王進(jìn)海

(山西省高平市科興米山煤業(yè)有限公司,山西 高平 048400)

1 工程概況

山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司3308工作面井下位于三采區(qū)西北部，南為三采區(qū)配風(fēng)巷，北為二采區(qū)回風(fēng)巷(已封閉)，西為3309工作面(未回采)，東為3308工作面(未開采)。3308工作面傾斜長度207 m，走向長度為2 191 m，開采3號煤層，煤層平均厚度為6.15 m，煤層頂?shù)装鍘r層特征如表1所示。工作面采用綜合機(jī)械化采煤方法，機(jī)采高度為3.1 m，放煤高度為3.05 m，循環(huán)進(jìn)度0.8 m?，F(xiàn)為提高工作面煤炭的回收率，特進(jìn)行頂煤運(yùn)移規(guī)律和放煤工藝參數(shù)的研究分析。

表1 3號煤層頂?shù)装鍘r層特征

2 頂煤運(yùn)移放出規(guī)律

2.1 頂煤破裂機(jī)理

綜放工作面放頂煤的開采分為采煤機(jī)截割回采和放煤兩個過程，頂煤在上覆巖層荷載的作用下，通過液壓支架的放煤口放出，根據(jù)3308工作面的地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行工作面頂煤破裂機(jī)理進(jìn)行分析，數(shù)值模型長×寬×高=200 m×100 m×50 m，基于工作面頂?shù)装鍘r層的各項物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模型中各巖層參數(shù)的賦值，基于數(shù)值模擬結(jié)果得出頂煤塑性區(qū)分布及頂煤破壞系數(shù)分布如圖1所示。

圖1 頂煤塑性區(qū)及破壞系數(shù)分布云圖

分析圖1可知，在工作面采動影響下，頂煤存在著四種破碎區(qū)域，分別為頂煤完全破碎區(qū)、頂煤較好破碎區(qū)、頂煤較差破碎區(qū)和頂煤完整區(qū)。頂煤完全破碎區(qū)主要位于液壓支架上方，在該區(qū)域處頂煤的破碎系數(shù)一般大于1.25，且脊背煤區(qū)域處的頂煤易出現(xiàn)破碎不完全，支架后方易形成大塊的現(xiàn)象，導(dǎo)致放煤口堵塞；頂煤較好破碎區(qū)內(nèi)頂煤的破碎系數(shù)一般在1.0～1.25的范圍內(nèi)，該區(qū)域主要位于距煤壁2.5 m的區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)的煤體處于采動應(yīng)力影響的峰值區(qū)域，且該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象較大，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，該區(qū)域煤體的破碎程度逐漸增大，直至到達(dá)支架上方，此時放出該區(qū)域煤體時，煤體較為破碎，利于頂煤的放出[1-3]；頂煤較差破碎區(qū)主要位于工作面前方2.5～6.5 m的范圍內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)頂煤的破碎系數(shù)在0.5～1.0的范圍內(nèi)，頂煤具有一定的完整性；頂煤完整區(qū)主要位于工作賣弄前方6.5 m以外的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)頂煤的破碎系數(shù)均小于0.5，且頂煤的應(yīng)力集中系數(shù)會進(jìn)一步減小，工作面內(nèi)的超前支承壓力不足以使頂煤產(chǎn)生破碎。

2.2 頂煤運(yùn)移規(guī)律

根據(jù)國內(nèi)外眾多學(xué)者在頂煤運(yùn)移方面的研究成果[4-5]，工作面煤體塑性區(qū)內(nèi)的支承壓力σsy的理論分析表達(dá)式為：

(1)

式中：σsy為工作面煤體塑性區(qū)內(nèi)的支承壓力；f層間的摩擦系數(shù)；M為煤層厚度；φ為煤體的內(nèi)摩擦角；x為塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)至煤壁的距離。

當(dāng)將煤體在y軸方向上的應(yīng)力σy用KγH表示時，此時煤體超前壓力峰值位置x0及彈性區(qū)內(nèi)支承壓力分布σty分布的表達(dá)式分別為：

(2)

式中：x0為煤體超前壓力峰值位置；σty為彈性區(qū)內(nèi)支承壓力；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層的容重；H為煤層的埋深；β為側(cè)壓系數(shù)。

當(dāng)用x1表示煤體彈性區(qū)的范圍，即有x=x0+x1時，能夠進(jìn)一步推導(dǎo)得出煤體彈性區(qū)的表達(dá)式為[6]：

(3)

根據(jù)3308綜放工作面具體的各項參數(shù)，結(jié)合頂煤數(shù)值模擬結(jié)果，得出頂煤基點(diǎn)位移曲線圖如圖2所示。

3 放煤工藝參數(shù)設(shè)置與實踐

3.1 頂煤工藝參數(shù)模擬分析

綜放工作面機(jī)采高度范圍內(nèi)的煤層回采后，上方煤體會失去支撐，頂煤會在上覆巖層荷載的作用下逐漸破碎垮落，同時局部區(qū)域頂煤上方的直接頂也會出現(xiàn)隨頂煤垮落的現(xiàn)象，垮落的頂煤基本呈現(xiàn)為破碎的松散狀態(tài)，針對放頂煤開采中的主要困難為頂板煤體破碎性較低，相對不易放出。為有效掌握3308綜放工作面頂煤的運(yùn)移規(guī)律，提高頂煤回收率，根據(jù)工作面的具體地質(zhì)條件，采用PFC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行頂煤垮落特征的分析，數(shù)值建模時，設(shè)置工作面煤層厚度為6.15 m，煤層頂板設(shè)置中粒砂巖和粗粒砂巖兩層巖層，通過模擬分析具體進(jìn)行放煤方式和放煤步距對頂煤放出率的影響分析。

