第35卷第11期煤 炭 学 报V o l .35 N o .11 2010年
11月
J O U R N A LO F C H I N AC O A LS O C I E T Y
N o v . 2010
文章编号:0253-9993(2010)11-1837-05
大采高综放开采适应性研究
毛德兵
1,2,3
,姚建国
1,2,3
(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;3.中国煤炭学会岩石力
学与支护专业委员会,北京 100013)
摘 要:通过数值模拟的方法对顶煤冒放性影响因素、煤壁稳定性影响因素进行综合分析,得到了
顶煤拉伸破坏系数与煤壁拉伸破坏系数的多元线性回归方程,给出了大采高综放开采对煤层强度下限以及对煤层开采厚度上限的要求,并在平朔安家岭煤矿和潞安屯留煤矿进行了应用。应用结果表明,大采高综放开采有利于工作面实现安全均衡生产。关键词:大采高综放开采;煤壁稳定性;顶煤冒放性;适应性中图分类号:T D 823.49 文献标志码:A
收稿日期:2010-07-21 责任编辑:许书阁
基金项目:国家“十一五”科技支撑计划课题资助项目(2008B A B 36B 01) 作者简介:毛德兵(1970—),男,安徽六安人,研究员,博士。T e l :010-********,E-m a i l :m a o d e b i n g @t d k c s j .c o m
A d a p t a b i l i t y o f l o n g w a l l t o p c o a l c a v i n g w i t h h i g hc u t t i n g h e i g h t
M A OD e -b i n g
1,2,3
,Y A OJ i a n -g u o
1,2,3
(1.C o a l M i n i n g ＆D e s i g n i n gB r a n c h ,C h i n a C o a l R e s e a r c hI n s t i t u t e ,B e i j i n g 100013,C h i n a ;2.D e p a r t m e n t o f C o a l M i n i n g ＆D e s i g n i n g ,T i a n d i S c i e n c e ＆T e c h n o l o g y C o .,L t d .,B e i j i n g 100013,C h i n a ;3.R o c k M e c h a n i c s a n d S u p p o r t i n gP r o f e s s i o n a l C o m m i t t e e ,C h i n aC o a l S o c i e t y ,B e i j i n g 100013,C h i n a )
A b s t r a c t :
B a s e d o n t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s o f c o a l w a l l s t a b i l i t y a n d t o p c o a l c a v a b i l i t y i n l o n g w a l l t o p c o a l c a v i n g f a c e w i t h h i g h c u t t i n g h e i g h t ,t h e m u l t i p l e l i n e a r r e g r e s s i o ne q u a t i o n s o f t o p c o a l a n d c o a l w a l l t e n s i l e f a i l u r e c o e f f i -c i e n t s w e r e p u t f o r w a r d .A c c o r d i n g t o t h e r e l a t i o n s h i p o f m i n i n g h e i g h t ,c o a l h e i g h t a n d c o a l s t r e n g t h ,l o w e r l i m i t o f c o a l s t r e n g t h a n d u p p e r l i m i t o f m i n i n g h e i g h t w e r e s u g g e s t e d .A c t u a l p r a c t i c e i nA n j i a l i n g a n dT u n l i u
