提高综放工作面采出率技术研究.pdf

收稿日期２０１９􀆽 １２􀆽 ３１ 作者简介芦宝玉１９７９ － ꎬ男ꎬ山西忻州人ꎬ助理工程师ꎬ从事生产技术工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０５. ０２８ 提高综放工作面采出率技术研究 芦宝玉 山西石港煤业有限责任公司ꎬ山西 左权 ０３２６１２ 摘 要以石港煤业 １５２０３ 综放工作面为背景ꎬ通过理论分析、数值模拟的方法ꎬ对比顶板解除支护前后顶 板垮落情况ꎬ结果表明解除支护前顶板初次垮落步距为 １５ ｍꎬ解除支护后顶板初次垮落步距为 ８ ｍꎬ两者 相差 ７ ｍꎬ结合 １５２０３ 工作面实际开采技术参数计算得出ꎬ解除支护后ꎬ１５２０３ 工作面能提高煤炭产量 ６ ４９８ ｔꎬ对提高资源回收率有借鉴意义ꎮ 关键词综采放顶煤ꎻ解除支护ꎻ数值模拟 中图分类号ＴＤ８２３ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００５􀆽 ００６２􀆽 ０３ 综采放顶煤采煤法具备巷道布置简单、回采效 率高、人力成本低等特点ꎬ随着采煤工艺的不断优化 与开采设备的不断革新ꎬ已经逐步成为一种中国特 色的先进采煤技术[１]ꎮ 综放开采生产效率高ꎬ产量 大ꎬ但由于放煤过程中ꎬ部分顶煤无法放出ꎬ导致其 资源回收率较低ꎬ相关数据表明ꎬ综放开采平均资源 回收率仅为约 ８０％ꎬ造成了大量的资源浪费ꎬ对此ꎬ 大量学者进行了研究张锦旺[２]通过建立顶煤放出 的 ＢＢＲ 分析体系ꎬ研究了煤岩分界面、顶煤放出体、 顶煤放出率及含矸率之间的影响关系ꎬ提出了煤岩 分界面的简化抛线模型ꎻ刘龙飞[３]通过理论分析与 数值模拟相结合的方法ꎬ针对大倾角综放工作面放 煤采出率及含矸率进行分析ꎬ优化了工作面工艺技 术参数ꎬ对大倾角液压支架防倒滑措施提出优化方 案ꎻ沈玉旭[４]采用数值模拟方法ꎬ模拟顶煤爆破效 果及工作面切顶垮落矿压显现规律ꎬ结果表明ꎬ爆破 切顶后较不切顶相比垂直应力上升速度明显加快ꎬ 且前者普遍大于后者ꎬ切顶后顶煤破坏程度明显ꎻ李 鹏翔[５]通过数值模拟方法ꎬ模拟综放工作面不同采 高情况下工作面端头、中部围岩破坏情况ꎬ分析了不 同采高情况下煤壁稳定性ꎬ最终确定矿区合理的采 放比为 １∶ ０. ８５ꎻ商铁林[６]采用数值模拟方法模拟 不同采高及放煤步距时ꎬ顶板围岩破碎情况ꎬ结果表 明ꎬ两采一放顶板破碎效果较一采一放顶板破碎效 果更好ꎮ 述研究成果虽然在一定程度提高了综放工作面 开采资源回收率ꎬ但由于都是针对个别矿井进行研 究ꎬ对综放开采提高资源回收率的广泛适应性仍较 片面ꎮ 因此ꎬ本文以石港煤业 １５２０３ 综放工作面为 背景ꎬ通过理论分析与数值模拟方法ꎬ对综放开采合 