特厚煤层综采放顶煤开采中顶煤放煤工艺优化研究

《Results in Engineering》：Study of Optimizing Top Coal Caving Processes in the Fully-mechanized Caving Mining of Extra-Thick Coal Seams

　　

随着智能化技术在厚煤层综采放顶煤(fully-mechanized caving mining)中的应用不断深入，多种放煤工艺(caving technique / coal-drawing process)的实施成为可能。然而在多放煤口(multiple coal-drawing openings)协同放煤时，仍存在顶煤运移(top coal migration)规律不明确、回收率(recovery rate)不确定等问题。研究人员基于Bergmark-Roos方程(Bergmark-Roos equation)分析了单口放煤(single-opening coal drawing)过程中煤岩运移规律及煤岩分界面(coal–rock interface)变化，采用连续-非连续单元法(CDEM, Continuum-Discontinuum Element Method)建立单口放煤数值模型，并将该模型进一步应用于模拟单口单轮顺序放煤(1R1O, single-round and single-opening sequential caving)、两组双口单轮顺序放煤(G2O, group two-opening single-round sequential caving)、三组三口单轮顺序放煤(G3O, group three-opening single-round sequential caving)、过放煤三组三口单轮顺序放煤(O-G3O, over-drawn group three-opening single-round sequential caving)、两轮双口顺序放煤(2R2O, two-round and two-opening sequential caving)及三轮三口顺序放煤(3R3O, three-round and three-opening sequential caving)等多种单口与多口放煤工艺下的顶煤运移规律、回收率及含矸率(gangue content)。研究结果表明，三口放煤工艺显著缓解了拱效应(arching effect)造成的顶煤难放出问题；采用3R3O时煤岩分界面均匀下沉且形态较平整，顶煤回收率最高，达93.09%，其次依次为2R2O(89.72%)、O-G3O(89.5%)、G3O(84.48%)、G2O(81.73%)及1R1O(72.35%)。本研究为特厚煤层综采放顶煤智能化、精细化放煤提供了理论与工程指导。

论文解读：特厚煤层综采放顶煤开采中顶煤放煤工艺优化研究

该论文发表于《Results in Engineering》。研究背景方面，煤炭是我国能源安全的"压舱石"，厚及特厚煤层储量约占全国煤炭储量的45%，综采放顶煤(fully-mechanized top-coal caving mining)是开采厚煤层的主要方法，具有投资低、能耗低、效率高的优势。随着放顶煤开采向自动化和智能化发展，对单口及多口放煤口的精确控制成为可能，使厚煤层放顶煤进入精细化作业阶段。然而现有文献对协同多轮多口放煤工艺(cooperative multi-round and multi-opening caving processes)的系统对比研究较少，在智能放煤系统背景下，不同放煤工艺下顶煤流动特征和回收率尚不清楚，制约了智能综放工作面的进一步优化和精细化开采。塔山煤矿8222工作面原采用单轮单口顺序放煤(1R1O, single-round and single-opening sequential caving)，顶煤回收率仅约70%，遗留残煤量大，有必要探究更优放煤工艺以提高资源采出率。研究人员以塔山煤矿8222工作面（开采石炭系3–5号煤层，平均煤厚14.11 m，属特厚煤层，采高3.5 m）为依托，基于Bergmark-Roos松散体放煤理论分析顶煤运移规律，采用连续-非连续单元法(CDEM, Continuum-Discontinuum Element Method)建立数值模型并开展物理相似模拟验证，对比分析了1R1O、两组双口单轮顺序放煤(G2O, group two-opening single-round sequential caving)、三组三口单轮顺序放煤(G3O, group three-opening single-round sequential caving)、过放煤三组三口单轮顺序放煤(O-G3O, over-drawn group three-opening single-round sequential caving，放煤截止条件为含矸率达10%)、两轮双口顺序放煤(2R2O, two-round and two-opening sequential caving)及三轮三口顺序放煤(3R3O, three-round and three-opening sequential caving)共六种放煤工艺下的顶煤回收率、煤岩分界面演化及残煤形态，并在现场进行工业性试验验证。研究发现3R3O工艺使煤岩分界面均匀下沉、残煤最少，顶煤回收率达93.09%（现场实测91.2%），较传统1R1O提高约20个百分点，为特厚煤层智能化综放精细化放煤提供了理论依据与实践指导。

研究人员开展研究用到的主要关键技术方法如下：基于Bergmark-Roos松散体放煤理论(Bergmark-Roos hypothesis / random medium flow theory)分析单口放煤时放出椭球体(drawn ellipsoid, Q_d)、松动椭球体(loosened ellipsoid, Q_l)及煤岩分界面(coal–rock interface)漏斗状沉降演化规律与相邻支架间残煤形成机制；以塔山煤矿8222工作面地质生产技术条件为依据，采用连续-非连续单元法(CDEM)建立沿工作面倾向二维数值模型（模型总长160 m，布置68个放煤口，两端各留20 m非放煤区，边界固定，煤层分为上中下三层并覆直接顶，顶煤颗粒设分层粒径且抗拉强度为零、视为准刚体无二次破碎，液压支架承担顶煤及直接顶全部载荷），设定见矸关门("close upon gangue appearance")为放煤截止准则（O-G3O除外为含矸率10%），模拟六种放煤工艺；开展几何比1:10的物理相似模拟实验（顶煤分层铺设不同粒径颗粒模拟垂向块度分级、上覆直接顶，单口放煤见矸关门），对比验证CDEM模型所再现的放出漏斗形态与颗粒流特征；数值模拟中通过在顶煤内设置标记层追踪颗粒运动轨迹、识别放出体与松动体形态；按放煤区域内放出顶煤面积与原始顶煤面积之比计算顶煤回收率(recovery rate)，引入无量纲放煤时间指数I_t=T_i/T_avg评价作业时长相对效率；在8222工作面进行现场工业性试验，对比3R3O、O-G3O及1R1O的实际回收率与模拟结果。