C o a l M i n e s s h o w s t h a t l o n g w a l l t o p c o a l c a v i n g w i t h h i g h c u t t i n g h e i g h t i s a n e f f e c t i v e a p p r o a c h t o s a f e t y a n d h i g h -e f f i c i e n c y .K e y w o r d s :l o n g w a l l t o p c o a l c a v i n g w i t h h i g h c u t t i n g h e i g h t ;c o a l w a l l s t a b i l i t y ;t o p c o a l c a v a b i l i t y ;a d a p t a b i l i t y 大采高综放开采,即工作面采煤机割煤高度大于
3.5m 的综放开采[1]
。大采高综放工作面不仅可增大工作面通风断面、降低工作面风阻、缩短放煤时间、提高工作面采出率,而且为大功率高可靠性大采高采运设备发挥设备优势创造了条件,为工作面支架后部通风与放煤提供了空间,为工作面放煤口附近瓦斯稀释提供了保证,有利于工作面实现安全均衡生产[2]
,因此已成为实现进一步安全高效综放开采的重要途径。对于厚及特厚煤层条件,大采高综放开采的安全性较普通综放开采在顶板、瓦斯、自然发火等灾害控制方面具有一定的优越性[3-8]
。但与普通综放开采相比,大采高综放开采割煤高度加大,根据煤矿安全规程,顶煤允许放出厚度加大,因此工作面煤壁稳定性、顶煤冒放性将成为影响大采高综放开采应用的主
要问题[9-14]
。本文通过数值模拟的方法研究了影响
大采高综放开采顶煤冒放性以及煤壁稳定性的因素,得到判断大采高综放开采适应性的关系式,并进行了应用。
1 顶煤冒放性影响因素的综合分析
1.1 顶煤冒放性数值模拟正交方案的设计
由于煤体抗压不抗拉的性质,拉伸破坏区域大小可作为衡量顶煤破坏程度的重要指标,因此本文定义了顶煤拉伸破坏系数来定量描述顶煤冒放性。顶煤拉伸破坏系数即工作面推进方向单位宽度范围内控顶区顶煤拉伸破坏面积与控顶区顶煤的面积之比。采用正交试验法对大采高综放工作面割煤高度、顶煤厚度、煤层强度和煤层埋藏深度等4个因素各取5个
DOI :10.13225/j .cn ki .jccs .2010.11.013
煤 炭 学 报2010年第35卷
水平建立正交试验方案,研究这4个因素对顶煤拉伸
破坏系数的影响,各因素及水平见表1,试验结果见
表2。
表1 顶煤冒放性模拟的因素及水平
T a b l e1 T h e f a c t o r s a n di t s l e v e l s o f t o pc o a l
c a v a b i l i t yn u me r i c a l s i m u l a t i o n
因 素割煤高
度/m
顶煤厚
度/m
煤层普氏
硬度系数
埋藏深
度/m
水平1220.5100水平2341.0200水平3481.5300水平45122.0400水平56163.0600
表2 顶煤冒放性数值模拟正交试验结果
T a b l e2 O r t h o g o n a l e x p e r i me n t r e s u l t s o f t o pc o a l
c a v a b i l i t yn u me r i c a l s i m u l a t i o n
方 案割煤高
度/m
顶煤厚
度/m
煤层普氏
硬度系数
埋藏深
度/m
顶煤拉伸
破坏系数
1220.51000.90
2241.02000.55
3281.53000.28
42122.04000.10
52163.06000.08
6321.03000.78
7341.54000.50
8382.06000.35
93123.01000.22
103160.52000.33
11421.56000.90
12442.01000.40
13483.02000.28
144120.53000.45
154161.04000.42
16522.02000.80
17543.03000.31
18580.54000.68
195121.06000.45
205161.51000.50
21623.04000.35
22640.56000.90
23681.01000.70
246121.52000.60
256162.03000.41
1.2 顶煤冒放性多因素分析结果
由表2可知,除煤层埋藏深度以外,割煤高度、顶煤厚度、煤层普氏硬度系数与顶煤拉伸破坏系数符合较好的对数关系,拟合曲线的相关系数R2分别为0.9945、0.9815、0.9938。煤层埋藏深度与顶煤拉伸破坏系数相关性差,特别是当煤层埋藏深度超过一定深度后,埋深对顶煤冒放性的影响不明显,在此取埋深300m作为恒定值,则顶煤拉伸破坏系数与割煤高度、顶煤厚度、煤层普氏硬度系数等因素的对数形式有近似的线性关系,进行多元线形回归可得
Y d=0.653873+0.192073l n h-
0.18703l n(M-h)-0.21537l n f(1)式中,Y d为顶煤拉伸破坏系数;h为割煤高度;M为煤层厚度;f为煤层普氏硬度系数。
进行显著性判断,方程的F=24.44135,K=4, N=25,当α=0.10时,F4,5=3.01,F>F4,5,说明回归方程显著,用该方程可以对特定条件下大采高综放工作面顶煤冒放性进行预测。
