华亭煤矿综放工作面合理采高及放煤工艺分析_乔中栋.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 华亭煤矿综放工作面合理采高 及放煤工艺分析 乔中栋 1, 屈 英 1, 杨国宏1, 刘 彪 2 （1.华亭煤业集团 华亭煤矿， 甘肃 华亭 744100； 2.陕煤铜川矿业有限公司 下石节煤矿， 陕西 铜川 727101） 摘要 针对华亭煤矿 250107-1 综放工作面现阶段面临的煤壁片帮、 冒顶及顶煤回收率低等问 题， 通过 FLAC3D数值分析与理论计算相结合的方法， 综合分析采高、 放煤步距及放煤方式对综 放工作面煤壁稳定性与顶煤回收率的影响。 结果表明 当采高为 3.5 m， 采放比为 1∶2.66 时， 可以 较好的利用煤体自身的承载能力， 有效缓解煤壁片帮灾害； 通过放煤步距与放煤方式的相互配 合， 当选取放煤步距为 0.8 m 且采用多轮间隔放煤方式时， 华亭煤矿 250107-1 综放工作面可实 现最优配置， 顶煤回收率可以达到 81.9。 关键词 综放开采； 采高确定； 应力分布； 放煤工艺； 顶煤回收率 中图分类号 TD823.49文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 11-0161-04 Determination on Reasonable Mining Height and Top Coal Caving Technology in Huating Coal Mine QIAO Zhongdong1, QU Ying1, YANG Guohong1, LIU Biao2 （1.Huating Coal Mine of Huating Coal Industry Group, Huating 744100, China;2.Xiashijie Coal Mine, Tongchuan Mining of Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Co., Ltd., Tongchuan 727101, China） Abstract In view of the problems, such as coal wall spalling, roof caving and low recovery rate of top coal in 250107-1 fully mechanized caving face of Huating Coal Mine at present, the of combining FLAC3Dnumerical analysis and theoretical calculation was used to comprehensively analyze the mining height, coal mining step, and the effect of coal mining on the stability of coal wall and the recovery rate of top coal in fully mechanized top coal caving face. The results show that when the mining height is 3.5 m and the mining to caving ratio is 1∶2.66, the bearing capacity of the coal body can be better used to effectively alleviate the disaster of the coal wall; through the coordination of the caving step and the caving , the best configuration can be achieved in 250107-1 fully mechanized caving face of Huating Coal Mine when the selected caving step is 0.8 m and the multi-interval caving is adopted, and the top coal recovery rate can reach 81.9. Key words fully mechanized top coal caving; mining height determination; stress distribution; caving technology; top coal recovery rate 综合机械化放顶煤 （综放） 采煤法是指借助矿山 压力对顶部煤体进行破碎，从而对煤炭资源进行回 收的特殊采煤方法[1-2]。