劉寧

摘 要：針對(duì)平朔礦區(qū)4號(hào)煤層的實(shí)際賦存情況，研究淺埋深特厚煤層綜放開采時(shí)，為提高其在綜放開采過程中頂煤冒放性，運(yùn)用FLAC 3D數(shù)值試驗(yàn)，采用正交試驗(yàn)方法，對(duì)影響頂煤破壞的煤厚、埋深、工作面長(zhǎng)度、支架支撐力和煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度等五個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)，研究結(jié)果為：得出了各個(gè)因素對(duì)頂煤破壞的影響規(guī)律;頂煤破壞綜合指標(biāo)定義是合理的。通過改變可變因素的數(shù)值大小，可有效提高頂煤冒放性，為實(shí)際綜放開采提高回采率提供參考。

關(guān)鍵詞：綜放采場(chǎng);頂煤破碎;FLAC 3D

中圖分類號(hào)：TD355 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2021）36-0066-04

The Analysis of Factors Affecting Top Coal Breakage in Fully Mechanized Caving Stope of Shallow Deep and Thick Coal Seam

LIU Ning

（Equipment installation branch of China Coal Pingshuo Development Group Co. ，Ltd， Shuozhou Shanxi 036001）

Abstract：In view of the actual occurrence of No.4 coal seam in Pingshuo mining area，this paper studies the length of the working face with thick buried depth which affects the failure of top coal in order to improve the caving ability of top coal in fully mechanized caving mining of shallow and thick coal seam Five factors，such as support support force and coal uniaxial compressive strength，are tested.The results are as follows：the influence law of each factor on top coal failure is obtained.The comprehensive index definition of top coal failure is reasonable.By changing the value of variable factors，the caving property of top coal can be improved effectively，which provides reference for improving recovery rate of fully mechanized caving mining in practice.

Keywords：fully-mechanized sublevel caving face;top coal damage;FLAC 3D

依據(jù)放頂煤開采相關(guān)理論，頂煤的冒放性是決定放頂煤開采回采率的關(guān)鍵所在，而提高頂煤的冒放性的前提條件是必須保證頂煤能有效破碎[1]。

依據(jù)對(duì)綜放開采中頂煤冒落相關(guān)研究規(guī)律，頂煤冒落受諸多因素影響，既有內(nèi)部因素，也有外部因素。其中，影響頂煤冒放性主要因素有煤層埋藏深度、煤層強(qiáng)度、煤層厚度、支架初撐力和工作面長(zhǎng)度布置等。

煤層賦存深度直接影響著原巖應(yīng)力的大小，煤層埋藏深度越深，煤層內(nèi)的原巖應(yīng)力值越大，頂煤越容易碎裂，頂煤的冒放性越好。

頂煤較薄時(shí)，會(huì)隨采隨冒，有利于提高煤炭回收率。隨著頂煤厚度越大，上部頂煤將很難得到充分松動(dòng)破碎，冒放性變差。

煤層的抗壓強(qiáng)度愈大，其內(nèi)摩擦角和黏結(jié)系數(shù)愈大，其穩(wěn)定性越強(qiáng)，越不容易碎裂，影響頂煤冒放性。

按煤層開采理論，工作面礦山壓力隨著工作面長(zhǎng)度變長(zhǎng)而變大，隨之，頂煤越容易破碎[2]，支架上的頂煤冒放性越好。

綜放開采支架對(duì)頂煤有雙重作用，保證有安全可靠的工作空間和擠壓頂煤使其產(chǎn)生水平膨脹的破碎作用，使頂煤的破壞得到充分發(fā)展[3]。在保證綜采面安全的前提下，合理調(diào)小支架工作阻力，可使煤壁的頂煤變形增大，促進(jìn)頂煤破碎;合理調(diào)大支架支撐力，支架后方頂煤變形量增大，有利于支架后方頂煤的冒放性[4]。