理提高资源回收率进行研究ꎮ １ 工程背景 石港煤业 １５２０３ 工作面平均埋深 ５２０ ｍꎬ工作 面走向长度 ７５６ ｍꎬ倾向长度 １５５ ｍꎬ煤层平均厚度 ７. １ ｍꎬ平均倾角 ６ꎬ属近水平煤层ꎬ采用综合机械 化放顶煤开采方法ꎬ采高２. ５ ｍꎬ放煤高度４. ６ ｍꎬ采 放比 １ ∶１ . ８４ ꎮ 煤层赋存稳定ꎬ一般含 ２ 层夹矸ꎬ 节理发育ꎮ 具体顶底板岩性特征见表 １ꎮ 目前工作 面开采时产生的煤炭损失主要包括初采损失及端头 损失ꎬ因此ꎬ有必要通过技术手段改进当前采煤工艺 以增加工作面煤炭资源回收率ꎮ 表 １ １５２０３ 工作面顶底板岩性特征 顶板 名称 岩石 名称 厚度/ ｍ岩石特征 老顶 深灰色 石灰岩 ６.０９ 深灰色ꎬ致密、坚硬含动物 化石及方解石石脉充填ꎮ 直接顶 １４ 号煤１.０１黑色ꎬ煤层稳定ꎮ 黑色泥岩４.８５黑色ꎬ泥质结构ꎬ节理发育ꎮ 直接底黑色泥岩１.１７致密、块状ꎬ裂隙发育ꎮ 老底 灰色铝 土泥岩 ５.１５ 灰色铝土泥岩ꎬ 部分地段含黄铁矿晶体ꎮ ２ 支护解除机理分析 工作面顶板在锚杆、锚索布设完备的情况下ꎬ直 接顶以悬吊作用固定在上方稳定岩层中ꎬ此时巷道 顶板受三向应力状态ꎬ难以及时垮落ꎮ 当锚杆、锚索 支护解除后ꎬ此时巷道顶板处于双向应力状态ꎬ上覆 岩层产生的压力与工作面回采产生的应力容易对巷 道顶板产生影响ꎬ最终使其垮落ꎮ １ 锚杆支护解除ꎮ 锚杆支护解除主要指去 ２６ 问问题题探探讨讨 总第 ２４９ 期 除锚杆托盘ꎬ锚杆托盘去除以后ꎬ锚杆失去锚固力ꎬ 巷道上方直接顶与上位岩层之间的悬吊作用消失ꎬ 此时容易使巷道顶板发生垮落ꎮ ２ 锚索支护解除ꎮ 锚索支护解除其作用与 锚杆支护解除类似ꎬ去掉锚索端头机具后ꎬ锚索产生 的锚固力消失ꎬ巷道上方顶板与上位岩层的悬吊作 用消失ꎬ同样能够帮助巷道顶板发生垮落ꎮ 支护解除前后巷道应力状态如图 １ 所示ꎮ 图 １ 支护解除前后巷道应力状态 支护解除按其位置不同主要划分为以下两种 １ 回采巷道支护解除ꎮ 在回采巷道中ꎬ进行 支护解除措施ꎬ除了要解除顶板的锚杆、锚索外ꎬ巷 道截割帮部的锚杆也要解除ꎬ支护解除后ꎬ能够帮助 顶板及时垮落ꎬ降低围岩应力集中程度ꎬ同时对巷道 上隅角瓦斯治理具有明显作用ꎬ通过支护解除ꎬ帮助 顶板垮落ꎬ端头支架可放出顶煤ꎬ能够有效提高煤炭 资源回收率ꎮ ２ 开切眼支护解除ꎮ 在切眼处同样可以进 行支护解除措施以帮助顶煤提早垮落ꎬ切眼支护除 了要解除顶板的锚杆、锚索外ꎬ截割帮部的锚杆也需 要解除ꎬ解除支护后ꎬ能够使工作面上方的顶煤提前 垮落ꎬ避免顶板大面积悬顶ꎬ帮助维护工作面围岩稳 定ꎬ同时提高煤炭资源回收率ꎮ ３ 数值模拟试验 ３. １ 模型建立 为了验证上述分析的合理性ꎬ采用 ＦＬＡＣ３Ｄ有限 