厚煤层煤炭开采顶煤放出模拟分析

刘晓斌

(晋能控股煤业集团永定庄煤业公司，山西 大同 037024)

引 言

厚煤层的分布是我国煤炭资源的主要分布形式，对于厚煤层的开采多采用厚煤层放顶煤的方式进行。随着煤层厚度的增加，现有放顶煤方式无法满足特厚煤层的开采，采用手动放顶煤的方式，由于人工操作过程中的不规律及工序设备的配合不到位，往往造成过早的关闭顶门，不能有效的全部放出顶煤，造成煤炭的回收率低，降低了矿井的经济效益。针对厚煤层及特厚煤层时，顶煤的放出规律进行研究[1]，通过仿真模拟不同厚度煤层顶煤的放出规律，更好的制定相应的放顶煤时间，保证顶煤的充分放出，提高煤矿的经济效益。

1 厚煤层顶煤放出模型的建立

采用CDEM软件对厚煤层及特厚煤层顶煤的放出规律进行分析，该软件通过将有限元及离散元计算相互进行耦合的方式实现块体的有限元、离散元及颗粒离散元分析，可以实现对顶煤放出过程及煤矸石状态的模拟[2]。

依据煤层的赋存条件，对煤层进行建模，由于在开采过程中，顶煤的放出过程受到液压支架、刮板机的尺寸位置等影响，在建模过程中，依据实际的工况条件，进行围岩之间的耦合模拟[3]。煤层分布平均厚度为20 m，含有不同厚度、不同等级的泥岩、砂岩等，为了顶煤的放出规律进行分析，建立沿工作面方向的煤层及直接顶的模型。工作面的长度为200 m，采用圆形颗粒表示破碎后的顶煤及直接顶，工作面模型，如图1所示。

图1 煤层分布模型图

2 顶煤厚度不同对顶煤放出的影响分析

不同顶煤厚度对于开采过程中顶煤的破碎机放出具有不同的影响，从而影响采煤方式的选择。对顶煤厚度不同的放煤过程进行模拟分析，以工作面放煤口为1.75 m时的工况，进行放煤的仿真分析，研究不同厚度的顶煤放出规律，对不同工况下的顶煤的回收率及顶煤的放出量进行统计。在实际开采过程中，经破碎后的顶煤堆积在支架后方，经工作面支架放煤口放出，支架相互之间的配合对于顶煤的放出效果具有一定的影响。在分析过程中，采用液压支架固定的移驾步距，以对顶煤厚度不同的因素进行分析。

顶煤在矿压及采动因素作用下为破碎的离散颗粒，设定煤层的密度、泊松比及摩擦角，将模拟时间设定为1s作用为实际工况的一个单位[4]。在模型分析中，建立顶煤的厚度为6 m～26 m五种不同的数值分析模型，以放煤口见矸作为放煤结束的标志，依次进行防霉，得到不同顶煤厚度时顶煤放出后的煤岩模型，分别如第120页图2所示。

a)顶煤厚度为6 m

从图2中可以看出，在不同厚度的顶煤放出过程中，煤岩的分界面呈现周期性的混合转台，随着顶煤厚度的增加，煤岩的分界面的混合程度不断增加，同时残留的顶煤量也有所增加。在顶煤厚度为6m及11m时，顶煤的回收率比较高，而随着顶煤厚度的增加，回收率逐渐降低。对不同厚度下的不同放煤口放出的煤量进行统计，并绘制不同放煤口的放煤量分布图，如图3所示。

图3 不同放煤口的放煤量分布

从图3中可以看出，随着顶煤厚度的增加，各放煤口的放出量均值不断增加，且不同放煤口的放出量在整个工作面上呈现周期性的变化，顶煤的起始放出量较大，然后逐渐减小，到达一定数值后，放煤量又增加，呈现周期性的变化[5]。这是由于在顶煤的放出过程中，顶煤放出体为椭球体，初始放煤时，经过放煤口可完全放出，而随着顶煤放出，上方形成矸石组成的漏斗，导致放煤量减小，随着工作面支架的推进，使得漏斗放煤的影响逐渐减弱，直至形成新的漏斗，从而呈现周期性的变化过程。同时，在顶煤厚度较大时，起始的放煤量较小，这是由于在起始放煤时，放煤口不能充分破坏顶煤的稳定性，使得顶煤的放出量受限，而随着其他放煤口的同步打开，顶煤受到的扰动作用不断增加[6]，从而可以实现大量的放煤。

对不同厚度顶煤的放出规律进行分析可知，在顶煤厚度增加的过程中，各支架放煤口的差别逐渐增加，顶煤的回收率逐渐降低，顶煤的厚度增加到一定数值后，放煤的有效厚度不再增加，使得顶煤不能充分的放出，从而造成顶煤回收率较低。

3 结语

综采放顶煤方式广泛应用于厚煤层的开采中，但随着煤层厚度的增加，放顶煤的方式难以满足顶煤的充分放出，造成煤炭的回收率降低，在煤层厚度增加时，要采用相应的大采高或分层开采的方式进行。对于确定适合的煤层高度，采用数值分析的方式对顶煤厚度不同时的顶煤放出规律进行分析，采用采用CDEM软件进行仿真分析，对顶煤放出后的煤岩形态及顶煤的放出量进行分析。

结果表明，随着顶煤厚度的增加，煤岩的分界面的混合程度不断增加，同时残留的顶煤量也有所增加，使得回收率逐渐降低；在同一顶煤厚度下，不同放煤口的放出量在整个工作面上呈现周期性的变化，在顶煤厚度增加的过程中，各支架放煤口的差别逐渐增加，顶煤的回收率逐渐降低，顶煤的厚度增加到一定数值后，放煤的有效厚度不再增加，使得顶煤不能充分的放出，从而造成顶煤回收率较低。对于顶煤的放出规律进行分析，对煤层进行开采时，依据煤层的赋存条件，确定相应的采煤工艺，从而实现较高的采煤回收率，实现较高的煤矿经济效益。