厚煤層大采高提高煤壁破壞的工藝參數(shù)優(yōu)化

楊曉君

(山西焦煤西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司東曲煤礦，山西 太原 030200)

引 言

我國(guó)地下資源儲(chǔ)量豐富，特別是煤炭資源的儲(chǔ)量位居世界前列，并且一半左右的煤炭資源以厚煤層的形式存在。隨著開(kāi)采自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，采用大采高的綜采方式可以對(duì)厚煤層進(jìn)行高效的開(kāi)采，提高了煤炭開(kāi)采的生產(chǎn)效率。在大采高綜采的過(guò)程中，由于煤層厚度的增加，使得煤層煤壁的破壞性變化較大是影響大采高開(kāi)采效率的關(guān)鍵因素。煤壁的破壞性受到煤層的自身的埋深、煤層的深度及支護(hù)強(qiáng)度、采高參數(shù)等多種因素的影響[1]。針對(duì)厚煤層的開(kāi)采，采用數(shù)值模擬的方式對(duì)大采高的工藝參數(shù)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)安全性的提高厚煤層的煤壁破壞性，提高大采高綜采的生產(chǎn)效率，從而提高煤礦開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益。

1 煤壁破壞數(shù)值模型的建立

工作面煤壁的破壞性受到諸多因素的影響，煤層的深度越大，則產(chǎn)生屈服破壞的幾率越大，煤層自身的物理參數(shù)對(duì)于破壞性具有重要的影響；此外，在開(kāi)采過(guò)程中，采高的增加，會(huì)產(chǎn)生片幫的問(wèn)題，是阻礙煤炭的開(kāi)采效率，工作面的推進(jìn)速度和長(zhǎng)度，影響到頂板對(duì)于煤壁的壓力作用，從而對(duì)煤壁破壞性產(chǎn)生作用[2]。在煤層地質(zhì)因素確定的條件下，采用Flac3D數(shù)值分析軟件，針對(duì)開(kāi)采過(guò)程中的采高、埋深、工作面長(zhǎng)度等因素對(duì)煤壁的破壞性進(jìn)行分析。

在進(jìn)行數(shù)值分析的過(guò)程中，依據(jù)煤層的地質(zhì)條件設(shè)定模型頂板為86 m，底板為26 m，設(shè)定不同的采高分別為4 m～8 m，工作面的推進(jìn)長(zhǎng)度為150 m，模型在工作面的方向上保留30 m長(zhǎng)度的固定煤層，工作面的長(zhǎng)度設(shè)定為100 m～300 m，同時(shí)在工作面的寬度方向上保留30 m長(zhǎng)度的固定煤層[3]，煤層分布模型，如圖1所示。

圖1 煤層分布模型

設(shè)定煤層模型的側(cè)面方向約束固定，底部同時(shí)受到水平和垂直方向的固定約束，頂部以均布載荷的形式施加來(lái)自上方巖層的壓力，沿工作面方向推進(jìn)，每次推進(jìn)5m，對(duì)煤壁的破壞性進(jìn)行模擬分析[4]。

2 煤壁破壞性數(shù)值模擬分析

對(duì)煤壁的破壞性進(jìn)行模擬分析，針對(duì)采高、工作面長(zhǎng)度不同進(jìn)行分別設(shè)置分析，選取典型位置處的仿真模擬結(jié)果，選擇煤壁前端2.5 m位置處的煤體進(jìn)行煤壁破壞系數(shù)的計(jì)算。如第125頁(yè)圖2a)所示表示采高為8 m、工作面長(zhǎng)度為100 m時(shí)的煤壁破壞面積分布圖，圖2b)中表示采高為6 m、工作面長(zhǎng)度為200 m時(shí)煤壁破壞面積分布圖，圖2c)中表示采高為4 m、工作面長(zhǎng)度為300 m時(shí)煤壁破壞面積分布圖。

a)采高為8 m、工作面長(zhǎng)度為100 m

依據(jù)上述的分析方式，對(duì)煤層開(kāi)采的參數(shù)進(jìn)行多個(gè)取值的仿真分析，依據(jù)仿真分析結(jié)果，計(jì)算煤壁的破壞系數(shù)，采用煤壁破壞系數(shù)來(lái)表示煤壁的破壞程度。對(duì)開(kāi)采的因素進(jìn)行回歸分析，得到采高和工作面長(zhǎng)度對(duì)煤壁破壞系數(shù)的影響，如圖3、圖4所示。

