《水平分段综放开采放煤规律及应用》系统阐述急倾斜厚煤层水平分段综放开采放煤规律及提高回收率放煤工艺优化，是煤炭开采领域的重要学术成果；简要介绍水平分段综放开采的技术原理、工艺特点及其适用条件，通过理论分析、数值模拟和物理实验相结合的方法，揭示顶煤放出体形态、煤岩分界面演化规律及顶煤回收率与混矸率的关系；创新性地提出受边界影响的放出体理论模型，探讨分段高度、放煤工艺及放煤轮数对顶煤回收率的影响，还提出基于LSTM+Transformer的顶煤回收率预测模型，以及多轮逆序放煤等优化工艺；并结合新疆乌东煤矿的工程背景，详细分析不同开采条件下的放煤效果，展示了研究成果的实际应用价值，为现场实践提供了科学依据。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 水平分段综放开采技术 1
1.1.1 水平分段综放开采技术原理与工艺特点 1
1.1.2 水平分段综放开采技术适用条件 2
1.2 水平分段综放开采放煤规律研究现状 3
1.2.1 水平分段综放开采放煤理论概述 3
1.2.2 水平分段综放开采放煤规律国内外研究现状 5
1.3 顶煤放出规律国内外研究现状 10
1.3.1 顶煤放出体研究 11
1.3.2 煤岩分界面研究 12
1.3.3 顶煤回收率和混矸率研究 13
第2章 水平分段综放开采顶煤放出体理论模型与方程 17
2.1 顶煤放出体的理论模型 17
2.1.1 B-R模型简介 17
2.1.2 放出体受边界影响的界定条件 18
2.2 近顶/底板侧放出体理论模型与方程 21
2.2.1 近顶板侧放出体理论模型 21
2.2.2 近顶板侧放出体理论方程计算 23
2.2.3 近底板侧放出体理论模型 25
2.2.4 近底板侧放出体理论方程计算 26
2.3 受边界影响的放出体形态特征与轴倾角的确定 28
2.3.1 数值计算参数标定及模型构建 28
2.3.2 近顶板侧放出体形态特征 31
2.3.3 近顶板侧放出体轴倾角β 34
2.3.4 近底板侧放出体形态特征 37
2.3.5 近底板侧放出体轴倾角β 37
2.4 受边界影响的放出体模型和方程的物理试验验证 40
2.5 顶煤*大运移角对受边界影响的放出体形态的影响 42
2.5.1 顶煤自然安息角的测定 42
2.5.2 受边界影响的顶煤自然安息角 44
2.5.3 不同顶煤自然安息角的放出体形态 45
2.6 不放煤段长度对受边界影响的放出体形态的影响 47
2.6.1 不同不放煤段长度的试验模型及方案 47
2.6.2 不同不放煤段长度的近顶板侧放出体形态 48
2.6.3 不同不放煤段长度的近底板侧放出体形态 50
2.6.4 不放煤段长度对轴倾角的影响 52
2.7 顶煤颗粒滚动阻力对放出体形态的影响 52
2.7.1 水平分段综放开采散体顶煤流动特征 53
2.7.2 笛卡儿直角坐标系下的B-R模型 54
2.7.3 改进的水平分段综放开采顶煤放出体理论模型 58
2.7.4 滚动阻力模型在水平分段综放开采数值模拟的应用 61
2.7.5 数值模拟结果分析及改进B-R模型的验证 67
2.7.6 水平分段综放开采相似模拟试验验证 69
第3章 水平分段综放开采煤岩分界面理论方程 80
3.1 初始煤岩分界面理论方程 80
3.1.1 初始放出体理论方程 80
3.1.2 初始煤岩分界面方程 82
3.2 放煤过程中的煤岩分界面方程 84
3.2.1 放煤过程的放出体理论方程 84
3.2.2 放煤过程的煤岩分界面方程 85
3.3 分段逆序放煤工艺煤岩分界面演化 89
3.3.1 分段逆序放煤工艺简介 89
3.3.2 分段逆序放煤工艺煤岩分界面演化过程 95
3.3.3 分段逆序放煤工艺残煤量 97
