張思建

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 臨汾 041000）

煤炭資源按照其覆存厚度可分為薄煤層、中厚煤層、厚煤層、特厚煤層，其中厚煤層在我國煤炭資源儲(chǔ)量中占據(jù)45%，所以對(duì)厚煤層開采進(jìn)行研究具有十分重要的意義。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，效率較低；大采高綜放開采，對(duì)于頂板巖性要求較高，相對(duì)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]。本文通過數(shù)值模擬的方法研究不同開采條件下煤巖運(yùn)移規(guī)律，為綜放開采高效開采做出一定的貢獻(xiàn)。

1 礦井概況及模型構(gòu)建

鎮(zhèn)城底礦位于山西省古交市西北處，礦井田占地面積約16.63 km2，礦井西北走向6.6 km，南北走向平均寬度約為3.6 km，鎮(zhèn)城底礦年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為190萬t。22212工作面現(xiàn)主要開采太原組2號(hào)、3號(hào)煤層，煤層平均厚度3.9 m，平均傾角6°，采用的是綜采放頂煤采煤工藝。

厚煤層綜放工作面放頂煤開采頂煤的變形較為復(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越大，支撐應(yīng)力影響的范圍也就越廣，所以對(duì)頂煤的破壞也就越明顯，更有利于頂煤的放出。采高同樣是影響頂煤冒放的重要因素，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[2]。

根據(jù)鎮(zhèn)城底礦實(shí)際地質(zhì)情況，建立長、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。2號(hào)煤層內(nèi)聚力為1.5 MPa，內(nèi)摩擦角為31°，剪切模量為1.7 GPa，密度為1 400 kN·m3。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

完成巖層參數(shù)設(shè)定后對(duì)采高分別為2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m進(jìn)行模擬研究，得出不同采高下垂直應(yīng)力峰值變化情況如圖1所示。

圖1 不同采高下垂直應(yīng)力峰值變化情況

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，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。當(dāng)機(jī)采高度為2.0 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3.0 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4m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?？梢钥闯霎?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[3]。

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點(diǎn)，測點(diǎn)間距設(shè)定為0.5 m，監(jiān)測頂煤的水平位移情況，監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 頂煤水平位移情況

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，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。當(dāng)采高為3.0 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2.0 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2.0 m、2.5 m時(shí)，此時(shí)的頂煤水平位移量變化趨勢較為緩和，而在采高為3.0 m、3.5 m、4.0 m時(shí)頂煤的水平位移量變化趨勢較為劇烈?？梢钥闯?，當(dāng)采高為3.0 m時(shí)，此時(shí)的頂煤流動(dòng)性較佳，頂煤的冒放性較好[4]。

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2.0 m、3.0 m、4.0 m情況下頂煤的運(yùn)移規(guī)律，模擬結(jié)果如3所示。

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。當(dāng)采高為2m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3m和4.0 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。

圖3 不同采高下的頂煤運(yùn)移規(guī)律云圖

當(dāng)采高為2.0 m時(shí)，頂煤回收率為78.4%，頂煤中的含矸率為13.6%；而當(dāng)采高為3.0 m時(shí)，頂煤回收率為86.1%，頂煤中的含矸率為8.4%；當(dāng)采高為4.0 m時(shí)，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，含矸率也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)采高為3.0 m時(shí)，頂煤回收率和含矸率均為最優(yōu)值，所以采高的最佳值為3.0 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，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，在采高為3.0 m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，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。

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3.0 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%。