本文針對(duì)平朔礦區(qū)4號(hào)煤層的實(shí)際賦存情況，研究淺埋深特厚煤層綜放開采時(shí)，為提高其在綜放開采過程中頂煤冒放性，運(yùn)用FLAC 3D數(shù)值試驗(yàn)，采用正交試驗(yàn)方法，對(duì)影響頂煤破壞的煤厚、埋深、工作面長(zhǎng)度、支架支撐力和煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度等五個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)，研究其對(duì)頂煤破碎影響程度的規(guī)律。

1 地質(zhì)概況

平朔礦區(qū)采取露井聯(lián)合開采，對(duì)露天開采排土場(chǎng)下壓煤的進(jìn)行井工開采，極大提高了礦區(qū)資源綜合回收率，針對(duì)采區(qū)4號(hào)煤層埋深范圍為112～170 m，煤層平均厚度為12.2 m，賦存穩(wěn)定，煤層單軸抗壓平均強(qiáng)度為34.6 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度平均為1.85 MPa，屬淺埋深、特厚、堅(jiān)硬煤層。煤層為富灰低硫;含夾矸3～5層，夾矸厚度為0.02～0.25 m，矸石巖性多為炭質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂質(zhì)泥巖。直接頂為粗砂巖，厚度范圍為7.53～11.28 m，平均厚度9.44 m?；卷敒樯百|(zhì)泥巖，厚度范圍為4.2～6.2 m，平均厚度5.77 m。

2 試驗(yàn)方案與分析

正交試驗(yàn)法具有用部分試驗(yàn)代表全部試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)中正交表具有正交性、代表性和綜合可比性等基本性質(zhì)[5-6]。本文采用正交試驗(yàn)法研究與分析所選的5個(gè)因素分別對(duì)頂煤破碎程度的影響。

2.1 試驗(yàn)方案

基于平朔礦區(qū)4號(hào)煤層特點(diǎn)件，依據(jù)綜放開采理論，研究分析表1中5個(gè)因素變化對(duì)綜放采場(chǎng)頂煤破碎的影響規(guī)律，5個(gè)因素分別取以下試驗(yàn)值，見表1。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

采用FLAC 3D數(shù)值模擬平朔礦區(qū)4號(hào)煤層在綜放開采過程中頂煤的應(yīng)力分布和碎裂規(guī)律。

試驗(yàn)?zāi)M采面推進(jìn)長(zhǎng)度245 m，煤層底板取30 m，上覆巖層作為模擬的頂板，垂直應(yīng)力均為上覆巖層的原巖應(yīng)力γH（γ為上覆巖層平均容量，H為巖塊所在位置離地表的深度），兩側(cè)順槽副幫取30 m煤柱。試驗(yàn)中每次均割煤5 m，開采高度3.0 m，采用正交試驗(yàn)法列出25個(gè)模型方案，見表2。

2.3 采空區(qū)模擬

采空區(qū)冒落的矸石可認(rèn)為是松散的，對(duì)煤層頂板起彈性支撐作用。隨著回采，采空區(qū)矸石被上覆巖層被壓實(shí)，泊松比μ、彈性模量E均隨著回采距離和時(shí)間構(gòu)成式（1）、式（2）。

[E=15+1751-e-1.25t] ? ? ?（1）

[μ=0.05+0.21-e-1.25t] ? ? （2）

碎脹系數(shù)受上覆巖壓力影響，關(guān)系為式（3）。

[K=alnp+b] ? ? ? （3）

式（3）中，P為上覆巖層壓力，碎脹系數(shù)為K，a和b為回歸系數(shù)。

結(jié)合平朔礦區(qū)4號(hào)煤層的實(shí)際巖層賦存情況，依據(jù)采空區(qū)內(nèi)冒落巖石的力學(xué)特征及其隨時(shí)間變化的規(guī)律，取試驗(yàn)中采空區(qū)冒落巖石的各類物理力學(xué)的參數(shù)見表3。

2.4 頂煤破壞性評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法

回采過程中，工作面煤壁前方支承壓力在整個(gè)回采過程中表現(xiàn)為先增后降狀態(tài)。根據(jù)庫侖-摩爾強(qiáng)度理論，頂煤各單元的破碎系數(shù)定為Z。

