深部煤层进行低能耗开采的工艺效果分析

罗志强

（晋能控股煤业集团燕子山矿安全生产指挥中心，山西 大同 037000）

引言

煤炭是我国现阶段主要的能源形式，具有较大的需求量及开采量，随着煤层的不断开采，深部煤层的开采成为主要的采煤形式。我国的煤炭储量中有较多的深部煤层存在，埋深超过一千米的煤层储量占到探明储量的多于50%[1]。随着煤层埋深的增加，煤矿的开采深度不断增加，深部的地质环境对采掘设备的工作效率造成了严重的影响，地应力的存在提高了煤岩的强度，降低了采煤截割的效率。对于深部煤层的开采，对高强度煤岩的破岩形式进行改进，从而形成诱导煤岩损伤的形式进行采煤，可以提高截割的效率，并且降低采煤过程中的能耗[2]。针对深部煤层的低能耗开采，采用仿真模拟的形式对工艺效果进行评价分析，从而优化深部煤层的开采形式，提高采煤的效率，并降低能耗，提高煤矿的经济效益。

1 深部煤层低能耗开采工艺

深部煤层的埋存深度较大，由于岩层地应力的存在，深部煤层受到的地应力作用较大，并且在较大应力的作用下形成的煤岩的强度较大。在一定的截割条件下，煤岩在较高的应力作用下会发生损伤，引起强度的劣化[3]，从而提高煤岩的可截割性能。深部煤岩在受到局部卸荷作用时会改变煤岩的边界条件，使得内部的压力得到释放，降低煤岩的强度，同样实现提高煤岩的可截割性能[4]。

深部煤层在较高的地应力作用下，受到较大的围岩压力，形成的煤岩硬度较高，同时也改变了煤岩内部主应力的方向，使得煤岩内部竖向裂隙的发展受到限制，从而向水平方向或煤岩的自由面进行发育，使得截割力较大，进行截割的能耗较大[5]。对深部煤岩的开采，单纯的改变截割条件，提高截割深度或截割速度，可以改变煤岩的破坏形式，提高煤岩的裂纹破坏体积，但提高截割深度或截割速度，对采煤机的性能具有较高的要求，且增加了采煤的截割比能耗，不利于煤矿的节能开采[6]。

深部煤层的煤岩厚度较大，对深部煤岩进行中部切槽处理，一方面可以全部或部分释放煤层的内应力，降低煤岩的强度，使煤岩较容易发生脆性破坏，降低截割比能耗；另一方面，中部切槽可改变主应力的方向[7]，使得裂隙向着深部发育，诱导煤岩的截割以拉伸破坏为主，减小截割的碎屑，从而减小截割力，是进行深部煤岩开采时降低能耗的有效方式[8]。

为适应深部煤层大厚度的开采需求，采煤机逐渐向着极厚煤层的应用发展，特别是三滚筒采煤机的设计应用，可适用于7 m～10 m的厚煤层大采高的综采[9]。三滚筒采煤机在开采过程中对工作面划分为上中下三部分，分别采用3 个滚筒进行截割开采，如图1 所示，实现对深部煤层的中部切槽处理。前部滚筒进行煤层中部的截割，将煤层打开缺口，煤岩内储存的大量能量可自由地被激发释放，提高煤岩的破碎率，且上部与下部的煤层产生自由面，则可以实现煤层压力的卸荷，同时可进行内部应力的释放[10]，利用中部滚筒进行上层煤层的截割，后部滚筒进行下部煤层的截割。采用三滚筒采煤机结合中部切槽的方式对深部煤层进行截割，实现低能耗的开采方式，对其工艺效果进行分析。

图1 三滚筒采煤机截割采煤示意图

2 深部煤层低能耗开采工艺效果模拟分析

2.1 深部煤层正常开采模拟分析

采用PFC 软件数值模拟的形式对煤岩截割的工艺效果进行评价分析，首先针对深部煤层正常截割的工况进行模拟。利用PFC 软件对单齿截割的截割力及能耗进行分析，依据某煤矿的地质条件，建立煤层赋存的物理模型，对性质相近的岩层设为一层，采用平行粘接的模型，煤层的平均颗粒半径设为0.05 mm，采用混合边界的形式[11]，模型的下边界及左右边界均采用位移边界，上边界为应力边界，模拟煤岩的压力加载为22 MPa，建立截割模型为200 mm×100 mm。对模型进行应力边界的加载，然后删除上部的边界，导入截齿模型，截齿长度为100 mm，截齿的工作倾角为55°，将截齿加载至设定的截割深度10 mm 的位置，对模型进行截割模拟[12]，如图2 所示，此时煤岩内产生一定的裂隙。

图2 煤岩截割加载模型

截齿作用于煤岩后，改变煤岩内部的应力，在截齿的齿尖处产生裂隙，并逐渐发展，同时受到截齿的挤压作用，促进裂纹的发展，实现煤岩的超前截割。对截割过程中的截割力进行统计提取，如图3 所示。从图3 中可以看出，在进行煤岩截割的过程中，最大的截割力为64.3 kN，平均截割力为5.07 kN，此时的截割比能耗为12.4 kWh/m3。

图3 煤岩截割开采的截割力变化

2.2 深部煤层低能耗开采模拟分析

采用中部切槽的方式结合三滚筒采煤机对深部煤层进行低能耗开采，在煤岩的模型中进行中部切槽开挖，对截齿进行加载，得到低能耗开采的模型如图4 所示。三滚筒采煤机对顶煤的截割沿着煤层的主裂纹发生破坏，形成较大的煤岩颗粒，提高块煤率；底部煤层的开采呈现间断性的破坏，有利于降低截割比能耗。

图4 深部煤岩低能耗开采模型

对深部煤层低能耗开采的截割力进行统计提取，得到煤岩的截割力变化如图5 所示。从图5 中可以看出，在进行低能耗开采时最大的截割力为49.6 kN，平均截割力为3.34 kN，此时的截割比能耗为10.2 kWh/m3。

图5 煤岩低能耗截割开采的截割力变化

对比深部煤层低能耗开采及正常开采时的截割力及截割比能耗可以发现，采用低能耗开采的工艺方式进行深部煤层的开采，最大截割力下降22.9%，截割比能耗下降17.7%。采用低能耗开采的方式具有良好的工艺效果，可以提高深部煤层开采的效率。

3 结论

煤层的埋深越大，则受到的地应力作用越大，形成煤岩的强度越大，在开采过程中，单纯的提高截割深度或截割转速，会造成截割力较大，截割消耗的能量较大，并对综采设备的效率造成严重的影响。针对深部煤层的开采，提出低能耗的开采方式，采用三滚筒采煤机对煤层进行中部切槽处理，一方面可以释放煤层内部的应力，提高煤岩的可截割性能，另一方面，三滚筒同时进行截割作业，实现大采高采煤。对深部煤层低能耗开采的工艺效果进行仿真分析，结果可知，采用低能耗截割开采相对正常截割时可降低最大截割力22.9%，降低截割比能耗17.7%，具有较好的工艺效果，实现对深部煤层的节能开采，并可提高截割效率。