厚煤层放顶煤开采中放煤方式的选取模拟分析

王 良

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司， 山西 长治 046100）

我国厚煤层的储量丰富，且厚煤层的产煤量大，占据我国总产煤量的40%以上。随着综采放顶煤技术的发展应用，厚煤层的开采效率不断提升，但对顶煤的采出率较低，成为限制放顶煤开采产量的障碍，并且造成了煤炭资源的浪费，降低了煤矿的经济效益[1]。进行放顶煤开采的过程中，综放开采煤量的损失占总损失煤量的65%以上，成为降低采出率的主要因素。针对某厚煤层综放开采过程中放煤方式的不同，采用仿真分析的方式对不同放煤方式的采出率进行模拟分析[2]，从而选取适合的放煤方式，改善放煤工艺，提高顶煤的采出率，同时提高煤矿的经济效益。

1 厚煤层放顶煤开采仿真模型的建立

进行厚煤层的放顶煤开采时，顶煤的冒放性是进行综放开采的前提，工作面顶煤采用爆破的形式进行弱化，可提高顶煤的冒放性，从而有助于顶煤的综采。进行顶煤放煤过程中，破碎的煤岩颗粒会沿阻力最小的路径流动[3]，形成煤岩介质的流动场。常用的顶煤放煤方式包括分段间隔放煤、分段多轮间隔放煤及分段顺序放煤三种形式[4]。采用离散元模拟的形式对三种不同的放煤方式进行分析，建立离散元放煤仿真模型。

PFC 软件是进行煤岩颗粒几何体研究分析的有效工具，可直接模拟颗粒间的运动及相互作用，从而对顶煤的采出率进行分析。采用PFC 二维颗粒流动的程序，构建顶煤的数值分析模型，煤层的平均厚度为13 m，煤层倾角为1°～3°，煤层倾角对顶煤的冒放性影响不大，在分析中岩层设定为水平状态[5]。放顶煤开采对周边的围岩应力具有一定的影响，考虑到边界效应的影响，为消除边界效应，在模型的两端保留30 m 的顶煤，不进行放煤，设置100 m 的煤层模型进行放煤作业[6]，模型如图1 所示，总长为160 m，模型的组成主要包括煤层、夹矸层、泥岩层、砂岩层等，总高度为30 m，依据现场煤层的地质条件进行分布，设定各煤层的物理性质。

图1 放顶煤开采仿真模型

对放顶煤开采的放煤方式进行模拟分析，在建模过程中不考虑采煤的过程影响，从顶煤开始建模，模型的底部及两侧为墙体，对煤层颗粒进行固定及支撑，模型的顶部施加2 MPa 的载荷，以模拟来自上覆岩层的压力[7]。在模型开始放煤时，对底部与放煤步距相同的墙体进行删除设定，从而形成放煤口放煤，同时加载支架尾梁墙体，放煤口见矸后自动前移一个放煤步距，完成一次放煤过程，并进入下一个循环，进行下一次放煤。随着放煤口的前移，设定程序自动加载煤层的底板，煤层底板墙体与顶煤的距离为放顶煤的采高[8]，从而保证放煤空间与实际一致。依据煤层的开采条件，设定采高为4 m，采用一采一放的放煤步距为0.6 m，在工作面15 m 的长度上对三种放煤方式进行模拟分析[9]，统计顶煤的放出率。

2 厚煤层放顶煤开采采出率的仿真分析

2.1 分段间隔放煤仿真分析

厚煤层放顶煤开采中分段间隔放煤：首先对4 个奇数支架进行放煤作业，放煤完成后，打开4 个偶数号支架进行放煤见矸，这种放煤方式的操作简单，放煤过程中煤矸界面受到的扰动作用小，形成的混矸少，支架上方的顶煤不易积压。奇数号支架的顶煤先放出，形成放煤漏斗，然后进行偶数号支架的顶煤放出[10]，放煤完成后的顶煤如下页图2 所示。采用分段间隔放煤形式进行放煤作业时，相邻的奇数支架在放煤口上方形成的椭球体的短轴距离会小于放煤口的间距，从而形成一定量的脊背煤，当进行偶数支架的放煤作业时，部分脊背煤会流到奇数支架上方而无法进行放出。对分段间隔放煤形式顶煤放出量进行统计，此时的顶煤采出率为90.1%。

图2 分段间隔放煤完成模型

2.2 分段多轮间隔放煤仿真分析

厚煤层放顶煤开采分段多轮间隔放煤：首先对4个奇数支架进行放煤作业，放煤量为全部顶煤的1/2，然后再打开偶数编号的4 个支架进行1/2 放煤作业，完成第一轮的放煤作业，然后进行重复两轮放煤，第二轮放煤见矸，完成放煤作业[11]，放煤完成后顶煤如图3 所示。采用分段多轮间隔放煤作业，煤矸界面的下降过程平稳，不会形成煤拱现象，首轮放煤作业中没有顶板的矸石落入放煤口中，第二轮放煤作业时，顶煤的放出率较高，但同时由于煤量的降低，混矸量有一定的增加。对分段多轮间隔放煤形式的顶煤放出量进行统计，此时的顶煤采出率为95.1%，进行放煤作业所需的时间是分段间隔放煤的1.5 倍。

图3 分段多轮间隔放煤完成模型

2.3 分段顺序放煤仿真分析

厚煤层放顶煤开采中分段顺序放煤：按照支架的顺序以4 个支架为一组进行依次放煤作业，每组支架同时进行放煤，一次性放煤见矸。以这种方式进行放煤作业的操作简单，放煤所需的时间较少，放煤过程中放煤口周边的煤岩颗粒受成拱影响不大，能够迅速放出[12]，放煤完成后顶煤如图4 所示。在放煤口边界上的煤岩形成的拱形不会受到破坏，煤岩颗粒的流动不足，由于顶板矸石随着顶煤迅速落入放煤口中，造成相邻支架处的脊背煤无法有效放出，顶煤的放出率较低。对分段顺序放煤形式的顶煤放出量进行统计，此时的顶煤采出率为76.9%。

图4 分段顺序放煤完成模型

2.4 仿真结果分析

对三种不同放煤形式的顶煤采出率进行分析统计，如图5 所示，厚煤层采高为4 m，采用一采一放的放煤步距为0.6 m 开采的工况下，分段多轮间隔放煤形式顶煤的采出率最高为95.1%，是最优的放煤方式。

图5 三种不同放煤形式的顶煤采出率

3 结论

厚煤层采用放顶煤综采的形式进行开采，由于综采工艺煤量损失的存在，造成顶煤的采出率较低，降低了煤炭的开采量，不利于煤矿的经济效益。放顶煤开采中不同的放煤方式对顶煤的采出率具有重要的影响。通过采用离散元仿真分析的形式，对三种放煤方式进行分析，对其顶煤采出率进行统计。结果表明：

1）以分段多轮间隔放煤时顶煤的采出率最高，为95.1%，是最优的放煤方式，这是由于进行多轮次的放煤作业，顶煤在放煤口之间无法形成煤拱，煤矸界面的下降较为稳定，顶煤的采出率较高，但含有一定的夹矸；

2）其次为分段间隔放煤，此时顶煤的采出率为90.1%；

3）最差的为分段顺序放煤形式，顶煤的采出率为76.9%。

因此，在进行厚煤层的放顶煤开采时，可针对放煤方式进行合理的分析选择，从而提高顶煤的采出率，提高煤矿的经济收益。