综放采煤法与其他采煤方法 相比具有 “三高三低” 的明显优点， 其中 “三高” 主要 是高产量、 高效率、 高回报率，“三低” 主要是指回采 巷道掘进率低， 搬家倒面次数低， 生产消耗低， 因此 在我国的厚煤层及特厚煤层中应用广泛[3-5]。但综放 工艺也存在较为明显的缺点，受开采技术条件限制 导致顶煤回收率相对较低[6-8]， 造成资源浪费的同 时， 也给采空区自然发火防治带来极大挑战[9-10]。因 此，如何科学有效的提高综放工艺条件下顶煤回收 率，逐渐成为制约我国矿井安全高效生产的主要技 术瓶颈[11-13]。 华亭煤矿 250107-1 综放工作面原设计的采放 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.034 乔中栋， 屈英， 杨国宏， 等.华亭煤矿综放工作面合理采高及放煤工艺分析 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11） 161-164. QIAO Zhongdong, QU Ying, YANG Guohong, et al. Determination on Reasonable Mining Height and Top Coal Caving Technology in Huating Coal Mine［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 161-164.移动扫码阅读 161 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 表 1250107-1 工作面顶底板及煤层物理力学参数 Table 1Physical and mechanical parameters of roof and floor of working face and coal seam 细砂岩17.616.2017.135.82 550 粉砂岩8.78.5010.533.82 600 砂质泥岩7.34.708.532.02 410 5煤1.80.891.725.01 650 泥岩9.22.505.929.02 300 粗砂岩15.314.1013.835.02 750 岩性 体积模量 /GPa 剪切模量 /GPa 初始黏聚 力/MPa 内摩擦角 / （ ） 密度 / （kg m-3） 比与放煤工艺协调匹配性差，导致工作面片帮、 冒 顶严重，顶煤回收率较低，严重制约了华亭煤矿的 安全生产。基于此，在充分考虑地质开采条件的基 础上， 借助 FLAC3D来分析不同采高情况下采场应力 的重新分布特征，从而确定合理的采高；在此基础 上通过 PFC 来分析不同放煤工艺参数来提高顶煤 的回收率；通过不同数值模拟手段的综合应用确定 华亭煤矿 250107-1 综放工作面的合理采高和放煤 工艺参数，为提高该工作面的顶煤回收率而提供一 定的基础依据。 1研究区域地质及开采概况 华亭煤矿位于华亭复式向斜的中部，东部赋存 1 个向斜构造， 西部赋存 1 个背斜构造， 井田面积达 到 1.89 km2走向长 3 200 m倾斜宽 3 624 m， 现开 采的 5煤层为具有强冲击倾向性的特厚煤层平均 厚度约为 37.5 m， 煤层倾角为 5～10。5煤层整体 较为稳定， 但是结构较复杂夹矸较多。 华亭煤矿 250107-1 工作面位于 2501 采区， 埋 深达到约 576 m， 回采工作面长度为 200 m， 推进长 度为 2 100 m， 工作面煤层平均厚度 12.8 m。 工作面 采用走向长壁综合机械化放顶煤开采方法回收煤炭 资源，全部垮落法处理顶板， 2501 采区位于华亭复 式向斜的南部，煤层倾角两翼差别不大， 250107-1 工作面顶底板及煤层物理力学参数见表 1。 2工作面合理采高 不同的采放比对于顶煤的破碎状态有直接的影 响[14-15]， 当工作面采高过高时会面临严重的片帮及 端面稳定性差的问题，当工作面采高较小时，回采 导致的应力集中程度较小，对顶煤的破碎程度的影 响较小，不利于顶煤的回收。