1) 放煤方式：根據(jù)3308綜放工作面的具體地質(zhì)條件，結(jié)合礦井現(xiàn)有綜放工作面的生產(chǎn)經(jīng)驗，分別模擬分析單輪放煤、雙輪放煤和單輪間隔放煤三種放煤方式，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出不同放煤方式下頂煤垮落、放出及煤損情況如圖3所示。

圖2 頂煤位移曲線圖

圖3 不同放煤方式時下頂煤垮落、放出規(guī)律圖

通過分析圖2可知，工作面采用單輪順序、雙輪順序和單輪間隔放煤方式時，頂煤放出率分別為84.6%、79.5%和82.8%，另外從現(xiàn)場生產(chǎn)實際可知，工作面采用單輪間隔放煤方式時能夠大幅提高工作面的開采效率，工作面現(xiàn)有使用的SGZ-800/2×525型運(yùn)輸機(jī)滿足兩個放煤口同時放煤的工作要求。綜合上述分析可知，工作面合理的放煤方式為兩個放煤口單輪間隔放煤。

2) 放煤步距：根據(jù)工作面的具體特征，現(xiàn)分別模擬分析一刀一放、兩刀一放和三刀一放三種放煤步距下頂煤垮落、放出及煤損特征，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出不同放煤步距下的頂煤放出特征如圖4所示。

圖4 不同放煤步距下頂煤垮落、放出及煤損特征圖

通過分析數(shù)值模擬結(jié)果和圖2可知，工作面在采用一刀一放、兩刀一放和三刀一放時，頂煤的放出率分別為85.22%、81.31%和74.47%，據(jù)此可知，工作面頂煤的放出率隨著放煤步距的增大而逐漸減小。故而頂煤的合理放煤步距為一刀一放，即放煤步距為0.8 m。

綜合上述分析，確定3308綜放工作面采用一刀一放的放煤方式，確定放煤步距為0.8 m。

3.2 放煤工業(yè)性實踐

3308綜放工作面在開采過程中，在頂煤中每間隔0.6 m設(shè)置一個位移監(jiān)測點(diǎn)，共計在頂煤中設(shè)置5個位移觀測點(diǎn)，根據(jù)工作面回采過程中，能夠監(jiān)測得出工作面頂煤運(yùn)移規(guī)律與距煤壁距離的關(guān)系曲線圖如圖5所示。

圖5 頂煤不同深度處縱向位移曲線圖

分析圖5可知，頂煤的有效超前影響距離為7～10 m，在該區(qū)域內(nèi)煤壁處的下沉量小于200 mm，該區(qū)域煤壁處的下沉距離約為200 mm，區(qū)域內(nèi)無片幫現(xiàn)象出現(xiàn)。且隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，煤壁處頂煤的下沉存在著一定的滯后現(xiàn)象，且工作面煤壁處和煤壁后方2 m范圍內(nèi)的頂煤的下沉量基本相同；工作面煤壁后方4 m后，頂煤的下沉量開始逐漸增大，從圖中能夠看出，此時頂煤的運(yùn)移量由300 mm增大為1 000 mm，在工作面回采作業(yè)時，表現(xiàn)為頂煤放煤破碎效果好，且未出現(xiàn)任何的卡堵現(xiàn)象。

根據(jù)3308工作面回采期間的現(xiàn)場觀測情況可知，煤壁完整、破損及頂煤的整體垮落情況如圖6所示。

圖6 頂煤垮落與煤壁情況圖

根據(jù)工作面回采期間的現(xiàn)場觀測可知，工作面內(nèi)采用的ZF7000-20/36 型液壓支架有效支撐頂煤，確保了工作面煤壁的完整性，有效避免了回采過程中煤壁片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)，工作面在采用兩口單輪放煤、一采一放的放煤工藝后，破拱后頂煤的垮落效果較好，頂煤能夠及時的垮落，基本無大塊煤卡堵的現(xiàn)象出現(xiàn)，不僅提高了頂煤回采率，同時在極大程度上提升了工作面的放煤效率。

4 結(jié) 語

根據(jù)3308綜放工作面的地質(zhì)條件，通過分析頂煤破碎機(jī)理及運(yùn)移規(guī)律，結(jié)合工作面特征進(jìn)行放煤工藝參數(shù)的設(shè)計分析，確定頂煤采用兩口單輪放煤、一刀一放的放煤工藝，放煤步距為0.8 m，根據(jù)工作面回采期間的現(xiàn)場觀測可知，放煤工藝應(yīng)用效果較好。