特厚煤層綜放開采頂煤冒放性數(shù)值模擬研究

曹志強 楊玉龍

(山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司，山西省忻州市，036500)

我國有部分煤田為煤層厚度9～15 m的特厚煤層，由于大采高綜采一次采全高受采高限制，以及分層開采工藝復(fù)雜等問題，該類煤層的開采方法用大采高綜放開采的居多。但是，大采高綜放開采回采過程中存在頂煤冒放性差、煤壁極易片幫冒頂?shù)葐栴}。

對于綜放開采頂煤冒放性問題，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。龐義輝、王國法針對西部埋深較淺、堅硬、特厚煤層頂煤冒放性差的問題，以金雞灘礦2-2上堅硬特厚煤層賦存條件為研究背景，通過理論計算、數(shù)值模擬等方法，得出了堅硬特厚煤層頂煤冒放結(jié)構(gòu)特征及提高采出率技術(shù)。馬延斌根據(jù)平朔公司井工一礦4#煤層地質(zhì)賦存條件，運用模糊數(shù)學(xué)綜合分析評價了開采深度、煤層強度、夾矸厚度以及節(jié)理裂隙對4106綜放工作面頂煤冒放性的影響，確定了冒放性及放出率。袁永、屠世浩提出采動支承壓力分布支護(hù)效應(yīng)與煤壁片幫時效性的觀點，運用系統(tǒng)動力學(xué)知識研究了大采高綜采采場“煤壁-頂板-底板”三維空間運動與支架工作狀態(tài)的關(guān)系，解決了大采高綜采的關(guān)鍵技術(shù)問題。馬文強、王同旭以煤樣物理力學(xué)參數(shù)試驗為基礎(chǔ)，研究了高韌性煤層綜放開采的難冒放機理，分析了高韌性煤層的韌性指標(biāo)特征，得出工作面內(nèi)頂煤與頂板離層范圍及離層區(qū)域形狀。

綜合分析可知，學(xué)者應(yīng)用理論力學(xué)、數(shù)學(xué)評價方法、數(shù)值模擬等方法，對綜放開采頂煤冒放性問題作了大量研究，成果豐富。但是，關(guān)于煤層煤質(zhì)及回采動壓影響對頂煤冒放性的影響卻鮮有研究?？紤]到回采動壓是影響頂煤冒放性的重要因素，為此本文選取沙坪煤礦13#中硬煤層為研究對象，采用數(shù)值模擬方法，對受回采動壓影響的頂煤冒放性特征進(jìn)行研究，結(jié)果對解決硬煤層綜放開采頂煤冒放問題具有一定的參考意義。

1 礦井概況

沙坪煤礦位于山西省河曲縣城東南約32 km處，交通便利，礦井許可生產(chǎn)能力3.36 Mt/a。井田總體呈北西傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀較平緩，傾角在2°～9°之間，一般為3°～5°，可采煤層為8上、8#、9#、10#、11#、12#、13#、15#煤層。

13#煤層分布于全井田，位于太原組二段中下部，下距15#煤層(平均厚度5.63 m)2～12.7 m，上距12#煤層(平均厚度4.23 m)1.05～15.7 m。煤層厚度10.32～26.87 m，平均厚度16.84 m。該煤層在井田西北部、中西部線厚度相對較薄，向西、南、東均呈逐漸增厚的趨勢，東部、東南部局部采空。煤層頂板巖性以泥巖為主，局部為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖；底板巖性以泥巖為主，局部為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖。

2 數(shù)值模擬與過程

2.1 軟件簡介

FLAC3D是巖土工程領(lǐng)域常用專業(yè)軟件，對涉及礦井地下開采巖土力學(xué)問題具有較好的模擬效果，廣泛應(yīng)用于煤礦開采領(lǐng)域的分析研究。

2.2 試驗?zāi)Ｐ图傲W(xué)參數(shù)

應(yīng)用FLAC3D軟件，模擬13#煤層回采過程中覆巖破壞及應(yīng)力分布變化規(guī)律。模型中層理弱面用INTERFACE模擬，支架用BEAM單元模擬。根據(jù)沙坪煤礦提供的鉆孔柱狀圖建立模型，模型中頂板巖層為150 m、13#煤層為18 m、底板巖層為56 m，模型布置見圖1，力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤層及圍巖試樣力學(xué)性質(zhì)

模型上部巖層施加等效載荷，4個立面固定法向位移，底面同樣固定法向位移，模型應(yīng)力平衡分布狀態(tài)見圖2。等效載荷按下式計算：

p=∑Hρg

(1)

式中：H——煤層上方未模擬頂板的厚度， m；

ρ——相應(yīng)的煤巖層密度，取平均2500，kg/m3；

g——重力加速度，取9.81，m/s2。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 頂煤破壞性分析

頂煤的破壞形式對頂煤冒放性具有重要的影響，由于煤巖體受壓不受拉的特性，剪切破壞的煤體處于受壓狀態(tài)，此時具有一定的殘余應(yīng)力，不易冒落。拉伸破壞的頂煤已完全破壞，失去殘余應(yīng)力，呈現(xiàn)散體狀態(tài)。因此，放煤口上方頂煤是否處于拉伸破壞是其能否及時冒落并順利回收的關(guān)鍵。