研究结果

2. Coal and Rock Movement Laws Based on the Bergmark-Roos Model（基于Bergmark-Roos模型的煤岩运移规律）

研究人员基于Bergmark-Roos方程推导放出椭球体公式，分析单口放煤时煤岩分界面由原始直线Boundary B经中心O点下沉至O'形成漏斗形AO'B的过程，阐明前一个放煤口完成后形成的倾斜初始分界面O'EB对后一个放煤口放出椭球体Q₂的影响——见矸点时Q₂与初始分界面切于E点，未相交部分的先前松动煤体被分割为上区G₂（参与下一轮下沉）和下区G'₁（最终残煤），残煤量与该初始分界面倾角正相关，倾角越小残煤越少。

3. Establishment and Validation of the Numerical Model（数值模型建立与验证）

研究人员依据8222工作面地质条件建立CDEM二维数值模型，顶煤为已破裂松散颗粒集合体（抗拉强度为零）、视为准刚体无二次破碎，支架完全承担上覆载荷。单口放煤CDEM模拟所得放出体近似椭球、煤岩分界面呈漏斗形、颗粒运动轨迹总体线性指向放煤口，与1:10几何比物理相似模拟实验所得放出漏斗形态高度吻合，验证了CDEM模型可准确反映散体颗粒流行为，可用于后续多工艺对比分析。

4. Results（结果）

4.1. Group cooperative drawing and multi-round multi-opening cooperative drawing（群组协同放煤与多轮多口协同放煤）

研究人员定义群组放煤(group drawing)为相邻放煤口同时打开、见矸关门后顺次推进；多轮多口协同放煤(multi-round multi-opening cooperative caving)为间隔若干支架同时开启m（m≥2）个放煤口，按预设逻辑分步收放尾梁插板进行多轮操作，末轮见矸关门。

4.2. Coal–rock movement and residual coal morphology under different caving processes（不同放煤工艺下煤岩运动与残煤形态）

CDEM模拟显示：1R1O产生狭窄放出漏斗，扰动局部化，支架间形成高大尖峰状残煤脊(residual coal pillars)；群组放煤(G2O、G3O、O-G3O)因合并放煤口扩大有效开口，形成更宽放出漏斗，周期性残煤脊高度降低，缓解拱效应(arching effect)；多轮放煤2R2O和3R3O通过分时控制前几轮放煤使初始煤岩分界面逐轮趋缓，抑制邻架侧向矸石过早侵入，其中3R3O残煤最少且呈零散小片状分布，煤岩分界面最为平整均匀。

4.3. Top coal recovery ratio and caving time steps under different caving processes（不同放煤工艺顶煤回收率与放煤时间步）

以模型中部放煤区放出顶煤面积/原始顶煤面积计算回收率。1R1O首口放出充分但次口受前口见矸后矸石侧侵影响提前终止，各支架放煤量波动大；多轮工艺减小右侧煤岩分界面倾角从而降低邻口干扰，各支架放煤量较均衡。六种工艺回收率由高到低为：3R3O 93.09%＞2R2O 89.72%＞O-G3O 89.50%＞G3O 84.48%＞G2O 81.73%＞1R1O 72.35%。放煤时间指数I_t：G3O最低(0.48，耗时最短)，G2O(0.81)，3R3O(0.80)，O-G3O(0.52)，2R2O(1.29)，1R1O最高(1.89，耗时最长)。群组放煤时间短但回收率低于同等开口数的多轮放煤；同开口数时多轮多口放煤回收率最高，群组放煤耗时最少。群组放煤通过空间协同减少支架间孤立残煤区数量（1R1O残煤区67个，G2O 33个，G3O 22个）；多轮放煤通过逐轮放煤主动 flatten 初始煤岩分界面使其变缓，平缓的分界面使后续放煤口放出椭球体与分界面所围残煤区体积减小，故回收率随放煤轮数增加而提高。

4.4. Analysis of field application effects（现场应用效果分析）

在8222工作面开展工业性试验（截深0.8 m，一刀一放），3R3O现场平均回收率91.2%（与模拟93.09%吻合），O-G3O为87.5%（模拟89.5%），1R1O为73.0%（模拟72.35%）。现场与理论数值偏差小，验证了数值模型可靠性，表明常规生产采用3R3O可最大程度提高煤炭资源采出率。

讨论与结论翻译（Conclusion）

研究人员得出结论：(1)基于Bergmark-Roos理论分析了单口及连续双口放煤条件下残煤形态演化，建立了CDEM模型表征顶煤椭球体形态、放出漏斗发育及颗粒轨迹，并通过1:10物理相似模拟稳健验证了数值模拟准确性。(2)阐明了不同协同放煤工艺提高顶煤回收率的基本机理——群组放煤通过增强空间流动连续性减轻支架间残煤形成；多轮放煤通过逐轮flatten初始煤岩分界面抑制矸石过早涌入从而最大化顶煤回收。(3)3R3O确保煤岩分界面均匀下沉，回收率最高达93.09%，较传统1R1O(72.35%)提高28.67%；G3O利用大组合放煤口产生协同优势，放煤时间指数最低(0.48)且回收率亦较高(84.48%)。(4)现场应用显示3R3O实际回收率达91.2%，较原1R1O(73%)提高约24.93%；3R3O、O-G3O、1R1O现场回收率(91.2%、87.5%、73%)与数值模拟结果(93.09%、89.5%、72.35%)高度吻合，有力验证了理论与数值模型的可靠性。