综放开采顶煤垮落角对放煤规律影响研究

杨大鹏，李新源，郭 宇，潘卫东，吴仁伦

(中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083)

厚及特厚煤层放顶煤开采中，顶煤在垂直方向加载及水平方向逐渐卸载作用下先破坏[1，2]而后破碎冒落于支架后方[3，4]，其破坏及破碎过程实质上是顶煤由拟连续体到散体的介质属性转化过程。受煤层硬度、节理裂隙发育程度及顶板条件等因素影响，未垮落顶煤在支架上方将形成不同的垮落形态，这种形态特征在微观上是呈台阶状，宏观上则可视为是具有一定倾角的斜线[5]，通常用垮落角进行描述。王家臣指出，坚硬煤层(f≥3)的垮落角小于60°，中硬煤层(f=1～3)的垮落角介于60°～80°，软煤层(f<1)的垮落角大于90°[6]。破碎后的散体顶煤经综放支架放煤口流动到后部刮板输送机的过程实质是受特定边界约束下的颗粒介质流动过程。因此，研究顶煤在未垮落顶煤及综放支架影响下的流动过程对于掌握顶煤放出规律具有重要意义。现有研究虽然关注到了综放支架对放煤过程的影响[7，8]，但却忽略了顶煤及直接顶在工作面走向上介质属性的差异性，而将顶煤及直接顶完全视为散体。

此外，破碎后的散体煤矸通常由只具内摩擦力而无内聚力或内聚力很小的大量块度不一的块体结构组成[14]，这些块体的几何形态通常很难通过定量的指标进行描述。多数研究中将煤矸块体简化为二维状态的圆形或三维的球形，这造成散体煤矸流动过程中运动阻力减小，导致散体煤矸流动特征发生变化。在考虑煤矸块体形态对其流动规律影响的基础上，通过将多个圆形颗粒进行刚性粘结的方法生成具有一定形态特征的煤矸块体，进而研究顶煤在未垮落顶煤的影响下的流动过程及放出规律。

1 数值模型及模拟方案

为研究顶煤垮落角对顶煤放出过程的影响，建立数值计算模型如图1(a)所示。模型长21m，煤层厚度设置为6m，机采高度2m，放煤高度4m，采放比1∶2，直接顶厚度4m。考虑到实际煤矸块体的不规则性，采用不规则六边形模拟煤矸块体形态，如图1(b)所示，其中顶煤等效直径为0.1m，矸石的等效直径为0.15m。采用重力堆积法进行建模，为更好的反映颗粒不规则性引起的阻碍自身转动的效应，各单元间采用抗转动线性接触模型。考虑到破碎前顶煤体的致密性，建模过程中各单元摩擦系数及接触间滚动摩擦系数设置为0，建模完成后通过属性继承的方式对各单元及接触参数进行重新设置，见表1、表2。

图1 数值计算模型及煤矸块体形态

表1 材料参数

表2 接触参数

为简化模拟流程，设置顶煤及直接顶垮落角θ一致。放煤过程中通过对顶煤垮落线实体煤侧顶煤及直接顶颗粒施加位移约束，从而模拟未破碎垮落的顶煤及直接顶岩石，如图2所示。模拟过程中，工作面自开切眼处推进6 m后开始进行初次放煤，采用常见的“一刀一放”的放煤方式，每循环放煤步距为0.6m，共计放煤16次。通过软件内嵌的fish语言编写自定义函数，放煤过程严格按照“见矸关门”的准则终止每一循环放煤。结合放顶煤工作面实际顶煤垮落情况，共设计模拟方案6组，分别为顶煤垮落角60°、75°、90°、105°、120°及完全散体条件下的数值放煤试验。6组试验中支架掩护梁角度均为60°，掩护梁与尾梁交点位于0.5倍采高处，放煤过程通过使尾梁绕掩护梁与尾梁交点旋转一定角度实现。

图2 顶煤垮落角模拟方案

2 模拟结果与分析

2.1 放煤量与顶煤损失

支架完成16个放煤循环后每一放煤循环的顶煤放出量见表3。由表3可知，最大顶煤放出量出现在初始放煤阶段，且顶煤放出量基本上随顶煤垮落角θ的增大而增大，但在顶煤为散体状态时略有下降。顶煤放出量呈明显的周期性特点，正常循环阶段每间隔一定放煤步距出现一次顶煤放出量的峰值，称为一个放煤周期。当θ≤90°时，放煤周期为5个放煤步距，当90<θ≤105°时，放煤周期为6个放煤步距，当θ>105°时，放煤周期达到6～7个放煤步距。如图3所示，当θ≤75°时，峰值顶煤放出量随顶煤垮落角θ的增大而增大，而非峰值顶煤放出量却随顶煤垮落角θ的增大逐渐减小。当θ>75°时，峰值顶煤放出量随顶煤垮落角θ的增大逐渐减小，而非峰值顶煤放出量却随顶煤垮落角θ的增大逐渐增大，但当θ>90°后，非峰值顶煤放出量的增张幅度较小。峰值及非峰值顶煤放出量差值则表现为：以θ=75°为界，当θ≤75°时，两者差值随顶煤垮落角θ的增大逐渐增大，当θ>75°时，两者差值随顶煤垮落角θ的增大逐渐减小。