頂煤、頂板塑性區(qū)分布見圖3。工作面回采過程中不同推進(jìn)距離下頂煤、頂板塑性區(qū)分布，是判斷頂煤冒放性的依據(jù)。

圖1 模擬模型

圖2 模型應(yīng)力平衡分布狀態(tài)

圖3 頂煤、頂板塑性區(qū)分布

從圖3(a)可知，工作面推進(jìn)40 m時，頂煤上方2 m范圍內(nèi)處于拉伸破壞狀態(tài)，且多處于剪切破壞狀態(tài)，即頂煤上方2 m范圍內(nèi)頂板發(fā)生破壞。從圖3(b)可知，當(dāng)工作面推進(jìn)80 m時，頂煤拉伸破壞狀態(tài)延伸至4.5 m的位置，此時頂板破壞范圍擴展至上方12 m處，在頂板壓力的作用下，上方剪切破壞狀態(tài)的頂煤能夠?qū)崿F(xiàn)垮落，但存在大塊煤垮落的現(xiàn)象。從圖3(c)可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至120 m時，頂板破壞范圍繼續(xù)加大，但頂煤上方依然存在1 m的剪切破壞范圍，且該范圍隨著工作面的推進(jìn)不再發(fā)生大的變化。因此，工作面放煤過程中距離頂板1 m的頂煤不易冒落，在頂板壓力及支架的反復(fù)支撐作用下，該范圍內(nèi)頂煤會呈現(xiàn)大塊煤冒落狀態(tài)。

綜合分析實驗結(jié)果可知：

(1)初采期間，13#煤層上方頂煤拉伸破壞深度處于支架上方3～4.5 m，頂煤冒放性較差；

(2)工作面推進(jìn)60 m之后的正?；夭善陂g，頂煤的冒放性逐步變好，但由于煤層屬于中硬煤層，硬度較大，最上方頂煤不易冒落，容易形成大塊煤。

3.2 煤壁支承壓力分析

綜放采場煤壁前方頂煤受超前支承壓力的作用，預(yù)先發(fā)生變形、破裂直至破碎松散，是頂煤順利放出的先決條件。利用數(shù)值模擬方法對13#煤層回采模擬，分析不同回采距離下煤壁前方的超前支承壓力分布。超前支承壓力見圖4。

分析圖4(a)、(b)可知，當(dāng)工作面推進(jìn)60 m、80 m 時，煤壁前方應(yīng)力峰值范圍及大小呈現(xiàn)增長趨勢，應(yīng)力峰值距離煤壁6.4 m，峰值分別達(dá)到14.1 MPa、14.6 MPa，應(yīng)力降低范圍進(jìn)一步擴大，應(yīng)力降低帶呈現(xiàn)拱形分布。分析圖4(c)可知，當(dāng)工作面推進(jìn)180 m，煤壁前方應(yīng)力峰值依然存在，應(yīng)力峰值距煤壁位置基本穩(wěn)定7 m，應(yīng)力峰值大小在17～18 MPa浮動。

綜合分析實驗結(jié)果可知：

(1)初采期過后，隨著工作面的推進(jìn)，超前支承壓力峰值逐漸變大，且逐漸遠(yuǎn)離工作面煤壁；

(2)當(dāng)工作面推進(jìn)120 m以后，超前支承壓力峰值轉(zhuǎn)移到工作面前方7 m的位置，即工作面煤壁前方7 m之內(nèi)，頂煤發(fā)生了剪切破壞；

(3)隨著工作面的推進(jìn)，沿工作面方向的約束減弱，頂煤的破壞逐漸以拉伸破壞為主，隨后，頂煤失去側(cè)向約束，在頂板壓力和頂煤自重的作用下，頂煤開始冒落。

3.3 頂煤冒放性分析

通過模擬13#煤層回采過程中，頂煤破壞狀態(tài)及應(yīng)力分布規(guī)律，綜合分析沙坪煤礦13#煤層頂煤冒放性，得到13#煤層頂煤破壞狀態(tài)的分布圖，見圖5。

圖4 超前支承壓力分析

13#煤層回采對頂煤的破壞影響為：頂煤隨回采距離增加隨采隨冒，整體冒放性較好，但是由于煤質(zhì)相對較硬，回采初期頂煤破壞高度較低，冒放效果不佳；煤層回采過程中，頂煤在頂板與支架共同作用下發(fā)生破壞，頂煤破壞高度可達(dá)12m，頂板破壞高度可達(dá)18 m，煤體冒放性較好。

圖5 頂煤、頂板破壞分布

4 結(jié)論

(1)沙坪煤礦13#煤層采用綜放開采時，在初采階段，容易出現(xiàn)煤壁破碎情況，需要做好工作面防片幫冒頂處理。

(2)由于沙坪煤礦13#煤層屬于中硬煤質(zhì)，在初采期間，需對頂煤及頂板進(jìn)行弱化處理，減小頂板初次破斷步距，提高資源回收率，確保安全開采。

(3)沙坪煤礦13#煤層隨工作面回采，直接頂隨采隨落，頂煤破壞高度達(dá)12 m，煤體冒放性好。