差分数值模拟软件进行分析ꎬ设计模型尺寸为 ２９５ ｍ １５０ ｍ １８３ ｍꎬ模型左右两侧预留 ５０ ｍ 边 界煤柱ꎬ主要观测煤层开挖后ꎬ上覆岩层位移分布情 况ꎬ因此ꎬ建立模型时自上而下分层建立ꎬ主要包括 基岩层、顶板、煤层、底板ꎮ 各岩层岩石力学参数见 表 ２ꎮ 表 ２ １５２０３ 工作面顶底板岩石力学参数 岩层 体积模 量/ ＧＰａ 剪切模 量/ ＭＰａ 内摩擦角 / 内聚力 / ＭＰａ 抗拉强 度/ ＭＰａ 石灰岩４. １０２.３０３６５.２０１.６２ 泥岩２. ８０１.１０３２２.７３０.７８ 煤层０. １３０.３７２８０.２７０.１３ 铝土质 泥岩 ２. ９３１.３５３２２.８９０.８８ 粉砂岩３. ４３１.９５３４４.５３１.３８ 中砂岩３. ８３２.１４３５４.７８１.５２ ３. ２ 边界条件及模拟方案 采用摩尔库伦本构关系对模型进行定义ꎬ对模 型前后左右四个方向约束位移ꎬ固定底板ꎬ顶板自 由ꎬ在顶板施加均布载荷模拟未建模岩层产生的应 力ꎬ分别模拟分析在支护解除前后顶板下沉情况以 表征顶煤放出效果ꎮ 支护解除的机理在于将顶板的锚杆去除托板、 锚索去除端头机具ꎬ目的是释放锚杆、锚索提供的预 紧力以使顶板由三向应力状态转为双向应力状态ꎮ 因此ꎬ数值模拟通过给锚杆、锚索施加不同的预紧力 表征支护解除前后锚杆受力状态ꎬ具体参数见表 ３ꎮ 表 ３ 解除支护方案设计参数 方案机具 弹性模 量/ ＧＰａ 横截面积 / ｍｍ２ 抗拉强度 / ＧＰａ 内聚力 / ＥＰａ 预紧力 / ＧＰａ 解除前 锚杆２００３５０６１５０ 锚索２００５００１０１００２００ 解除后 锚杆２００３５０６１５ 锚索２００５００１０１００２０ ３. ３ 数值模拟结果分析 开切眼解除支护前顶煤初次垮落如图 ２ 所示ꎮ 由图 ２ 可知ꎬ工作面在解除支护前推进至 １４ ｍ 时ꎬ 顶板下沉量不明显ꎬ说明此时的顶板岩层仍表现的 较为完整ꎬ顶板未发生垮落ꎻ工作面持续推进ꎬ当工 作面推进至 １５ ｍ 时ꎬ此时顶板下沉量骤增ꎬ最大下 沉量集中在巷道中部ꎬ以巷道中部为分界线向巷道 两侧依次递减ꎬ 此时ꎬ 顶板最大下沉量已达到 ２. ５ ｍꎬ说明顶板发生垮落ꎮ 开切眼解除支护后顶煤初次垮落如图 ３ 所示ꎮ 由图３ 可知ꎬ工作面在解除支护后推进至７ ｍ 时ꎬ顶 板下沉量不明显ꎬ说明此时的顶板岩层仍表现的较 为完整ꎬ顶板未发生垮落ꎻ工作面持续推进ꎬ当工作 面推进至８ ｍ 时ꎬ此时顶板下沉量骤增ꎬ最大下沉量 集中在巷道中部ꎬ以巷道中部为分界线向巷道两侧 依次递减ꎬ此时ꎬ顶板最大下沉量已达到 ２. ５ ｍꎬ说 明顶板发生垮落ꎮ ３６ ２０２０ 年 ５ 月 芦宝玉提高综放工作面采出率技术研究 第 ２９ 卷第 ５ 期 图 ２ 支护解除前顶板初次垮落位移分布云 图 ３ 