收率降低并影响放煤效率。对模拟放煤过程中煤矸成拱的次数进行了统计，得出两刀一放时不同采高情况下顶煤的成拱次数，如表3所示。

表3 不同采高下煤岩的成拱次数

由表3可看出，随着采高的增加，煤矸成拱的几率大幅度增大。煤矸成拱是放顶煤过程中采煤工艺、机械设备、矿山压力等共同影响的结果。根据散体介质理论［10］，一方面由于放煤口尺寸影响，使散体顶煤矸易在放煤口处挤压成拱;另一方面顶煤矸放出速度的加快，造成其在放出过程中相互挤压摩擦的几率增大，易形成平衡结构成拱。故成拱次数随采高的增大而增多的概率变大，顶煤放出率则相应降低。

综合以上对顶煤放出率影响因素的分析研究，山西兴县金地煤矿13号煤层首采综放工作面选取3m为合适采高，以达到较高顶煤放出率和生产效率的目的。

3 现场应用

山西兴县金地煤矿首采综放工作面采高为3m，工作面平均煤层厚为11.94m，放顶煤高度为8.94m，采放比约为1∶3，采用支撑掩护式低位放顶煤液压支架，煤机截深0.8m，两刀一放，对首采工作面进行了现场观测，观测结果见表4。

由表4可以看出，此种方案下工作面采出率平均值达到了81.96%，并且在观测期间，液压支架并未出现损坏现象，工作稳定良好。故该方案可以在该工作面及相似条件下工作面推广采用。

4 结论

(1)通过PFC2D离散单元体法模拟了特厚煤层低位放顶煤5种采高情况散体顶煤的冒放规律及顶煤放出率，结果显示随着采高的增加，顶煤放出率呈下降趋势，采高3m时两刀一放放煤步距情况下顶煤放出率最高，达到93.04%;通过理论分析得出顶煤放出率随低位放顶煤支架掩护梁倾角增大而降低，并由模拟结果证明了其正确性。

表4 现场实测统计数据

(2)随机监测了不同采高下首放矸石及其周围顶煤放出时的速度－时间曲线，得出随着采高的增加煤矸分界线的稳定程度降低，速度波动范围变大，造成煤矸分界线的紊乱及混矸程度的加剧，从而影响顶煤放出率。统计了5种采高下顶煤放出时煤矸成拱的次数，结果表明成拱次数随采高的增大而增多的概率变大，顶煤放出率相应降低。

(3)在实际生产中工作面采高为3m，采放比约为1∶3，煤机截深0.8m，两刀一放，观测期间工作面取得了较高的顶煤回收率，故该方案可以在该工作面及相似条件下工作面推广采用。

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