表3 顶煤放出量

图3 正常循环阶段峰值及非峰值顶煤放出量统计平均值

图4 顶煤放出总量及放出率

不同顶煤跨落角θ情况下顶煤放出量及放出率如图4所示，由图4可知，当θ≤75°时，顶煤放出总量(总放煤量)和循环放煤阶段顶煤放出量随顶煤垮落角θ增大逐渐增加，并在θ=75°时达到最大值，随后在θ>75°时迅速减少而后逐渐增加，但在顶煤为散体状态是略有下降。顶煤放出率与顶煤放出量呈现相同的变化趋势，顶煤放出率在θ=75°时达到最大，达到81.0%，在θ=60°及θ=90°时放出率最小，约为70%。

采空区遗煤分布情况如图5所示。由图5可知，除顶煤全部为散体状态外，其他情况下顶煤损失均具有明显的周期性特点，且煤损周期与放煤周期基本一致。总体来看，存在垮落角时的顶煤损失由峰值放煤时形成的峰值煤损及非峰值放煤时形成的非峰值煤损构成。当θ≤75°时，顶煤损失主要由峰值煤损构成。放出顶煤原始位置如图6所示，结合图6可知损失顶煤原始位置靠近顶煤的中上部。当θ>75°时，随着顶煤垮落角θ不断增大，峰值煤损量逐渐减少而非峰值煤损量逐渐增加，损失顶煤的原始位置也逐渐向顶煤上部靠近。当顶煤为散体状态时，几乎每一放煤循环都将会在采空区形成一定程度的顶煤损失，损失顶煤的原始位置位于顶煤的上部。

图5 采空区遗煤分布情况

2.2 煤矸分界面与放出体

2.2.1 初始放煤阶段

初始放煤阶段不同顶煤垮落角θ时的放出体与煤矸分界面如图7所示。由图7可知，当θ≤75°时，放煤口上方顶煤及直接顶垮落后形成的煤矸分界面与支架上方顶煤分界面在顶煤垮落线处断开，煤矸分界面与顶煤分界面不连续，且煤矸分界面基本呈直线状，放出体的发育受到支架掩护梁(尾梁)及未垮落顶煤的双重切割影响而只在采空区侧自由发育成似椭球状，放出体偏向采空区。当θ>75°或顶煤全部为散体状态时，放煤口上方煤矸分界面与支架上方顶煤分界面保持连续，且煤矸分界面在支架掩护梁上方呈“上凸”状，未垮落顶煤对放出体的影响随顶煤垮落角的增大逐渐减小，且放出体逐渐偏向工作面方向。

图7 初始放煤阶段放出体与煤矸分界面

2.2.2 正常循环放煤阶段

分别选取不同顶煤垮落角情况下的一个放煤周期进行研究。正常循环阶段不同顶煤垮落角θ时的峰值放出体和煤矸分界面如图8所示。由图8可知，θ=75°时放出体最为发育，随后，放出体体积随顶煤垮落角增大逐渐减小，且放出体逐渐偏向工作面方向。在不考虑支架后方矸石提前窜出的情况下，单纯从煤矸分界面形态来看，当顶煤垮落角θ较小时，煤矸分界面在支架上方明显呈“下凸”状，而在采空区方向则呈“外凸”状，如图8(a)(b)和(c)所示。在放煤过程中，“下凸”和“外凸”状的煤矸分界面将造成放出体易支架上方煤矸分界面相切，从而导致靠近采空区侧的部分顶煤遗留于采空区而不能被放出，形成周期性峰值顶煤损失。随着顶煤垮落角θ的增大，煤矸分界面在支架上方“下凸”逐渐转变为“上凸”，在采空区方向“外凸”程度也逐渐减小。

图8 正常循环阶段峰值放出体和煤矸分界面

非峰值放煤循环中，由于顶煤放出量减少，放出体发育过程基本不再受未垮落顶煤的直接影响。总体而言，以顶煤垮落角θ=75°为界，当θ≤75°时，放出体体积基本上随顶煤垮落角增大逐渐减小，当θ>75°或顶煤全部为散体状态时，放出体体积则随顶煤垮落角增大逐渐增大。从放出体与煤矸分界面的关系考量，放出体的发育主要受到来自支架后方的矸石影响。

