摘要：大倾角厚煤层是我国面临的重要的煤层开采形态，由于煤层的倾角较大，造成开采难度的增加。采用放顶煤综采过程中，不同的采高及放煤步距对顶煤的放出具有重要的影响作用。针对大倾角厚煤层开采过程中，不同采高及放煤步距对顶煤采出率的影响采用PFC仿真模拟的方式进行分析。建立了不同参数的开采模型，对开采过程进行仿真模拟，得到采高为4 m放煤步距为1.6 m（两采一放）的开采工艺为最佳的开采参数，此时顶煤的采出率最高，且具有较好的操作性。

　　关键词：大倾角厚煤层；放顶煤综采；采高；放煤步距；采出率；仿真分析

　　0概述

　　煤炭是我国重要的能源形式，随着环保型社会的建设，开采使用优质煤炭从而提高煤炭的环保性成为人们的共识。随着我国煤炭的不断开采，浅层易开采的煤层逐渐贫乏，而大量大倾角厚煤层的存在成为优质煤层开采的重点[1]。大倾角煤层的赋存倾角多为35。~55。，在开采过程中由于煤岩体受到的重力作用与岩层倾斜方向的角度较小，使得岩层的作用力较大，增加了开采的难度。同时放顶煤综采过程中，破碎的顶煤由于较大的倾角作用力而产生运移，从而影响煤炭的采出率[2]。进行大倾角厚煤层放顶煤综采过程中，不同的采煤工艺参数对采出率具有重要的影响作用，其中采高与放煤步距对采出率具有直接的作用，且两者之间互相作用[3]。针对大倾角厚煤层的开采采用模拟仿真的形式对不同采高与放煤步距时的开采效果进行分析，从而提高顶煤的放出率，提高大倾角厚煤层的开采效率及质量[4]。

　　1大倾角厚煤层开采分析模型的建立

　　大倾角厚煤层综采过程中，放煤工艺对顶煤的放出具有重要的影响，较优的放煤工艺能够降低顶煤的含矸率，提高放出率，提高煤炭的质量。采高与不同的放煤步距对顶煤的放出率具有直接的影响作用[5]，采用PFC模拟软件对大倾角厚煤层开采过程中不同的采高与放煤步距时顶煤的放出过程进行分析。

　　以某煤矿工作面为例进行分析，煤层厚度为12.5~15.5 m，平均厚度为13.5 m，煤层的倾角为32o~43o，平均倾角为350，是典型的大倾角厚煤层开采。在放顶煤开采过程中，较大的倾角会形成顶梁结构影响煤岩垮落的作用。为模拟顶梁结构的影响作用，在PFC软件中采用一定厚度的老顶颗粒进行分析[6]，建立长70 m、宽30 m的分析模型，随机生成不同颗粒粒径，得到初始的分析模型如图1所示。在模型中，设定岩层的粒径为250~300 mm，密度为2 400 kg/m3，煤层的粒径设定为100~150 mm，密度为1 200 kg/m3，模型中颗粒的初始速度为0，只受到重力作用[7]。

　　在煤层开采过程中，针对不同的采高及放煤步距，选取三种开采方式进行分析，采高为3.5 m时，放煤步距为0.8 m（一采一放），采高为4 m时，放煤步距为1.6 m（两采一放），采高为4.5 m时，放煤步距为2.4 m（三采一放）[8]，分别设定三种开采方式下的分析模型。为便于对顶煤的流出进行分析，对模型中的下部顶煤进行不同颜色的设定。以采高3.5 m为例，最下层的高度为采高高度3.5 m，其余部分均分为三层，以不同的颜色进行区分，采用wall单元生成支撑液压支架[9]，得到3.5 m采高时的模型如图2所示，其余两种开采方式模型设定与此类似。

　　2不同采高与放煤步距的影响作用仿真分析

　　2.1放煤过程模拟分析

　　在采煤过程中经过初次放煤后，放煤口位置的尚府岩层会形成漏斗状形态，放煤口的中心线靠近采空区位置。进行采煤过程中，放出的顶煤损失率具有一定的周期性，顶煤的损失越大，则放出的顶煤量越小[10]。在放煤过程中，当设定为见矸即停止放煤时，由于较大的岩层倾角，会造成放煤煤层与岩层之间的夹角逐渐减小，造成较大的顶煤损失，不利于提高煤炭的采出率。

　　针对大倾角煤层的开采，采用见矸后继续放煤一定时间的放煤原则，则通过一定的见矸提高顶煤的放出量。在PFC软件中进行模拟时，设定模型中放出的煤矸颗粒（红色颗粒）达到15个时停止放煤，然后进行下一循环的开采放煤[11]，降低顶煤的损失率。在PFC模型中，当放煤口达到15个红色颗粒时，则通过wall指令关闭液压支架的放煤口，模型中的煤层与煤岩的颗粒放出后即被采出而消除，通过对消除的颗粒数量来统计顶煤的放出量。

　　在煤层开采工作面推进过程中，以采高3.5 m放煤步距0.8 m为例，在推进9.6 m时，煤层放煤形态如图3所示。在工作面推进的过程中，随着推进距离的增加，则液压支架上方位置堆积的顶煤越多，使得煤矸石位于采空区的后方位置，煤层与岩层之间的夹角越小，则顶煤的放出逐渐停止[12]。以此经过多个循环，随着工作面的推进完成煤层的开采，其他两种方式的开采与此类似。

　　2.2放煤结果统计分析

　　对三种不同采高及放煤步距时的开采过程进行模拟，并对不同推进距离时的颗粒数量变化进行统计，得到不同采高时的放煤量变化如图4所示。从图4中可以看出，在三种不同的采高及放煤步距下，顶煤的放出量均呈波浪形增加的趋势，顶煤的放出增加相对缓慢，且呈现增加减小交错增长的形态。在不同的开采形态中，对顶煤的采出率进行计算，得到采高3.5 m放煤步距为0.8 m（一采一放）时的顶煤放出率为72%，采高为4 m放煤步距为1.6 m（两采一放）时的顶煤放出率为82.5%，采高为4.5 m放煤步距为2.4 m（三采一放）时的顶煤放出率为81.6%。

　　通过上述的分析可知，采高3.5 m放煤步距为0.8 m（一采一放）时顶煤放出率最小，其余两种开采形态时顶煤的放出率相差不大；其中，在实际进行开采过程中，采高为4.5 m放煤步距为2.4 m（三采一放）时对放煤工艺的操作要复杂，且对液压支架的要求较高，因此选择采高为4 m放煤步距为1.6 m（两采一放）的开采工艺为最佳的开采参数，且此时顶煤的采出率最高，具有较好的开采效果，提高煤层的开采效率。

　　3结论

　　1）大倾角厚煤层开采过程中，受到煤层倾角的影响作用，增加了顶煤的放出难度，针对采高3.5 m、4.0 m、4.5 m时的一采一放、两采一放、三采一放不同放煤步距下的开采效果，采用PFC分析软件进行建模分析；

　　2）对工作面推进过程中顶煤的放出形态进行分析，得出采用见矸后继续放煤一定时间后可以提高顶煤的放出量，从而提高煤层的开采效率；

　　3）对三种不同的采高及放煤步距下顶煤的放出进行统计分析，得到顶煤的放出量均呈波浪形增加的趋势，顶煤的放出增加相对缓慢，且呈现增加减小交错增长的形态；在三种开采工艺中，采高为4 m放煤步距为1.6 m（两采一放）的开采工艺为最佳的开采参数，此时顶煤的采出率最高，且具有较好的操作性。

　　参考文献

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