3.3.4 分段逆序放煤工艺的矿压特征 98
第4章 水平分段综放开采顶煤回收率变化规律 102
4.1 顶煤回收率与混矸率简介 102
4.1.1 工程背景 104
4.1.2 不同工作面参数下的水平分段综放开采试验方案 104
4.1.3 工作面长度和煤层倾角对顶煤回收率的影响 108
4.2 基于LSTM+Transformer的顶煤回收率预测模型 114
4.2.1 循环神经网络及注意力机制简介 115
4.2.2 基于LSTM+Transformer的顶煤回收率预测模型建立 117
4.2.3 基于LSTM+Transformer的数据集构建及模型结果分析 120
4.3 瞬时混矸率与累计混矸率关系理论分析 125
4.3.1 随机森林算法研究现状 125
4.3.2 瞬时混矸率与累计混矸率关系的数学模型 128
4.3.3 基于PSO-RF的累计混矸率预测算法模型 131
4.4 累计混矸率预测数值仿真及分析 136
4.4.1 三维数值模拟初始模型及参数 136
4.4.2 三维数值模拟方案 137
4.4.3 瞬时混矸率与累计计算 138
4.4.4 瞬时混矸率与累计混矸率映射关系 141
4.4.5 不同算法累计混矸率预测对比 163
4.5 PSO-RF预测模型物理试验验证 171
4.5.1 放煤试验设备及试验方案介绍 172
4.5.2 放煤试验数据记录及处理 173
4.5.3 物理试验瞬时混矸率-累计混矸率关系分析 177
4.5.4 PSO-RF预测模型验证 179
第5章 水平分段综放开采合理分段高度确定 183
5.1 分段高度对放煤规律的影响 183
5.1.1 分段高度对煤岩分界面和残煤形态的影响 183
5.1.2 分段高度对放出体发育形态的影响 191
5.1.3 分段高度对受边界影响放出体轴倾角的影响 193
5.1.4 分段高度对端头煤损的影响 194
5.2 基于煤层回收率*大化的合理分段高度确定 196
5.2.1 合理分段高度确定 196
5.2.2 乌东煤矿425m B1+2工作面相似模拟试验验证分析 199
5.3 基于LSTM+Transformer的合理分段高度预测 199
第6章 水平分段综放开采放煤工艺优化研究 203
6.1 近顶、底板区域放煤方式优化思路 203
6.2 近顶板侧放煤工艺优化 205
6.2.1 近顶板侧放煤工艺优化的相似模拟研究 205
6.2.2 近顶板侧放煤工艺优化的数值模拟研究 210
6.3 近底板侧放煤工艺优化 213
6.3.1 减少底板侧煤损的工艺优化思路 213
6.3.2 底板侧放煤工艺优化 213
6.4 放煤轮数与分段高度的两因素分析 215
6.4.1 水平分段综放开采试验模型构建 216
6.4.2 水平分段综放开采试验方案 217
6.4.3 放煤轮数对分界面和放出体的影响 218
6.4.4 放煤轮数与分段高度对回收率影响分析 219
6.5 多轮逆序放煤工艺 223
6.5.1 多轮逆序放煤工艺步骤 224
6.5.2 三轮放煤+末轮分段逆序放煤的数值试验 225
6.5.3 三轮放煤+末轮分段逆序放煤的物理试验 227
6.5.4 合理放煤轮数选择方法 230
6.5.5 分区多轮+末轮逆序放煤工艺 238
参考文献 243

第1章绪论
