曹志強(qiáng) 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(jiān)硬、特厚煤層頂煤冒放性差的問題，以金雞灘礦2-2上堅(jiān)硬特厚煤層賦存條件為研究背景，通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法，得出了堅(jiān)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(yùn)用模糊數(shù)學(xué)綜合分析評(píng)價(jià)了開采深度、煤層強(qiáng)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(dòng)支承壓力分布支護(hù)效應(yīng)與煤壁片幫時(shí)效性的觀點(diǎn)，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)研究了大采高綜采采場“煤壁-頂板-底板”三維空間運(yùn)動(dòng)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(qiáng)、王同旭以煤樣物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了高韌性煤層綜放開采的難冒放機(jī)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(píng)價(jià)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(dòng)壓影響對頂煤冒放性的影響卻鮮有研究?？紤]到回采動(dòng)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(dòng)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(yàn)?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(gè)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，頂煤拉伸破壞狀態(tài)延伸至4.5 m的位置，此時(shí)頂板破壞范圍擴(kuò)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(shí)，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(huì)呈現(xiàn)大塊煤冒落狀態(tài)。

綜合分析實(shí)驗(yàn)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之后的正常回采期間，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(shí)，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(kuò)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(dòng)。

綜合分析實(shí)驗(yàn)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(shí)，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。