大采高綜放開采頂煤運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究

張建功

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

引言

目前我國對(duì)厚煤層開采的方式主要有大采高綜采、分層開采、綜放開采三種，分層開采開采的效率較低，大采高綜放開采對(duì)于頂板巖性要求較高，均存在一定的弊端，比較而言綜放開采具有高產(chǎn)高效的特點(diǎn)，但其損失煤量仍較大，所以如何提升頂煤的回收率對(duì)于綜放開采十分重要[1]。本文通過理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的研究手法對(duì)不同開采條件下煤巖運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，為綜放開采高效開采做出一定的貢獻(xiàn)。

1 礦井概況及數(shù)值模型建立

屯蘭礦位于西山煤田之東部邊緣，距太原市約60 km，井田面積73.33 km2，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力500 萬t，屬高瓦斯礦井。18406 工作面現(xiàn)主要開采太原組2#、8#煤層，開采煤層平均厚度3.9 m。厚煤層綜放工作面放頂煤的變形較為復(fù)雜，破壞形式主要是受到開采技術(shù)及煤層覆存條件所決定，所以在覆巖的力學(xué)性質(zhì)及開采環(huán)境一定的情況下，厚煤層開采變形特征只受到開采參數(shù)的影響。煤層埋深越深，在前方形成的超前支撐壓力峰值也就也大，支撐應(yīng)力影響的范圍也就也廣，所以對(duì)頂煤的破壞也就越明顯，更有利于頂煤的放出。采高同樣是對(duì)頂煤冒放重要的影響因素，為了研究不同開采工藝下的頂煤冒放情況，本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同采高下頂煤的破壞情況進(jìn)行分析。

根據(jù)屯蘭礦實(shí)際地質(zhì)情況，監(jiān)理長寬高分別為200 m×200 m×80 m 的模型，工作面走向長度為120 m，傾向長度100 m，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，充分考慮計(jì)算精度及計(jì)算效率的影響對(duì)模型的研究區(qū)域進(jìn)行粗劃分，完成模型網(wǎng)格劃分后對(duì)模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)地質(zhì)實(shí)際情況對(duì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，具體巖層力學(xué)參數(shù)，如表1 所示。

表1 具體巖層力學(xué)參數(shù)表

2 模擬計(jì)算

完成巖層參數(shù)設(shè)定后對(duì)采高2、2.5、3、3.5、4 m 分別進(jìn)行模擬研究，給出不同采高下垂直應(yīng)力峰值變化曲線，如圖1 所示。

圖1 不同采高下垂直應(yīng)力峰值變化曲線

從圖1 可以看出，隨著采高的不斷的增加，此時(shí)應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，而應(yīng)力峰值超前距離隨著采高的增加呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)。當(dāng)機(jī)采高度為2 m 時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力峰值為17.98 MPa，應(yīng)力峰值出現(xiàn)的距離為工作面前方4.8 m 的位置，當(dāng)機(jī)采高度為3 m 時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力峰值達(dá)到不同采高下的最大值，最大值為18.1 MPa，此時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力峰值的位置為工作面前方5.1 m，當(dāng)機(jī)采高度為4 m時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力峰值為不同采高下的最小值，此時(shí)的最小值為17.35 MPa，最小值的位置出現(xiàn)在工作面前方5.9 m 的位置。可以看出當(dāng)機(jī)采高度為3 m 時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力峰值最大，頂煤的破裂效果最佳。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因?yàn)楫?dāng)采高小于3 m 時(shí)，此時(shí)的頂煤的厚度減小，此時(shí)覆巖的緩沖作用減小，巖梁的回轉(zhuǎn)幅度增大，所以應(yīng)力峰值逐步增加，而當(dāng)采高大于3 m 時(shí)，此時(shí)頂煤厚度進(jìn)一步減小，頂煤向著支架方向采空區(qū)冒漏，應(yīng)力集中由頂煤轉(zhuǎn)移至煤壁，所以應(yīng)力峰值出現(xiàn)減小的趨勢(shì)[2]。