2 煤壁稳定性影响因素的综合分析
2.1 煤壁稳定性评价指标的提出
随着工作面的推进,煤体逐渐由三向应力状态向二向应力状态或单向应力状态转变,由于水平压力的迅速减小,煤体向采空区的水平位移量不断增加,煤体从受压状态逐渐转变为受拉状态,宏观上,煤体内部出现大量张拉裂隙并开始扩展为裂缝,在外部扰动下容易发生片帮。因此煤壁前方拉伸破坏区域的存在及破坏程度是导致煤壁失稳的关键[15]。为了定量描述煤壁破坏情况,评价煤壁稳定性,在此定义煤壁拉伸破坏系数,即煤壁前方拉伸破坏煤体的面积与割煤高度范围内沿工作面走向单位长度煤体面积的比值。
2.2 煤壁稳定性数值模拟正交方案的设计
采用正交试验法对大采高综放工作面割煤高度、煤层厚度、煤层强度和支架支护强度等4个因素各取5个水平建立正交试验方案,研究这4个因素对煤壁拉伸破坏系数的影响,各因素及水平见表3,试验结果见表4。
表3 煤壁稳定性模拟的因素及水平
T a b l e3 T h e f a c t o r s a n di t s l e v e l s o f c o a l w a l l
s t a b i l i t y n u m e r i c a l s i m u l a t i o n
因 素
割煤高
度/m
煤层厚
度/m
煤层普氏
硬度系数
支护强
度/M P a 水平1260.50.2
水平2381.00.4
水平34121.50.8
水平45162.01.0
水平56203.01.4
1838
第11期毛德兵等:大采高综放开采适应性研究
表4 煤壁稳定性数值模拟正交试验结果
T a b l e4 O r t h o g o n a l e x p e r i m e n t r e s u l t s o f c o a l w a l l
s t a b i l i t yn u me r i c a l s i mu l a t i o n
方 案割煤高
度/m
煤层厚
度/m
煤层普氏
硬度系数
支护强
度/M P a
煤壁拉伸
破坏系数
1260.50.21.77
2281.00.41.41
32121.50.80.95
42162.01.00.91
52203.01.40.59
6361.00.81.66
7381.51.01.15
83122.01.40.71
93163.00.20.87
103200.50.42.40
11461.51.40.90
12482.00.21.23
134123.00.40.82
144160.50.82.32
154201.01.01.75
16562.00.41.68
17583.00.81.04
185120.51.02.67
195161.01.42.06
205201.50.22.24
21663.01.01.28
22680.51.42.81
236121.00.23.00
246161.50.42.07
256202.00.82.03
2.3 煤壁稳定性多因素分析结果
由表4可知,煤壁拉伸破坏系数与割煤高度、煤层厚度、煤层强度、支护强度有很强的相关性,相关系数R2分别为0.9904、0.9750、0.9652、0.9906,即煤壁拉伸破坏系数与各因素的指数形式有近似的线性关系,进行多元线形回归可得
Y b=2.005664+0.0026e h+0.000043e M-
0.0648e f-0.1283e p(2)式中,Y b为煤壁拉伸破坏系数;p为支架支护强度。
进行显著性判断,方程的F=15.27,K=4,N= 25,当α=0.10时,F4,5=3.01,F>F4,5,说明回归方程显著,用该方程可以对特定条件下大采高综放工作面煤壁稳定性进行预测。
3 大采高综放开采适应条件的分析
3.1 顶煤的冒放性条件
放煤口上方顶煤是否充分破碎是顶煤能否顺利放出的关键,由于剪切破坏的顶煤处于受压状态,不易冒落,只有放煤口上方顶煤不存在厚度较大的剪切破坏区域时才能保证顶煤及时冒落和较高的采出率,通过对25个模拟方案的模拟分析表明,共有20个模拟方案的顶煤拉伸破坏系数大于0.3,在这20个方案中,支架上方顶煤拉伸破坏区域接近甚至达到直接顶板,而当顶煤拉伸破坏系数小于0.3时,放煤口上位存在厚度大于2m的顶煤处于剪切破坏状态,此时顶煤损失较大,因此将顶煤拉伸破坏系数为0.3作为顶煤是否充分破碎的判断指标。
为保证顶煤充分冒落,必须满足
Y d=0.653873+0.192073l n h-
0.18703l n(M-h)-0.21537l n f≥0.3
整理得
0.353873+0.192073l n h-0.21537l n f-
0.18703l n(M-h)≥0(3) 3.2 煤壁的稳定性条件
在煤壁稳定性模拟研究中,通过对25个方案的模拟分析表明,共有13个方案的煤壁拉伸破坏系数大于1.5,在这13个方案中,煤壁表面拉伸破坏区域贯穿到整个煤壁高度范围,煤壁稳定性完全丧失,在该条件下必将发生煤壁片帮,而在煤壁拉伸破坏系数小于1.5时,没有发生整个煤壁的拉伸破坏情况,可视为煤壁仍有一定的承载能力,未完全失稳。因此煤壁拉伸破坏系数为1.5作为煤壁是否失稳的判断指标。
