朔州黨新煤礦4-2+5號(hào)煤層頂煤冒放性研究

李秀峰

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.呂梁市國(guó)土資源局離石分局，山西呂梁 033000）

朔州黨新煤礦4-2+5號(hào)煤層頂煤冒放性研究

李秀峰1，2

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.呂梁市國(guó)土資源局離石分局，山西呂梁 033000）

以山西朔州平魯區(qū)西易黨新煤礦4-2+5號(hào)煤層為研究對(duì)象，運(yùn)用RFPA數(shù)值模擬軟件分析合并煤層頂煤的冒放性。通過模擬初采工作面圍巖運(yùn)移規(guī)律以及正規(guī)循環(huán)作業(yè)圍巖運(yùn)移規(guī)律，研究頂煤冒放效果。研究結(jié)果表明，在黨新煤礦所處的地質(zhì)條件下，采高3.0m，放煤高度2.68m且含有0.83m厚夾矸時(shí)，采用綜采放頂煤方法冒放效果良好。

夾矸；頂煤冒放性；數(shù)值模擬；頂煤運(yùn)移規(guī)律；破壞程度

我國(guó)的綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)已發(fā)展成熟，并取得了廣泛應(yīng)用。綜采放頂煤采煤法憑借其產(chǎn)量大、效率高、巷道掘進(jìn)量和工作面搬家次數(shù)大大減少、噸煤成本顯著降低以及對(duì)復(fù)雜地質(zhì)和煤層賦存狀況適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為了我國(guó)煤礦高產(chǎn)高效開采的主要方法之一。具有鮮明優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，缺點(diǎn)也較為突出。因其上部煤炭由放煤漏斗放出，對(duì)含矸率、采出率影響較大，且放煤不完全時(shí)剩余的殘煤極有可能導(dǎo)致自然發(fā)火，是煤礦安全的一大隱患。因此頂煤良好的冒放性是綜采放頂煤采煤法的必要條件[1-3]。

本文以山西朔州平魯區(qū)西易黨新煤礦4-2+5號(hào)煤層為研究對(duì)象，4-2號(hào)煤層與5號(hào)煤層之間有一薄層夾矸。合并開采5號(hào)煤層及上部部分夾矸，放4-2號(hào)煤層及下部部分夾矸。通過RFPA數(shù)值模擬分析兩層煤合并開采，且每層之間有一層夾矸時(shí)，采用綜采放頂煤采煤法是否可行，分別模擬了初次開采放煤狀況以及正規(guī)循環(huán)作業(yè)時(shí)放煤情況[4-7]。

1 工程地質(zhì)概況

山西朔州平魯區(qū)西易黨新煤礦目前正在開采4-1號(hào)煤層，但4-1號(hào)煤層大部分已經(jīng)采空，資源接近枯竭，生產(chǎn)重心將向下部轉(zhuǎn)移。因4-2與5號(hào)煤層層間距較小，計(jì)劃采用綜采放頂煤采煤方法合并開采4-2+5號(hào)煤層，該合并層平均厚度5.68m，采高3.0m（其中包括5號(hào)煤厚1.95m以及5號(hào)煤頂板巖層1.05m），放煤高度2.68m（其中包括5號(hào)煤頂板上部巖層0.83m以及4-2號(hào)煤層1.85m），采放比1∶0.89。4-2號(hào)煤層為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，煤層平均厚度1.85m，賦存結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，含夾矸層減少為1層，且夾矸巖性多為軟弱的泥巖或炭質(zhì)泥巖；頂板、底板均為泥巖或砂質(zhì)泥巖。5號(hào)煤層為賦存穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，平均厚度1.95m，煤層賦存結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含夾矸0-1層，夾矸巖性多為泥巖或炭質(zhì)泥巖；頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。

2 冒放性RFPA模擬分析

根據(jù)黨新礦巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示，數(shù)值模型尺寸寬為60m，高40m；網(wǎng)格劃分為300×200，根據(jù)煤層埋深，確定模型垂直應(yīng)力為5 MPa，兩端位移固定，每步開挖0.6m，采用平面應(yīng)變加載方式。數(shù)值模型見圖1。

3 初采工作面圍巖運(yùn)移規(guī)律模擬

圖2為初次開采頂煤垮落過程圖，由圖2可知，在開采到3.6m時(shí)，頂板中央發(fā)生小的破壞；開采到6m時(shí)，破壞加??；開采到7.2m時(shí)，破壞進(jìn)一步發(fā)展，并有向上發(fā)展的趨勢(shì)；開采達(dá)到9m時(shí)，破壞范圍急劇擴(kuò)大，并擴(kuò)展至4-2號(hào)煤層底板。同時(shí)，4-2號(hào)煤頂板也開始發(fā)生破壞，隨著破壞的發(fā)展，破壞程度及破壞范圍逐漸擴(kuò)大，直至局部區(qū)域性破壞形成連通，并最終導(dǎo)致頂煤垮落。由此可見，當(dāng)初次開采到9m時(shí)，采煤工作面后方頂煤第一次大面積垮落，由此推測(cè)頂煤的初次垮落步距為9m，通過測(cè)量初次垮落斷裂面的角度，測(cè)得頂煤垮落角約為90°。雖然垮落煤塊整體偏大，但煤塊內(nèi)部裂隙發(fā)育在放煤過程容易破碎，其可放性較好。