對(duì)不同采高下的頂煤破碎程度進(jìn)行分析，分別在頂煤上部布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距設(shè)定為0.5 m，監(jiān)測(cè)頂煤的水平位移情況，繪制頂煤位移曲線，如圖2所示。

圖2 頂煤水平位移曲線

從圖2 中可以看出，隨著距離工作面高度的不斷增加，頂煤的水平位移呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)，同時(shí)隨著采高的不斷增加，頂煤的水平位移量最大值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)采高為3 m 時(shí)，此時(shí)的頂煤水平位移的最大值最大，約為141 mm，當(dāng)采煤高度為2 m 時(shí)，此時(shí)的頂煤水平位移量最小僅為72 mm，同時(shí)可以看出不同采高下的頂煤水平位移量均出現(xiàn)在下位頂煤中。在采高2 m 和2.5 m 時(shí)，此時(shí)的頂煤水平位移量變化趨勢(shì)較為緩和，而在采高為3 m、3.5 m和4 m 時(shí)頂煤的水平位移量變化趨勢(shì)較為劇烈，可以看出，當(dāng)采高為3 m 時(shí)，此時(shí)的頂煤流動(dòng)性較佳，頂煤的冒放性較好。

對(duì)不同采高下的頂煤運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，采用PFC 軟件進(jìn)行計(jì)算，模擬采高分別為2 m、3 m 和4 m情況下頂煤的運(yùn)移規(guī)律[3-4]，模擬結(jié)果圖，如圖3 所示。

圖3 不同采高下的頂煤運(yùn)移規(guī)律云圖

從圖3 可以看出，不同采高下的頂煤冒落狀態(tài)均類似于漏斗狀，在煤巖分界位置對(duì)的斜率較大，在采空區(qū)一側(cè)的斜率較小。模型顆粒間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.4，支架與顆粒間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1，隨著采高的增大，在煤矸分界位置的斜率呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì)，當(dāng)采高為2 m 時(shí)，此時(shí)在采空區(qū)的煤矸界限明顯下凹，此時(shí)由于頂煤厚度較大，使得頂煤的流動(dòng)速度很慢。當(dāng)采高增大至3 m 和4 m 時(shí)，此時(shí)的放頂煤空間較大，煤巖的分界較為平滑，頂煤的流動(dòng)速度較大，對(duì)于放頂煤較為有利。不同采高下的頂煤的含矸率和回收率，如表2 所示。

表2 不同采高下的頂煤的含矸率和回收率

從表中可以看出，當(dāng)采高為2 m 時(shí)，此時(shí)的頂煤回收率為78.4%，頂煤中的含矸率為13.6%，而當(dāng)采高為3 m 時(shí)，此時(shí)的頂煤回收率為86.1%，頂煤中的含矸率為8.4%，當(dāng)采高為4 m 時(shí)，此時(shí)的頂煤回收率為84.2%，頂煤中的含矸率為8.7%，可以看出隨著采高的增大，頂煤的回收率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，含矸率也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)采高為3 m 時(shí)，此時(shí)的頂煤回收率和含矸率均為最優(yōu)值，所以采高的最佳值為3 m。

3 結(jié)論

1）隨著采高的不斷的增加，此時(shí)應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，而應(yīng)力峰值超前距離隨著采高的增加呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，在采高為3m 時(shí)應(yīng)力峰值及峰值超前距離最大。

2）隨著距離工作面高度的不斷增加，頂煤的水平位移呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)，同時(shí)隨著采高的不斷增加，頂煤的水平位移量最大值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

3）不同采高下的頂煤冒落狀態(tài)均類似于漏斗狀，當(dāng)采高為3 m 時(shí)，此時(shí)的頂煤回收率和含矸率均為最優(yōu)值，分別為頂煤回收率為86.1%，頂煤中的含矸率為8.4%。