支护解除后顶板初次垮落位移分布云 对比图 ２、图 ３ꎬ能够发现ꎬ在解除顶板支护后ꎬ 顶板初次垮落步距为 ８ ｍꎬ较解除支护前相比ꎬ垮落 步距缩短了 ７ ｍꎬ由此能够分析得出ꎬ解除支护后顶 板垮落变得更为容易ꎬ由于其顶板上方为顶煤ꎬ故能 够帮助工作面提高放煤效率ꎬ提高资源回收率ꎮ ４ 经济效益分析 石港煤业 １５２０３ 工作面实行支护解除后ꎬ顶板 初次垮落步距缩短 ７ ｍꎬ结合石港煤业 １５２０３ 综放 工作面采煤作业技术参数ꎬ计算通过支护解除后增 加放煤产量如下 Ｔ ＝ Ｌｈａηρ１ 其中Ｔ 为解除支护后煤炭增加产量ꎬｔꎻＬ 为工 作面长度ꎬ取 １５５ ｍｍꎻｈ 为顶煤厚度ꎬ取 ４. ６ ｍꎻａ 为 垮落步距缩短量ꎬ取 ７ ｍꎻη 为放顶煤采出率ꎬ取 ９３％ꎻρ 为煤体密度ꎬ取 １. ４ ｔ/ ｍ３ꎮ 经计算Ｔ ＝６ ４９８ ｔꎮ ５ 结 语 １ 数值模拟结果表明ꎬ在解除支护前ꎬ１５２０３ 工作面初次垮落步距为 １５ ｍꎬ解除支护后ꎬ初次垮 落步距降至 ８ ｍꎬ与支护解除前相比ꎬ支护解除后顶 板初次垮落步距缩短了 ７ ｍꎮ ２ 当在切眼实行支护解除后ꎬ１５２０３ 综放工 作面能够多回收煤炭产量 ６ ４９８ ｔꎬ资源回收率得到 有效提高ꎮ 参考文献 [１] 孟宪瑞ꎬ李建民. 现代放顶煤开采理论与实用技术 [Ｍ]. 徐州中国矿业大学出版社ꎬ２００１. [２] 张锦旺. 综放开采散体顶煤三维放出规律模拟研究 [Ｄ]. 北京中国矿业大学ꎬ２０１７. [３] 刘龙飞. 大倾角综放开采放煤工艺参数优化模拟研究 [Ｄ]. 徐州中国矿业大学ꎬ２０１４. [４] 沈玉旭. 提高综放面初采煤炭采出率的预裂爆破方法 及其效果分析[Ｄ]. 太原太原理工大学ꎬ２０１３. [５] 李鹏翔. 龙泉煤矿 ４ 号煤综放开采工艺参数研究[Ｄ]. 太原太原理工大学ꎬ２０１２. [６] 商铁林. 综放工作面顶煤采出率研究[Ｄ]. 西安西安 科技大学ꎬ２００９. [责任编辑路 方] 􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊 上接第３１ 页任重而道远ꎬ本文针对防灭火工作中 存在的典型问题ꎬ提出了“技术先行、系统健全、管控 到位、防范有效”的管控思路和措施ꎬ有利于推进矿 井防灭火管理工作ꎬ减少火灾事故的发生ꎮ 也可为 其它矿井防灭火工作提供借鉴ꎮ 参考文献 [１] 吉晨辉. 综放工作面局部区域自然发火综合防灭火技 术[Ｊ]. 煤ꎬ２０２０ꎬ２９１５３ －５４. [２] 薛 纬. 综合防灭火技术在马脊梁矿综放工作面的应 用[Ｊ]. 同煤科技ꎬ２０１８６１１ －１３ꎬ１６. [责任编辑路 方] ４６ ２０２０ 年 ５ 月 芦宝玉提高综放工作面采出率技术研究 第 ２９ 卷第 ５ 期