　　随着煤炭行业科学技术的发展，开采方法经历了从炮采到普采再到机械化开采的发展阶段。放顶煤开采技术是高效开采厚煤层的方法之一，也是我国煤炭开采领域取得的重要标志性成果，综合机械化放顶煤开采（简称综放开采），是适合厚煤层开采的主要开采方法之一。水平分段开采条件下的综放开采工艺应用，适合急倾斜或近直立特厚煤层的高效开采，目前该工艺的一次性开采高度已达到25～35m，极大地提高了煤炭开采的效率。由于水平分段综放开采工作面具有工作面较短、一次开采高度大的特点，其开采理论和技术与普通走向长壁的综放开采工艺有所不同。通过系统分析，总结水平分段综放开采技术取得的理论成果及需要深入研究的问题将有助于该项技术的进一步发展。本章介绍了水平分段综放开采技术原理、工艺特点与适用条件，以及国内外学者在该领域的部分典型研究成果，希望对读者了解与研究水平分段综放开采技术及放煤规律有所帮助。
　　1.1水平分段综放开采技术
　　我国新疆等地区赋存大量的煤炭资源，且具有煤厚大、含煤层数多、大倾角/急倾斜煤层储量大的特点。例如，准东煤田单层厚度可达80m，平均厚度为43m，属于特厚煤层；乌鲁木齐矿区急倾斜煤层储量占我国急倾斜煤层储量的1/4以上。急倾斜特厚煤层的绿色高效开采对我国煤炭资源的合理开发利用具有重要意义。
　　1.1.1水平分段综放开采技术原理与工艺特点
　　综放开采技术是高效开采厚煤层的方法之一，水平分段综放开采技术是适合开采急倾斜特厚煤层的一种综放开采技术。水平分段综放开采技术是指，将急倾斜特厚煤层自上而下分为若干个水平采煤分段，在每个分段底部沿煤层倾向方向布置综放开采工作面，工作面沿煤层走向向前推进的采煤技术，如图1.1所示[1]。
　　水平分段综放开采技术具有开采成本低、效率高、对煤厚变化适应性强的显著优点。在水平分段综放开采中，工作面的顶煤损失主要由顶板侧煤损、底板侧煤损及工作面中部煤损3部分构成（图1.1）。
　　由于水平分段工作面长度一般比较短（一般为煤层的水平厚度）、顶煤厚度大及不放煤段的存在，工作面顶、底板侧的顶煤损失往往在总顶煤损失中占比较大。因此，基于王家臣教授提出的“四要素”放煤理论（也称BBR放煤理论），针对性地研究近顶、底板侧受边界影响的放煤规律，建立近顶、底板侧的放出体理论模型，分析不同工艺参数的影响，对研究各部分煤损形成机理具有重要意义，为优化开采工艺、进一步减小顶煤损失率、提高顶煤回收率提供理论基础。在急倾斜特厚煤层水平分段综放开采时，工作面长度较短，而采放比与常规走向长壁综放开采相比较大，导致顶煤破碎后近顶、底板侧颗粒的流动过程易受顶、底板边界的影响，其运移规律和放出过程难以准确预测或人为干预，顶煤损失较大且损失来源不清。
　　1.1.2水平分段综放开采技术适用条件
　　水平分段综放开采技术多用于急倾斜特厚煤层开采中，一般要求煤层倾角不小于45°，煤层水平厚度不小于20m，分段数目不小于2，以满足分段高度设置和工作面布置的基本要求[2-4]。
　　急倾斜厚煤层水平分段综放开采方法，是在原有落后的急倾斜煤层开采方法及回采工艺基础上的重大改革与进步。与原有开采方法相比，它有无可比拟的优越性。急倾斜水平分段综放开采与缓倾斜煤层开采*大的不同是，后者影响工作面产量的主要因素是工作面长度，因而我国采用这种方法的矿井普遍的工作面长度都比较大。而急倾斜煤层水平分段综放开采，工作面长度L的决定性因素是煤层厚度M，即L=Mcosα，α为煤层的倾角。在工作面推进速度相对固定的前提下，提高工作面产量的*优途径，就变成在合理的范围内尽可能提高水平分段高度。《煤矿安全规程》**百三十条第（六）款规定：缓倾斜、倾斜厚煤层的采放比大于1:3，且未经行业专家论证的；急倾斜水平分段放顶煤采放比大于1:8的情形均严禁采用放顶煤开采[5]。可见，经过专家论证，某些煤矿急倾斜厚煤层开采的采放比能够提高到1:6，且通过生产实践证明，在急倾斜煤层水平分段综放开采情况下，高采放比的工作面回收率并没有降低的趋势，这使得高效开采的大分段高度放煤工艺在矿山现场应用广泛。当确定的水平分段高度较高时，如何保证较高的顶煤回收率，成为放煤工艺优化中需要重点关注的问题。