模拟结果表明,支架支护强度越大,越有利于煤壁稳定性控制,但增大的支护强度需要加大立柱缸径,从而占用工作面行人空间,而且也会给支架设计带来困难。因此,支护强度受支架设计、制造水平以及开采投入成本的限制,不可能无限增长。根据目前综放支架发展情况,为研究大采高综放开采的适应性,认为大采高综放支架极限支护强度不宜超过1.5M P a,在此p=1.5M P a,由式(2)可知,为保证煤壁稳定性控制,割煤高度、煤层厚度和煤层普氏硬度系数必须满足
Y b=2.005664+0.0026e h+0.000043e M-
0.0648e f-0.1283e p≤1.5
整理得
-0.06934+0.0026e h-0.0648e f+
0.000043e M≤0(4) 3.3 大采高综放开采适应条件的分析结果
为了保证综放开采煤壁稳定性和较高的顶煤采出率,割煤高度、煤层厚度和煤层强度必须同时满足式(3)、(4)。取割煤高度为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0m,由此可得到不同割煤高度下,煤
1839
煤 炭 学 报
2010年第35卷
层厚度和煤层普氏硬度系数的相互关系,见表5。
表5 不同割煤高度下对煤层强度和煤层厚度的要求T a b l e 5 T h e r e q u i r e me n t s o f c o a l s t r e n g t ha n ds e a m
t h i c k n e s s w i t hd i f f e r e n t c u t t i n gh e i g h t
割煤高度/m
对煤层强度的要求
对煤层厚度的要求
2.0f >0.5<10m 2.5f >0.6<12m
3.0f >0.7<14m 3.5f >0.8<16m
4.0f >1.0<17m 4.5f >1.2<18m
5.0f >1.6<21m 5.5f >1.8<24m
6.0
f >2.5
<27m
4 大采高综放开采适应性评价的应用
4.1 安家岭煤矿
安家岭煤矿首采B 901工作面,煤层平均厚度
13.14m ,其普氏系数平均为2.05,根据大采高综放开采对煤壁稳定性及顶煤冒放性的要求,将煤层普氏硬度系数f =2.05代入式(3)、(4),可得到煤层厚度与割煤高度的关系曲线,如图1所示,图中A 和B 点对应的横坐标为该条件下采用综放开采对割煤高度上、下限的要求,分别为3.1和4.6m 。当割煤高度小于3.1m 时,顶煤将难以充分冒落,采出率较低;当割煤高度大于4.6m 时,煤壁稳定性控制将较为困难
。
图1 B 901工作面煤层厚度与割煤高度的关系曲线
F i g .1 T h e r e l a t i o n s h i p o f s e a m t h i c k n e s s a n d
c u t t i n g h e i g h t i nB 901w o r k i n g f a c e
根据以上分析,在B 901工作面采用大采高综放
开采是可行的,工作面实际割煤高度为3.5m 。首采工作面试验期间最高日产达38482t ,连续3个月产量分别达到71.4、76.4、74.1万t ,工作面采出率为82%～88%,平均85%。4.2 屯留煤矿
屯留煤矿S 2202工作面煤层平均厚度6.24m ,
其普氏硬度系数平均为1.1,根据大采高综放开采对
煤壁稳定性及顶煤冒放性的要求,将煤层普氏硬度系数f =1.1代入式(3)、(4),可得到煤层厚度与割煤高度的关系曲线,如图2所示,图中A 和B 点对应的横坐标为该条件下采用综放开采对割煤高度上、下限
的要求,分别为1.4和3.7m 。当割煤高度小于1.4m 时,顶煤将难以充分冒落,采出率较低;当割煤高度大于3.7m 时,煤壁稳定性控制将较为困难。
图2 S 2202工作面煤层厚度与割煤高度的关系曲线
F i g .2 T h e r e l a t i o n s h i p o f s e a mt h i c k n e s s a n d
c u t t i n g h e i g h t i nS 2202w o r k i n g f a c e
由于屯留煤矿为高瓦斯矿井,且瓦斯吸附性强,为防瓦斯超限,需加大采煤机割煤高度以增加工作面
过风断面。根据以上分析,将S 2202工作面割煤高度加大到3.5m ,采用大采高综放开采。工业性试验期间,最高日产24188t ,最高月产44.5万t ,单产水平较周边同类矿井大幅提高。
5 结 论
(1)根据保证综放开采煤壁稳定性和顶煤冒放性的要求,分析了大采高综放开采适应性,提出了割煤高度h 、煤层厚度M 和煤层普氏硬度系数f 必须同时满足的关系,并给出了大采高综放开采对煤层强度下限以及对煤层开采厚度上限的要求。
(2)根据研究成果分析了具体煤层条件下大采高综放开采的适应性。实际应用表明,大采高综放开采有利于工作面实现安全均衡生产,大采高综放开采是厚及特厚煤层进一步提高单产水平、实现安全高效
高采出率的重要途径。参考文献:
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