邹庄矿大倾角综放开采放煤工艺参数模拟研究

周 鹏，李志华，王 伟，江山山，刘 程

(1.安徽理工大学 矿业工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽神源煤化工有限公司 邹庄煤矿，安徽 宿州 235128)

我国大倾角煤层储量占探明储量的20%，其煤炭产量占全国煤炭总产量的10%[1].在大倾角煤层开采中，如何提高大倾角综放工作面放顶煤率仍然是一个重要的研究课题。

国内学者针对以上课题进行了大量的研究。高喜才等分析了大倾角煤层不同倾角条件下综放开采覆岩运移规律，发现大倾角煤层上、中、下3个区域的放煤量比例应为3∶2∶1[2].黄志增等从采煤方法的确定、工作面设备的选择、液压支架的防落防滑等方面对综放开采技术进行了研究，并解决了古山三井遇到的开采难题[3-4]。苑搏等研究了大倾角综放工作面不同放煤顺序下的放顶煤率，得出上行式放煤放顶煤率最优的结论[5]。孙利辉等研究了不同煤层倾角下的煤矸运移规律，发现了倾角越大回采率越低的现象[6-7]。崔道品等研究得出了不同地质条件下的煤层在不同开采高度、不同放煤步距和方式下的放顶煤率[8-10]。

本文以邹庄煤矿72号大倾角煤层为背景，以数值模拟为研究方法，对大倾角综放开采放顶煤工艺参数进行研究，以期在实际生产中取得良好的放顶煤效果。

1 工作面地质概况

邹庄煤矿位于安徽省淮北市濉溪县南坪镇，本文研究对象为72煤层，煤厚0.6～11.20 m，平均5.36 m，煤层厚度变化大，属于不稳定煤层。72煤层倾角范围在28～45°，平均倾角为35°.工作面走向长度为1 258 m，倾斜长度平均为100 m.7401工作面东临7403工作面，西到F120断层保护煤柱线及四含防水煤柱线，北接四采区中组煤一区段轨运巷、集中回风巷，南为矿井18勘探线。顶底板岩性见表1.

表1 工作面顶底板情况

2 合理放煤步距的数值模拟研究

2.1 放煤步距数值模型构建

根据邹庄煤矿72煤层综放工作面地质条件制作长度15 m，高度9 m的模型。由于工作面走向为近水平煤层，因此模型构建为水平模型，根据7401综放工作面实际采高在2.4～2.6 m,垂直方向上构建为2.8 m煤层及6.0 m顶板，如图1所示，白色颗粒代表顶板，黑色颗粒代表煤层。模型中煤岩物理力学参数见表2.

图1 工作面初始模型

表2 工作面煤岩物理力学参数

具体放煤前准备如图2所示。根据邹庄煤矿实际开采过程中使用的采煤机截深630 mm，因此主要模拟三种不同的放煤步距，分别为一采一放(0.6 m)、两采一放(1.2 m)和三采一放(1.8 m)，根据数值模拟结果统计三种放煤步距下的顶煤放出率及含矸率。

图2 放煤前准备

2.2 模拟结果分析

三种不同的放煤步距下的模拟结果如图3所示，顶煤放出率和含矸率对比见表3.

图3 三种不同的放煤步距数值模拟

表3 不同放煤步距下的顶煤放出率与含矸率统计

从上述图表可以看出： 随着工作面放煤步距的增大，放顶煤率和煤矸石含量都在逐渐降低。在放顶煤过程中，当放煤步距较大时，上部矸石会随着顶煤的放出而大量下移，在放煤口上方形成一个漏斗堵塞放煤口，导致后部煤体无法放出，放顶煤率低，此时放煤口处煤矸分界线明显，易于掌握放煤口的关闭时机，含矸率低。而放煤步距较小时，由于其多次放煤的特性，有利于顶煤的破碎，放煤口处顶煤放出后，在放煤口处会出现一定程度的煤矸混合，此时应继续放煤直至放煤口出现大量矸石时关闭放煤口，顶煤放出率较高。

综上所述，三种放煤步距相比，一采一放的放顶煤率较高。分析3种放煤步距的放煤效果可知，采用一采一放的方式最合理。

3 合理放煤方式的数值模拟研究

3.1 放煤方式数值模型构建

根据邹庄煤矿72煤层倾向角度构建工作面模型，长度12 m，高15 m，模拟顶煤厚度2.8 m，直接顶厚度10.5 m，倾角35°，如图4所示。共有连续的10个支架，放煤口大小为1.5 m.放煤顺序有工作面上端从上向下与工作面下端从下向上放煤2种。邹庄煤矿7401工作面煤层平均厚度为5.36 m，小于6 m，因此在数值模拟实验中不考虑多轮放煤方式，放煤方式模拟单轮顺序放煤与单轮间隔放煤2种。根据需要，对上述方案进行组合模拟，通过数值模拟结果比较放顶煤率及含矸率。

图4 工作面初始模型

3.2 模型结果分析

依次模拟了4种不同的放煤方式，模拟结果如图5所示。放顶煤率和含矸率的比较见表4.从上述图表可以看出：

图5 四种不同的放煤方式数值模拟

表4 不同放煤方式下的顶煤放出率与含矸率统计

1) 单轮顺序放煤方式的放顶煤率优于单轮间隔放煤。在放煤过程中，单轮顺序放煤方式放煤时顶煤的流动空间较大，相邻支架之间的顶煤与矸石有充足的空间进行运移，使得上部顶煤更加破碎，放顶煤率更高；且单轮顺序放煤时顶煤仅从一方流动至放煤口，不易产生挤压拱，更加有利于顶煤的放出。

2) 单轮顺序上行放煤方式的放顶煤率优于单轮顺序下行放煤。在放煤过程中，上行放煤因下部顶煤的不断放出，上部顶煤会更加破碎并在重力的影响下不断下移直至放煤口，放顶煤率更高；下行放煤则是优先放出上部顶煤，导致上部矸石不断下移，随着下方的放煤口打开和下部顶煤一起放出，增大含矸率的同时还会阻碍下部顶煤的放出。

综上所述，权衡顶煤放出率和含矸率两个方面，应优先采用单轮顺序上行放煤方式。

4 工程应用

通过现场对以上几种放煤工艺方案进行验证，对几种放煤结果比较分析后，一采一放与单轮顺序上行放煤方式放煤顶煤采出率最高，平均为85%，高于其他放煤工艺近5%.

安徽淮北邹庄煤矿72煤层现场采用一采一放与单轮顺序上行放煤方式放煤，于2021年共生产原煤58.4万t，解决了邹庄煤矿72煤层的开采难题，大大提高了煤炭资源采出率，对工作面的高产高效提供了显著帮助。

5 结 语

1) 由三种不同的放煤步距数值模拟实验结果可以得出，放煤步距越大，其顶煤放出率越低。综合来看，选用一采一放的放煤步距最为合理。

2) 通过四种不同的放煤方式数值模拟结果可以得出，单轮顺序放煤方式在顶煤放出率及含矸率两个方面都要优于单轮间隔放煤方式；综合比较单轮顺序上行放煤与单轮顺序下行两种放煤方式，分析两种上部煤矸的运移趋势后，得出选用单轮顺序上行放煤方式不仅可以提高放顶煤率，还大大降低了含矸率的结论。

3) 通过研究，确定了邹庄煤矿72煤层综放工作面合理的放煤步距、放煤方式和放煤顺序，在实际生产中效果显著，为类似工程的安全高效开采提供了参考。