厚夹矸顶煤放出率计算方法研究①

郭建彪

(安徽矿业职业技术学院,安徽 淮北 235000)

0 引 言

煤炭是我国能源的主要来源,随着我国煤炭开采规模以及机械化程度的不断增大,放顶煤的开采由于低耗、高产等特点,已成为增加煤炭产量的重要采煤工艺之一[1-3]。目前我国含薄夹矸和中厚夹矸的顶煤开采工艺技术已相对较为成熟,而对于含厚夹矸顶煤开采,由于夹矸厚度的增加,导致在实际作业时放顶煤的回收率往往和实际情况有很大差距,以至于实现煤矿顶煤回采率的提升[4],已成为提高煤炭产量,降低资源浪费的重要任务[5]。王家臣教授[6]根据金属矿放矿椭球原理,采用相似模拟实验、数值计算和现场观测等方法,建立了顶煤介质流理论。该模型能直观地反映出在低位放顶煤中的顶煤流动和释放情况,对指导现场放顶煤技术及参数的选择具有重要意义。樊中恩等[7]以铺龙湾煤业5102工作面为研究对象,采用理论分析结合COMSOL数值模拟方法,对含厚夹矸煤层开采过程中顶煤变形破坏机理、开采后煤岩层应力、位移变化进行研究,得出了顶煤放出规律,为提高顶煤的回收率提供了科学依据,除此之外其他多位学者也对厚夹矸煤层的特性及开采技术做出了大量研究。由以往专家研究的成果来看,虽然已有较为成熟的理论分析和相似模拟试验方法,但由于受到开采条件的影响,往往会出现理论分析结果与现场试验结果有较大出入,而本次相似模拟试验的结果则与现场试验结果高度一致,能够较为准确地计算出顶煤放出率。

1 工程概况

朱仙庄煤矿位于宿东矿区东部,是淮北矿业集团在宿县矿区的一座大型矿井。东、西、北三面均以P3煤层露头为界,井田南部以F1断层,F9断层及原蔡桥电厂煤柱为界,F10以南部暂以-700mP8-2煤层底板等高线为界。井田尺寸为:南北走向9.0km,倾斜宽2.8km,面积26km2。

Ⅱ863工作面所在煤层为主采煤层8煤层,煤厚一般为7～13m,两极厚度1.70～28.07m,平均9.98m,均为大部可采煤层。8煤发育不稳定,厚度变化大,煤层顶板裂隙发育,岩石破碎。根据采区及区段巷道布置情况和Ⅱ863综放工作面的地质条件、生产技术条件和生产需要,确定Ⅱ863综放工作面采用两巷布置方式。初期形成工作面工程量为:机巷184m,风巷232m,切眼115 m,合计531 m。

2 散体介质流相似模拟试验

2.1 试验原理

相似材料模型方法的本质就是将类似于原型力学特性的物质按照几何相似常量进行缩制。根据相似程度的差异,将相似物质模型分为以下两类。

(1)定性模型:用模型对原型中出现的现象进行定性的判定,定性模型不需要严格遵守各种相似关系,只需要符合基本的相似常数;

(2)定量模型:相关物理量必须符合相似常数和相似依据。因为该模型需要大量的材料和大量的时间,所以在建立模型之前,必须对模型进行定性分析。

2.2 顶煤放出率计算方法

顶煤放出率对综采放顶煤工艺中判断放煤技术具有重要意义,也是放顶煤综合机械化开采成败的一个重要标准。综采放顶煤工作面的实际采掘高度通常很难用实测方法来确定,而采煤量的精确度也存在较大的差别。因此,在相似试验中,用标记点法代替计算产量进行顶煤放出率的计算。在对煤层放放率进行实验的基础上,利用标志点法对不同煤层进行标记,并对其进行相似模拟,从而确定顶煤放出率。

(1)

式(1)中:q1为放出标志点个数;q2为设置标志点总个数。

2.3 试验设计

基于淮北朱仙庄煤矿Ⅱ863工作面的现场实际情况,相似材料模拟试验在1.8m×1.6m×模型架上进行,试验模型的几何比例常数采用1:20,试验支架高度为12.5cm,放煤步距为6cm,顶煤8煤厚为26cm,夹矸层厚10cm。试验设计总刀数15刀,距离90cm,模拟实际距离18m。试验材料采用砂子、石膏、石灰、巴厘石,针对9煤极软煤层特点,采煤机所采煤层采用细砂、石膏、石灰按照8:1:1.5配制,顶煤采用直径1cm的棕黑色暗红色巴厘石进行模拟,顶部破碎的岩石用2cm左右的白巴厘石进行模拟,以使其在放煤时的运移得到更为准确的测定,对于不同的层位,设置染色并标号的莲子作为标志点,平均粒径为1.5cm。

2.4 试验结果及分析

相似模拟实验中,在不同煤层上设置了同样数目的标记物,但在不同煤层中释放的标记物数目存在差异,自下而上释放的标记物数目分别为30,34,35,35,32,23,24个,具体数据表1所示。工作面散体介质流模拟试验过程如图1所示。