[Z=Δσ1Rc+1+sinφ1-sinφΔσ3] ? ? ?（4）

式（4）中，Rc為頂煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度，MPa;[Δσ3]為煤壁前支承壓力峰值后的最小主應(yīng)力降低量，MPa;[Δσ1]為最大主應(yīng)力降低量，MPa;φ為頂煤內(nèi)摩擦角。

將Zi加權(quán)平均，得出支架控頂區(qū)域煤體的整體破壞指標(biāo)值Y，如式（5）所示。

[Yi=i=1i=nZiAi/i=1i=nAi] ? ? ?（5）

式（5）中，Ai為單元面積，Zi為頂煤?jiǎn)卧茐南禂?shù)，Yi為頂煤的綜合破壞指標(biāo)，i為單元編號(hào)。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.5.1 試驗(yàn)結(jié)果。由式（5）計(jì)算出25個(gè)方案的頂煤破壞指標(biāo)，見表4。

2.5.2 各因素對(duì)標(biāo)Y的影響規(guī)律。按各因素的不同水平進(jìn)行分組，求得各組在控頂區(qū)內(nèi)的Y值，如表5所示。

5個(gè)因素均作一元回歸分析，得出以下規(guī)律，如圖1至圖5所示。

由圖1可知，頂煤破壞指標(biāo)隨著埋深增大呈對(duì)數(shù)規(guī)律增加。圖2為頂煤破壞指標(biāo)隨著煤層厚度增大呈二次多項(xiàng)式規(guī)律變化。由圖3可知，頂煤破壞指標(biāo)隨著工作面長(zhǎng)度增加呈對(duì)數(shù)規(guī)律增加。由圖4可知為頂煤破壞指標(biāo)隨著煤體單軸強(qiáng)度的增加呈負(fù)指指數(shù)規(guī)律下降。由圖5可知，頂煤破壞指標(biāo)隨著支架工作阻力的增大呈先下降后上升的二次多項(xiàng)式規(guī)律變化。

2.5.3 各因素對(duì)頂煤破壞綜合指標(biāo)Y的影響程度。采用極差分析方法，計(jì)算5個(gè)因素對(duì)綜采工作面頂煤破壞影響的極差值。

煤厚RM=0.53-0.494=0.036;

埋深RH=0.654-0.290=0.364;

工作面長(zhǎng)度RL=0.58-0.406=0.174;

支架工作阻力RP=0.554-0.496=0.058;

煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度RRc=0.702-0.394=0.308。

極差值的大小反映了各因素對(duì)頂煤破壞綜合指標(biāo)影響程度的大小，對(duì)5個(gè)因素的極差值排序：煤厚RM<支架工作阻力RP<切眼長(zhǎng)度RL<煤體強(qiáng)度RRc<埋深RH。

3 結(jié)論

根據(jù)平朔礦區(qū)4號(hào)煤層實(shí)際特點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)研究，煤層賦存深度H、煤層厚度M、工作面長(zhǎng)度L、煤的強(qiáng)度Rc和支架支撐力P等5個(gè)因素對(duì)Y值影響規(guī)律，可得出。

①5個(gè)因素對(duì)Y值影響程度大小排序：煤厚RM<支架工作阻力RP<切眼長(zhǎng)度RL<煤體強(qiáng)度RRc<埋深RH。

②運(yùn)用多元回歸分析的方法，可得出煤厚M、埋深H、切眼長(zhǎng)度L、支架工作阻力P和煤體強(qiáng)度Rc對(duì)綜放采場(chǎng)頂煤破壞指標(biāo)Y的關(guān)系為：

Y=0.382 9+0.000 97H-0.006 5M+0.000 47L-0.017 5Rc-0.000 002P

③根據(jù)煤層賦存條件，合理選擇本試驗(yàn)選用的各因素參數(shù)值，可有效提高頂煤冒放性，為礦井高產(chǎn)高效開采提供可行的參考。

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