　　因此，本书主要基于BBR放煤理论，在伯格马克-罗斯（Bergmark-Roos，B-R）模型的基础上，充分考虑顶、底板倾斜边界对放出体的影响，尝试建立适用于水平分段综放开采的顶煤放出体理论模型并推导放出体边界方程，深入分析煤层倾角、不放煤段长度、分段高度等因素对放出体形态特征的影响，同时探究不同采放比条件下多轮放煤工艺对回收率的影响，为急倾斜特厚煤层水平分段综放开采的顶煤放出规律研究及优化放煤工艺、提高回收率提供理论基础，对于科学有序开发我国西部煤炭资源、保证我国能源的长期稳定供给具有重要意义。
　　1.2水平分段综放开采放煤规律研究现状
　　广泛总结水平分段综放开采技术取得的理论成果及相应研究有助于了解该项技术的发展历程。水平分段综放开采技术属于综放开采技术在水平分段条件中的应用，因此综放开采技术的理论研究成果对水平分段综放开采技术的发展起着重要作用。这里介绍一些重要的综放开采技术的理论研究，以及水平分段综放开采技术的顶煤放出规律研究内容。
　　1.2.1水平分段综放开采放煤理论概述
　　水平分段综放开采目前尚无成熟的放煤理论，主要是借鉴金属矿中的放矿理论和传统长壁开采的放煤理论。现有的放矿理论和放煤理论主要包括椭球体放矿理论、类椭球体放矿理论、随机介质放矿理论、散体介质流理论、”四要素“放煤理论等。
　　1.椭球体放矿理论
　　20世纪60年代，马拉霍夫[6]在《崩落矿块的放矿》中指出，放出体是指所放出的散体在模型中原始占据的形体。大量试验表明，放出体是一个近似椭球体，故采用椭球方程作为放出体的表达式，以此为基础推导出一系列相应的表达式，来描述散体的放出规律，即椭球体放矿理论。
　　1965年，苏联学者B.B.库里柯夫出版了《金属矿床的联合开采与二次开采》，提出放出漏斗方程以及放出体表面颗粒在放出体移动过程中保持相对高度不变的观点，建立了描述单孔放矿中矿体移动规律的基本方程。1979年，刘兴国基于放出体的过渡关系提出等偏心率椭球体放矿理论，建立了相应的数学方程，在多孔放矿、定量计算、放矿边界条件研究等方面取得了开创性成果。此后，刘兴国在变偏心率椭球体放矿理论方面做了大量研究工作，使椭球体放矿理论得到完善[7]。李荣福[8]在试验研究的基础上得出了偏心率方程，该方程应用方便、符合实际（误差＜5%）、能通过理论检验。应用该方程建立了放矿基本规律的统一数学方程，形成了变偏心率截头椭球体的放矿理论。苏宏志和魏善力[9]提出了复位放出体和期望放出体的概念，进一步完善了椭球体理论。
　　2.类椭球体放矿理论
　　1994年，李荣福[10]通过大量的试验研究，提出类椭球体放矿理论，同时建立了类椭球体放矿理论的理想方程和实际方程，为深入探究类椭球体放矿理论的应用奠定了基础。
　　3.随机介质放矿理论
　　1957年，波兰学者Litwiniszyn提出随机介质理论，用以研究采煤岩层与地表移动问题。他在砂箱模型试验研究的基础上，提出了五大公理，并应用严密的数学方法，建立了随机介质理论。任凤玉和刘兴国[11]进一步研究了散体移动概率分布，通过试验数据分析得到方差的表达式，在数学推导和经验分析的基础上，建立了散体移动概率密度方程，基本形成了系统的随机介质放矿理论。
　　4.散体介质流理论
　　2002年，王家臣教授*次提出了应用于放顶煤领域的散体介质流理论[12]，并在随后的几年中通过系列文献[12-14]从理论分析、数值模拟、散体顶煤放出模拟试验、现场实测等多个方面验证了该理论在综放开采顶煤放出规律研究中的可行性和可靠性。根据散体介质流理论，在综放开采过程中，由于受到上覆岩层的压力以及支架活动的作用，顶煤和直接顶在支架放煤口上方完全破碎成松散状态，其运移规律理应符合散体介质特性，而对于破碎顶煤与破碎直接顶组成的复合散体介质，支架放煤口自然成为其流动和释放颗粒间作用力的自由边界，支架上部和后部的散体颗粒会以阻力*小的路径逐渐向放煤口处移动，散体介质内部会形成类似牵引流动的运动场，这样的顶煤流动与放出过程，称为顶煤运移的散体介质流理论模型。