(a)开挖前的模型(b)正常循环放煤

(c)初始放煤 (d)结束放煤

表1 不同层位放出标志点的数量

图2 不同层位的顶煤回收率

从表1和图2的数据分析可以看出,在放煤时,破碎夹矸和顶煤沿最小的路线逐步向放煤口方向运动,从而形成了散体介质的流动区域,根据不同的颗粒尺寸、边界条件、流动阻力等因素,不同的煤层,夹矸、顶煤的放出率也会有所不同,平均放煤率为78%,而在支架附近的夹矸和顶煤接近顶板的上部煤的放出率都比较低,分别为76.9%和61.5%。造成这种情况的原因,是因为在运输和放煤时,离支架较近的夹矸提前向采空区散失,而在顶板附近的顶煤因矸石进入放煤口和见矸关闭的原理,使上部煤层被窜入的矸石从采空区中排出,从而造成了工作面的技术损失。

夹矸层并没有对顶煤冒落形成隔离带,接近86%的夹矸能被顺利放出,少量夹矸遗留在采空区,顶煤随着夹矸层也能顺利放出,上位顶煤在顶板岩石的窜矸的影响下,回收率偏低。整体放煤显得顺利,效果良好。需要指出的是放出的煤量含矸率偏高,能达到30%左右。这是由于夹矸层过厚造成的,在现有装备、技术措施条件下并无其他理想的解决措施,这将给后期煤炭洗选造成困难,成本大大提高。

3 顶煤回收率现场测定试验

在放顶煤开采过程中,对顶煤回收率进行现场监测是一项技术难点,因此现场试验采用顶煤运移跟踪器对顶煤的回收率进行监测。本仪器主要包括信号接收仪(机站)、RF射频标签和射频标签编码等。其基本工作原理是将RF射频标签埋在夹矸和煤层的不同部位,在夹矸和顶煤排出时,将信号接收器(机台)放置在传送带的上端,将射频标签标记的数量和起始位置进行记录,并在抵达地面后进行数据处理,得出所释放射频标签的数量和位置,以此来确定所释放的煤量和位置。从而计算出不同煤层顶煤的放出率。

3.1 顶煤运移跟踪仪布置方案

在工作面的煤壁中部完好无断块的地方,设置一个临时的钻孔平台,从煤壁顶部的架间点开始向斜上方打孔,在同一平面上凿出4个孔。钻孔所处平面与煤壁呈45°角,钻孔长度均为13.7m,钻孔顶点与煤壁间的垂直距离为9.7m。仪器的整体布置如图1,单孔布置方案如图2。

图3 顶煤运移跟踪仪整体布置平面图

图4 顶煤运移跟踪仪单孔布置方案

3.2 试验结果及分析

煤层不同层位共安设了54个标签,煤孔内安装的顶煤运移跟踪仪的标号及放出与否情况如图3、表3所示。

表2 煤层不同层位的顶煤运移跟踪仪放出情况统计表

由表2、图3、图4所示,10.0m以下平均回收率为29/35=82.8%,10.0m以上平均回收率为13/19=68.4%,8煤的平均回收率为42/54=77.8%。将距8煤底板距离划分为上中下3个区间,分别为6m～7m,7.5m～10m以及10.5m以上,每个区间的平均回收率分别为75%,85.7%,68.18%,上下2个区间跟踪仪放出率要明显低于中间跟踪仪放出率,与相似模拟试验得出的结论一致。

表3 机站接收的夹矸中的顶煤运移跟踪仪放出情况统计表

如表3所示,在安装的18个 RF标签中有16个被接收,放出率为16/18=88.9%,可以得出8,9煤之间夹矸的破碎程度较好,另一方面说明合层综放开采时夹矸对煤层的冒放性影响不大。

根据试验得出,淮北朱仙庄煤矿Ⅱ863综放工作面8煤的平均回收率为42/54=77.8 %,夹矸的放出率为16/18=88.9%,9煤的回收率按照95%计算的话,8煤、9煤的总体回收率为85.1 %。这与室内试验所测结果相比较小,其原因包括多种因素,如煤层厚度的变化、放煤步距、放煤方式损失顶煤破坏程度等。

4 结 论

基于淮北朱仙庄煤矿Ⅱ863工作面的现场实际情况,在1:20比例下设计并搭建了散体介质流模拟试验平台,通过相似模拟,得到了含厚夹矸综采过程的顶煤回收率及其运移规律:顶煤平均放出率78%,靠近支架的下位顶煤和靠近顶板的上位顶煤的放出率均较低,分别为76.9%和61.5%。而中间顶煤放出率较高为89.7%,呈现“两头低中间高”的规律。

含厚夹矸综放开采时,会造成煤量含矸率偏高,能达到30%左右。这是由于夹矸层过厚造成的,在现有装备、技术措施条件下并无其他理想的解决措施,这将给后期煤炭洗选造成困难,成本大大提高。