考虑到华亭煤矿 250107-1 工作面所处的地质条件，借助 FLAC3D对 不同采高 （3、 3.5、 4.5 m） 的回采工作面围岩内的应 力分布特征进行分析， 从而对 250107-1 工作面的合 理采高进行确定。不同采高条件下围岩的垂直应力 分布如图 1。 对比分析图 1 （a） ～图 1 （c） 可以看出， 随着采高 的增大， 煤壁前方集中应力峰值点向煤壁深处转移， 影响范围增大， 这是因为采高较大时， 覆岩中的垮落 范围增加，覆岩小范围内不易形成具有自稳的动态 平衡结构，因此形成的较大范围的结构支承点会向 深处转移， 导致应力影响范围增加。当采高为 3.0 m 时，煤壁前方 3～10 m 范围内形成一定程度的应力 集中现象， 应力集中系数为 2.5； 当采高达到 3.5 m 时， 应力集中系数为 2.0， 应力集中范围为煤壁前方 6～20 m； 当采高为 4.5 m 时， 应力集中系数达到 1.5， 应力集中范围为煤壁前方 12～25 m。 综合分析可知， 当采高为 3.0 m 时， 工作面前方 应力集中程度最高，但是峰值点靠近煤壁，易引起 片帮危害； 当采高为 4.5 m 时， 应力集中程度较小， 且采场围岩的塑性区范围最大； 当采高为 3.5 m 时， 集中应力峰值距离工作面煤壁有一定的距离，可以 较好的利用深部煤体三向受力而表现出的较高承载 能力， 同时依据已有的实际开采经验， 可通过加长护 帮板的长度来改善煤壁的受力状况有利于缓解煤壁 片帮等灾害。 考虑到华亭煤矿 5煤层具有的强冲击 倾向性的力学性能， 因此认为华亭煤矿 250107-1 工 作面可以采用 3.5 m 的采高来回收该工作面的煤炭 资源。 3放煤工艺参数 依据上述分析确定了华亭煤矿 250107-1 工作 面采高为 3.5 m， 该工作面煤层厚度平均为 12.8 m， 因此采放比达到 1∶2.66， 为了提高顶煤的回收率， 主 要对放煤步距及方式进行分析，得到符合华亭煤矿 250107-1 工作面放煤参数。 图 1不同采高垂直应力场分布 Fig.1Distribution of vertical stress fields at different mining heights 162 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 2不同步距顶煤损失示意 Fig.2Unsynchronized loss from top coal 3.1合理放煤步距 根据经典放煤椭球体理论[16]， 顶煤是以近似椭 球体的空间形状放出的，在现场生产中为了降低含 矸率，通常采取见矸就停的停放时机，因此真实的 顶煤放出椭球体的范围小于可放椭球体范围，不同 步距顶煤损失示意如图 3，其中 R 为松动椭球体剖 面与煤岩分界线的交点至 y 轴的水平距离， l 为放煤 步距。 当放煤步距为 l 时， 煤岩分界线可抽象为抛物 线，则图 3 中的煤岩分界线 1 和分界线 2 的表达式 如式 （1） ～式 （2） ； 顶煤放出体的剖面椭圆和可放出 体的剖面椭圆的理论表达如式 （3） ～式 （4） 。 y-hf-0.8 （xR） 2 （1） y-hf-0.8 （xR-l） 2 （2） x 2 / （1-e 2） （y-h f/2） 2 h 2 f/4 （3） x 2 / （1-e 2） （y-h k/2） 2 h 2 k/4 （4） 式中 hf为放出的椭球体 （理论） 高度， m； hk为 可放出椭球体 （实际）高度， m； e 为放出椭球体偏 心率。 图 3 中的阴影部分为顶煤损失范围包含上位顶 煤损失 Su和下位顶煤损失 Sd2 部分， 结合式 （1）～ 式 （4） 可知， 当放煤步距为 0.8、 1.6、 2.4 m 时， 随着 放煤步距的增大， 顶煤的损失量增大， 且当放煤步 距较大时， 损失顶煤中上位顶煤损失 Su损失较大； 放煤步距较小时，下位顶煤损失 Sd部分损失较大。 250107-1 工作面开采的 5煤层属于中硬级别， 当放 煤步距为 0.8 m 时，在工作面煤壁集中应力的作用 下顶煤内部裂隙发育可以实现较好的冒落，顶煤的 回收率最高。 3.2合理放煤方式 放煤方式是指包含放煤次序、 单口放煤次数、 同 时开启放煤口数量和放煤量相互组合而形成的放煤 方法。借助 PFC 模拟软件分别对不同放煤方法条件 下顶煤的冒放状态进行分析，将工作面的支架分为 4 组， 每组 10 架， 共设计 4 种放煤方式， 分别为单轮 顺序放煤、 双轮顺序放煤、 双轮间隔放煤和多轮间隔 放煤， 不同放煤方式条件下顶煤冒放状态如图 3。 