　　5.“四要素”放煤理论
　　2015年，王家臣教授在散体介质流理论的基础上，提出“四要素”放煤理论（也称BBR放煤理论）。“四要素”放煤理论是指将每个放煤循环中的起始和终止煤岩分界面形态（boundary of top-coal）、放出体发育过程及形态（drawing body of top-coal）、顶煤回收率（recovery ratio of top-coal）和混矸率（rock mixed ratio of top-coal）4个相互影响的时空要素统一研究来反映真实放煤过程的放煤理论[15]。该理论指出：在顶煤放出过程中，顶煤内部形成流动场，煤岩分界面移动、下降，实际放出煤量等于放出体体积；放煤过程可简化为放出体在煤岩分界面下发育的过程，当放出体在煤岩分界面以内时，只有纯顶煤放出，混矸率为零，当放出体与煤岩界面相交时，在相交处放出体含有部分矸石，混矸率非零，如图1.2所示。
　　1.2.2水平分段综放开采放煤规律国内外研究现状
　　为提高水平分段综放开采的顶煤回收率，国内外众多学者对水平分段顶煤的放出规律和顶煤损失进行大量研究并取得了丰硕的成果，对减少顶煤损失、合理开发煤炭资源具有重要实际意义。
　　来兴平等[17]以乌鲁木齐矿区的急倾斜特厚煤层为研究背景，探究了水平分段综放开采条件下，覆层类椭球体结构的形成过程与局部化动态演化规律。研究发现：急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面的覆层垂向变形演化存在显著的非对称趋势，顶煤与上覆残留煤矸共同形成非对称“拱结构”，并演化为典型的倾斜椭球体结构；当拱角与拱顶的煤岩滑落失稳时，会造成工作面局部压力畸变并诱发动力学灾害。
　　华乐[18]以天河煤矿为背景，通过数值模拟研究了水平分段不同采高、分段高度、放煤工艺对顶煤回收率的影响，得出顶煤回收率随顶煤厚度的增大而增大的规律，相比“两刀一放”和“三刀一放”，“一刀一放”是*优的。*后得出适合天河煤矿的放煤工艺和参数，即分段高度为8m（其中机采2m，顶煤6m），采用单轮顺序放煤的放煤方式，“一刀一放”的放煤步距，对现场实践具有借鉴意义。
　　刘小军[19]针对碱沟煤矿的急倾斜特厚煤层条件，探究该矿水平分段放顶煤开采工艺的应用特点，进行了顶煤破坏的理论分析及试验室力学试验，得出不同含水率顶煤的力学参数变化规律，并运用物理相似模拟和FLAC3D软件研究了水平分段开采时顶、底板破坏运移规律及顶煤不同垂高应力分布状况，确定水平分段的合理段高，并通过注水软化硬煤保证了分段高度内顶煤的顺利放出，提高了顶煤回收率。
　　谢德瑜[20]通过建立急倾斜厚煤层相似模拟和三维数值模拟试验，从走向和倾向方向上研究了煤岩散体运移路径、分析了煤岩界面的演化过程和顶煤回收率特征，得出顶煤颗粒*快放出路径在煤层走向方向上基本与放煤口中心线（铅垂线）重合，在煤层倾向方向上与放煤口铅垂线夹角*小，约为11.09°。
　　石平五等[21]分析了急倾斜煤层水平分段顶煤放出过程与缓斜煤层的不同，应用模拟急倾斜煤层顶煤放出的专用模拟试验架（图1.3），对急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤开采破碎顶煤的放出进行了试验研究，着重探讨了急倾斜煤层破碎顶煤的放出规律，以及在保证合理回收率的同时提高产量效益的技术方法，*终得出开采煤层倾角相对较大的煤层时可适当提高分段高度的结论。
　　于斌等[22]以特厚煤层综放开采的塔山煤矿为工程背景，基于随机介质理论进行散体相似模型试验，分析煤矸分界面在初始放煤过程中的变化趋势，拟合得