2.3 顶煤流动路径

顶煤颗粒流动路径如图9所示。由图9可知，受支架掩护梁(尾梁)及未垮落顶煤影响，顶煤流动路径在放煤口中心线两侧并不对称，这是导致放出体非对称的根本原因。当θ≤75°时，初始位置靠近采空区侧的顶煤流动过程只受到支架尾梁影响，如A、B、C、D、E，其流动路径由两段直线组成，分别为自由流动段和尾梁影响段。而初始位置靠近工作面侧的顶煤由于受到支架掩护梁(尾梁)及未垮落顶煤的双重影响，如F、G、H、I、J，其流动路径则由三段直线组成，分别为未垮落顶煤影响段、支架掩护梁影响段、支架尾梁影响段。当θ>75°或顶煤为散体状态时，未垮落顶煤对顶煤流动的影响随顶煤垮落角θ的增大逐渐减小，初始位置靠近工作面侧顶煤的流动路径由三段直线组成，分别为自由流动段、支架掩护梁影响段和支架尾梁影响段。

图9 顶煤颗粒流动路径

3 顶煤损失分析及放煤工艺优化

由上述分析可知，放出体偏转角度不仅受支架影响，而且与顶煤垮落角θ有关。顶煤垮落角的存在将导致放出体的偏转角度发生变化。而当θ=75°时，初始放煤阶段放出体和正常循环阶段峰值放出体偏转角度基本与顶煤垮落角一致，这使得放出体能够充分发育，实现较高的顶煤回收率。

当θ<75°时，顶煤损失来自于滞后垮落的顶煤，当θ>75°或顶煤为散体状态时，顶煤损失主要是由放出体与煤矸分界面相切范围过小造成的。虽然不同顶煤垮落角下煤损的来源并不相同，但煤矸分界面及放出体作为影响顶煤放出的共同因素却是一致的。因此，放煤工艺的优化应该包含两个方面，第一是构建有利于放出体发育的煤矸分界面形态，即构建“上凸”和“外凸”状煤矸分界面，第二是在保证含矸率符合要求的前提下尽量扩大放出体与煤矸分界面的相切范围。

当顶煤垮落角θ<75°时，初始放煤阶段及峰值放煤循环应严格控制放煤量使未垮落的顶煤后方存在一定量的散煤，避免后续垮落的顶煤自由冒落到矸石上方造成煤矸分界面在支架上方呈“下凸”或“内凸”状，造成滞后垮落的顶煤在放煤过程中难以被放出。同时，非峰值放煤循环应适当多放一些矸石以扩大放出体与煤矸分界面的相切范围。当θ>75°或顶煤为散体状态时，煤矸分界面的形态对放出体的发育较为有利，放煤过程中应通过放出一定量的矸石来扩大放出体与煤矸分界面的相切范围，从而提高工作面的顶煤回收率。

4 现场应用

青东矿846工作面走向长约395m，倾向长150m，煤层厚度为7.66～9.98m，平均8.8m。由于煤层原生裂隙极其发育，煤质较为松软，煤层普氏硬度系数仅为0.3，据此推测煤层在支架上方接近散体状态。在放煤工艺设计上，在满足要求混矸率条件下，每一放煤循环均应尽可能的增大放出体体积。通过放出一定量矸石来减少采空区顶煤损失。通过进行数值模拟分析，得到顶煤放出率与含矸率间呈如图10所示关系。由图10可知，当含矸率低于10%时，顶煤放出率随含矸率增加迅速增加，随后顶煤放出率增长速度逐渐放缓，当含矸率达到25%以上时，顶煤放出率基本不再发生变化。

图10 顶煤放出率与含矸率关系

现场应用中以放出顶煤的含矸率达到10%作为终止放煤的依据。测得工艺优化后的顶煤回收率达到82.8%，相较优化前顶煤回收率提高了11.4%，取得了良好的应用效果。

5 结 论

1)当顶煤垮落角θ≤75°时，放出体受到来自支架掩护梁(尾梁)及未垮落顶煤的双重切割影响而只在采空区侧自由发育成似椭球状，当顶煤垮落角θ>75°时，未垮落顶煤对放出体的影响影响较小，并在顶煤完全为散体时不再对放煤过程产生影响，放出体随顶煤垮落角的增大逐渐成为仅受支架掩护梁(尾梁)影响的切割变异椭球体。

2)当顶煤垮落角θ≤75°时，顶煤放出率随θ增大而增加，随后在θ=90°时迅速减少，而后随θ增大逐渐增加。顶煤放出率在θ=75°时达到最大为81.0%，在θ=60°及θ=90°时最小为70%。

3)顶煤块体的流动不仅受到支架掩护梁(尾梁)的影响，而且受到来自未垮落顶煤的影响。顶煤流动边界的改变将导致顶煤运动方向发生变化，从而导致顶煤流动路径在放煤口中心线两侧并不对称，这是导致放出体非对称的根本原因。

4)放煤工艺的优化应综合考虑煤矸分界面与放出体形态及其位置关系。当顶煤垮落角θ≤75°时，初始放煤阶段及峰值放煤循环应严格控制放煤量使未垮落的顶煤后方存在一定量的散煤且非峰值放煤循环应适当多放一些矸石以扩大放出体与煤矸分界面的相切范围。当θ>75°或顶煤为散体状态时，放煤过程中应通过放出一定量的矸石来扩大放出体与煤矸分界面的相切范围。