圖4 工作面長(zhǎng)度對(duì)煤壁破壞性影響

通過(guò)上述的分析可知，在煤層采高增加的過(guò)程中，煤壁的破壞系數(shù)呈線性增加，說(shuō)明在采高增加時(shí)，煤壁的破壞性也隨之增加，采高增加時(shí)，工作面的煤層自由空間增加，頂板的作用力增加，使得煤壁的破壞程度提高，但要注意煤壁產(chǎn)生的片幫問(wèn)題[5]。破壞系數(shù)隨工作面長(zhǎng)度的增加呈對(duì)數(shù)的關(guān)系，隨著工作面長(zhǎng)度的增加，煤壁的破壞程度也隨之增大，有利于煤炭開(kāi)采效率的提升，但同時(shí)，也要注意發(fā)生片幫的可能性[6]。采用大采高綜采方法對(duì)厚煤層進(jìn)行開(kāi)采，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況條件，結(jié)合數(shù)值仿真分析的結(jié)果，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)采條件進(jìn)行優(yōu)化，選擇工作面長(zhǎng)度為225 m，采高為5 m進(jìn)行煤層的開(kāi)采。

3 結(jié)語(yǔ)

大采高綜采工藝進(jìn)行厚煤層的開(kāi)采，具有適用性強(qiáng)、安全性高、回采工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適合我國(guó)厚煤層的開(kāi)采。隨著我國(guó)大采高技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)采高度可逐漸提升到8m以上，提高了煤炭開(kāi)采的效率。隨著開(kāi)采高度及工作面的推進(jìn)，煤壁的破壞性逐漸增加，使得在提高煤炭開(kāi)采效率的同時(shí)，造成煤壁的穩(wěn)定性降低，容易產(chǎn)生片幫等問(wèn)題，對(duì)煤炭的開(kāi)采造成一定的安全隱患，不利于大采高綜采效率進(jìn)一步的提高。

煤壁的破壞性受到諸多因素的影響，包括煤炭的埋深、自身的物理參數(shù)、煤層的分布傾角等，對(duì)于地質(zhì)確定的煤層，采用大采高綜采進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，采高的高度、工作面的長(zhǎng)度及支架的支護(hù)不同，都會(huì)對(duì)煤壁的破壞性產(chǎn)生影響，如何確定最優(yōu)化的工藝參數(shù)是進(jìn)行大采高綜采研究的重點(diǎn)。采用Flac3D數(shù)值分析軟件，針對(duì)煤壁的破壞性，在不同的采高及工作面長(zhǎng)度參數(shù)下，對(duì)煤壁的破壞性進(jìn)行分析，并由此進(jìn)行煤壁破壞系數(shù)的計(jì)算，得到煤壁破壞系數(shù)在采高增加的過(guò)程中，煤壁的破壞系數(shù)呈線性增加，在工作面長(zhǎng)度的增加的過(guò)程中，煤壁的破壞系數(shù)呈對(duì)數(shù)增加。這說(shuō)明，在進(jìn)行厚煤層的開(kāi)采時(shí)，增加采高和工作面的長(zhǎng)度有利于開(kāi)采效率的提升，但同時(shí)，在實(shí)際的開(kāi)采過(guò)程中，由于煤壁破壞性的降低，煤壁的穩(wěn)定性較差，要避免片幫問(wèn)題的產(chǎn)生。在厚煤層的開(kāi)采中，利用工藝參數(shù)的變化來(lái)進(jìn)行煤壁的破壞性控制具有重要的意義，對(duì)提高大采高綜采的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的影響。