对比分析图 3 （a） ～图 3 （b） 可知， 采用单轮顺序 放煤时，单个支架放煤时间长，且易导致相邻支架 放煤中早见矸现象， 顶煤回收率达到 72.3； 采用双 轮顺序放煤时， 第 2 轮放煤时， 会影响相邻支架的放 煤， 顶煤已经过一次放出， 待放煤体已经较薄且充分 破碎而流动性较好， 顶煤回收率达到 79.9； 对比分 析图 3 （c） ～图 3 （d ） 可知， 双轮间隔放煤的顶煤回收 率达到了 80.2，与其相比多轮间隔放煤具有最少 的顶煤损失， 在多轮间隔放煤情况下， 位于相邻组交 界处会出现极少量的周期性顶煤损失，顶煤回收率 可以达到 81.9。 综合分析认为随着放煤轮次的增加，顶煤回收 率显著提高，通常情况下间隔放煤的顶煤回收率高 于顺序放煤，但随着放煤轮次的增加，间隔放煤和 顺序放煤导致的顶煤回收率的差异逐渐减小，因此 可以通过采用多轮间隔放煤方式来提高回收率。 4结论 1） 工作面采高、 放煤步距及放煤方式是影响综 放工作面煤壁稳定性与顶煤回收率的主要因素， 开 采过程中应根据煤层附存条件，动态调整各项技术 参数， 进而实现矿井的安全高效生产。 2） 华亭煤矿 250107-1 综放工作面随着采高的增 图 3不同放煤方式条件下顶煤冒放状态 Fig.3Top coal caving state under different coal caving modes 163 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 大，煤壁前方集中应力峰值点向煤壁深处转移， 当 采高为 3.5 m， 采放比为 1∶2.66 时， 可以较好的利用 煤体自身的承载能力， 有效缓解煤壁片帮灾害。 3） 通过放煤步距与放煤方式的相互配合， 当选 取放煤步距为 0.8 m 且采用多轮间隔放煤方式时， 华亭煤矿 250107-1 综放工作面可实现最优配置， 顶 煤回收率可以达到 81.9。 参考文献 ［1］ 王家臣.厚煤层开采理论与技术 ［M］ .北京 冶金工业 出版社， 2009 47-51. ［2］ 王家臣.我国放顶煤开采的工程实践与理论进展 ［J］ . 煤炭学报， 2018， 43 （1） 43-51. ［3］ 康红普， 徐刚， 王彪谋， 等.我国煤炭开采与岩层控制 技术发展 40a 及展望 ［J］ .采矿与岩层控制工程学报， 2019， 1 （2） 7-39. ［4］ 闫少宏， 尹希文.大采高综放开采几个理论问题的研 究 ［J］ .煤炭学报， 2008， 33 （5） 481-484. ［5］ 孟宪锐， 吴昊天， 王国斌.我国厚煤层采煤技术的发展 及采煤方法的选择 ［J］ .煤炭工程， 2014， 46 （10） 43. ［6］ 武建文.急倾斜水平分段放顶煤顶煤放出规律研究 ［D］ .西安 西安科技大学， 2006. ［7］ 崔景昆， 李海江， 李旭宁， 等.综放开采散体顶煤的放 煤工艺参数试验 ［J］ .煤矿安全， 2016， 47 （4） 60-62. ［8］ 魏炜杰， 陈祎， 张锦旺， 等.水平分段综放开采放煤方 式优化研究 ［J］ .煤矿安全， 2016， 47 （11） 57-60. ［9］ 马洪涛， 孙秉成， 王坤， 等.特厚煤层综放工作面防灭 火技术 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （10） 80-82. ［10］ 李万仕， 周贤， 辛林.自燃煤层老火区下综放开采防 灭火技术 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （1） 67-70. ［11］ 商铁林.综放工作面顶煤采出率研究 ［D］ .西安 西安 科技大学， 2009. ［12］ 周景林.放顶煤与大采高综采工艺分析 ［J］ .煤矿开 采， 2008， 13 （6） 4-5. ［13］ 许力峰， 张勇， 李立， 等.特厚煤层综放开采顶煤放出 率影响因素分析 ［J］ .煤矿开采， 2012， 17 （6） 25-28. ［14］ 毛德兵.综放开采割煤高度与顶煤回采率相互关系 研究 ［J］ .煤矿开采， 2009， 14 （4） 13-15. ［15］ 许永祥， 王国法， 李明忠， 等.特厚坚硬煤层超大采高 综放开采支架-围岩结构耦合关系 ［J］ .煤炭学报， 2019， 44 （6） 1666-1678. ［16］ 田多， 师皓宇， 付恩俊， 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