4 正規(guī)循環(huán)作業(yè)圍巖運(yùn)移規(guī)律模擬

通過RFPA軟件模擬初采工作面圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定煤層頂板的破壞范圍和頂煤垮落角度，確定正規(guī)循環(huán)作業(yè)時(shí)采煤工作面與支架的圍巖范圍及幾何尺寸，即弱化的工作面前方一定距離內(nèi)煤、巖體的強(qiáng)度，并據(jù)此建立正規(guī)循環(huán)計(jì)算模型。圖3為正規(guī)循環(huán)頂煤冒放數(shù)值模擬圖。

由圖3可以看出，回采至1.8m時(shí)，頂煤開始發(fā)生破壞，頂煤與頂板開始垮落。隨著垮落的發(fā)展，頂煤破碎范圍和程度逐漸擴(kuò)大，并最終形成工作面支架上方及工作面前方3m范圍內(nèi)的頂煤發(fā)生充分破碎。工作面上方及前方3m處頂煤全部破碎，而支架前探梁和主頂梁的長(zhǎng)度大于1.8m，支架主頂梁后方的頂煤可以正常放出，因此在支架后方?jīng)]有懸頂，可以實(shí)現(xiàn)正規(guī)循環(huán)放煤，頂煤的冒放性較好。

圖4是工作面頂煤中的應(yīng)力分布圖，可以明顯地看出：工作面處于減壓區(qū)，工作面前方煤壁30m處為增壓區(qū)，遠(yuǎn)離30m處為穩(wěn)壓區(qū)，其規(guī)律符合工作面前方支撐壓力的分布規(guī)律。分析移動(dòng)規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)最大主應(yīng)力出現(xiàn)于在工作面前方4m處，其值為11.4 MPa，為原巖應(yīng)力的2.2倍，因此應(yīng)力集中系數(shù)2.2，而煤體的強(qiáng)度僅4.76 MPa，夾矸的強(qiáng)度最大7.9 MPa，可見最大主應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤體本身和夾矸的強(qiáng)度。因此工作面前方的頂煤及夾矸在集中應(yīng)力的作用下，呈破碎狀態(tài)，后期頂煤及夾矸的垮落是前方集中應(yīng)力壓碎后的塑性流動(dòng)。

5 結(jié)論

1）初次開采時(shí)，頂煤初次垮落步距9m，工作面推進(jìn)到9m時(shí)頂煤全部垮落?？紤]到已受上層煤采動(dòng)影響，垮落步距應(yīng)以7m為宜。雖然垮落煤塊整體偏大，但煤塊內(nèi)部裂隙發(fā)育，在放煤過程容易破碎，其可放性較好。

2）頂板初次來壓后的常規(guī)開采工作面支架上方及工作面前方3m范圍內(nèi)的頂煤發(fā)生充分破碎，支架主頂梁后方的頂煤可以正常放出，在支架后方?jīng)]有懸頂，可以實(shí)現(xiàn)正規(guī)循環(huán)放煤。

3）工作面處為減壓區(qū)，工作面前方煤壁30m處為增壓區(qū)、遠(yuǎn)離30m處為穩(wěn)壓區(qū)，其規(guī)律符合工作面前方支撐壓力的分布規(guī)律。最大主應(yīng)力出現(xiàn)在工作面前方4m處，其值為11.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.2，而煤體的強(qiáng)度4.76 MPa，夾矸的強(qiáng)度7.9 MPa，集中應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤體本身和夾矸的強(qiáng)度，頂煤的破碎性和冒放性較好，可以實(shí)現(xiàn)正規(guī)循環(huán)放煤。

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[2]賈光勝.綜放開采頂煤冒放性確定[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2001,29(7)：42-44.

[3]魏新旭.厚煤層綜放開采頂煤冒放性評(píng)價(jià)的可拓模型建立[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(7)：28-31.

[4]毛德兵，姚建國(guó).大采高綜放開采適應(yīng)性研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（11）：1937-1841.

[5]萬(wàn)峰，張洪清，韓振國(guó)，等.扎賚諾爾礦區(qū)Ⅱ3b2煤層頂煤冒放性評(píng)價(jià)[J].煤礦安全，2010，45(8)：207-209.

[6]李慧，田取珍.上灣煤礦后備區(qū)頂煤冒放性數(shù)值模擬研究[J].山西煤炭，2009，24(4)：8-10.

[7]王淑軍.麻地溝礦開采煤層采煤方法的探討[J].山西煤炭，2014，34(3)：57-59.

Study on Top Coal Caving of No.4-2+5 Coal Seam in Dangxin Mine of Shuozhou

LI Xiufeng1,2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; (2.Lishi Branch,Bureau of Land and Resources of Lvliang,Lvliang 033000,China)

Taking No.4-2+5 coal seam in Xiyi Dangxin Mine in Shuozhou as the research object, numerical simulation software RFPA was used tostudytop coal cavingofmerged seams.The top cal caving was studied by simulating themovement of surrounding rock of the firstmining face and of normal cycle operation.The results show that,in the geological condition of Dangxinmine,whenmining height is 3.0meters and caving height is 2.68meters with 0.83meters rock parting,the top coal caving has the better effect.

rock parting;top coal caving;numerical simulation;top coalmovement rule;destruction degree

TD823

A

1672-5050（2015）05-0061-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.020

（編輯：薄小玲）

2015-07-01

李秀峰（1970-），女，山西呂梁人，在讀工程碩士，工程師，從事礦山壓力數(shù)值模擬及分析的研究。