范文東

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046100）

厚煤層是我國(guó)主要的煤層存在形式，目前采用放頂煤的方式開采厚煤層，因其具有工藝簡(jiǎn)單、回采率高等特點(diǎn)，已成為厚煤層開采的主要方式。厚煤層的放頂煤開采主要通過(guò)采煤機(jī)對(duì)底部煤層進(jìn)行開采，再由輸送機(jī)將煤炭運(yùn)出，由于形成的采空區(qū)受到上覆巖層的壓力作用，頂煤易破碎，因此，通過(guò)液壓支架的放煤口將破碎頂煤放出，從而實(shí)現(xiàn)厚煤層的開采。

頂煤的破碎量是決定放頂煤開采效率的重要因素，頂煤的破碎受到開采過(guò)程中多種因素的影響，包括頂板條件、液壓支架的支撐作用等[1]。然而，對(duì)于頂煤的破碎需要進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)才能確定其變形破碎規(guī)律。若進(jìn)行大量的技術(shù)實(shí)驗(yàn)，不僅成本較大，并且研究的周期較長(zhǎng)，無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有效實(shí)施，因此，采用數(shù)值仿真分析的方式對(duì)頂煤的破碎規(guī)律進(jìn)行分析，以此來(lái)優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工藝參數(shù)，提高頂煤的破碎率，從而提高放頂煤開采的效率[2]。

1 頂煤厚度對(duì)破碎率的影響分析

放頂煤開采過(guò)程中，頂煤的厚度對(duì)破碎率具有直接影響，頂煤厚度過(guò)大會(huì)使得破碎效果有限，而厚度過(guò)小時(shí)，則會(huì)限制開采效率。通過(guò)采用FLAC分析軟件對(duì)頂煤的破碎情況進(jìn)行仿真模擬，以此分析頂煤厚度對(duì)頂煤破碎率的影響。

采用FLAC分析中的應(yīng)變軟化來(lái)對(duì)煤巖層的破碎進(jìn)行模擬。根據(jù)巖層呈現(xiàn)的脆性破壞形式，建立煤巖層的模型，其組成包括粗砂巖、細(xì)砂巖、泥煤、細(xì)沙巖泥等，設(shè)定各個(gè)組成成分的厚度及相應(yīng)的物理參數(shù)，以此對(duì)頂煤的厚度進(jìn)行分析；設(shè)定直接頂?shù)暮穸确謩e為3.5 m、5 m、7.5 m，以此對(duì)頂煤的破碎情況進(jìn)行模擬分析[3]。

經(jīng)過(guò)FLAC仿真運(yùn)算，得到頂煤厚度分別為3.5m及5 m時(shí)的頂煤塑性區(qū)分布及破壞系數(shù)分布，如圖1、圖2所示。從圖1、圖2中可以看出，當(dāng)頂煤厚度為3.5 m時(shí)，頂煤的彈性區(qū)直徑為1 m，彈性區(qū)主要分布在支架頂梁的前方位置處，與頂煤厚度為5 m時(shí)的塑性變形區(qū)分布一致，這說(shuō)明在支架頂梁上方位置處的頂煤的破碎性有所增加[4]，有利于頂煤的放出；上方的頂煤破碎系數(shù)為0.72～1.25，略大于頂煤厚度為5 m時(shí)的破碎系數(shù)，整個(gè)區(qū)域的綜合破碎系數(shù)也相對(duì)較大，這說(shuō)明頂煤厚度較低時(shí)，頂煤沒(méi)有形成墊層效應(yīng)，頂煤的破碎效果較好，有利于頂煤的放出。

圖1 頂煤厚度為3.5 m

圖2 頂煤厚度為5 m

頂煤厚度為7.5 m時(shí)，頂煤的塑性區(qū)分布及破壞系數(shù)如下頁(yè)圖3所示，從圖3可以看出，在頂煤厚度增加后，頂煤形成墊層效應(yīng)，對(duì)于下位頂煤的破碎造成一定影響。頂煤的彈性區(qū)增加為較大的橢圓形區(qū)域，支架上方的頂煤破碎效果減弱，而整個(gè)區(qū)域的破碎系數(shù)中，前方頂?shù)钠扑橄禂?shù)有所增加[5]，這是由于隨著頂煤厚度的增加，支架的承載壓力相應(yīng)增加，從而使得頂煤的破碎系數(shù)增加。由于液壓支架的壓力導(dǎo)致前方頂?shù)钠扑橄禂?shù)增加，這將不利于工作面的穩(wěn)定，會(huì)對(duì)工作面的頂板及煤壁支護(hù)造成一定的困難，因此，通過(guò)應(yīng)減小頂煤的厚度來(lái)避免發(fā)生冒頂?shù)劝踩鹿省?/p>

圖3 頂煤厚度為7.5 m

通過(guò)上述的分析可知，在放頂煤開采中，頂煤的厚度增加會(huì)造成頂煤的墊層效應(yīng)，并且隨著厚度的增加，作用越明顯，表現(xiàn)為支架的前方頂彈性區(qū)域增加，并且破碎效果較差的頂煤容易造成放煤口的堵塞，不利于頂煤的放出，因此，應(yīng)對(duì)開采的頂煤厚度進(jìn)行相應(yīng)控制，以避免墊層效應(yīng)的積聚。

2 支架支撐作用對(duì)破碎率的影響分析

放頂煤開采過(guò)程中離不開液壓支架的支撐作用，頂煤在支架連續(xù)的加壓、卸壓過(guò)程破壞了煤層的連續(xù)性，增加了煤層的破碎率。液壓支架的反復(fù)作用，使得煤層的塑性變形區(qū)增加[6]，在煤層厚度為5 m的情況下，對(duì)實(shí)施支架支撐作用后的煤層的破碎情況進(jìn)行模擬，得到如圖4所示的塑性變形分布及破壞系數(shù)分布情況。

從圖4中可以看出，支架的連續(xù)支撐作用使得塑性變形區(qū)增大，提高了煤層的破壞系數(shù)，同時(shí)，塑性變形區(qū)的分布規(guī)律與上述分析一致，這表明支架的支撐作用沒(méi)有改變煤壁的穩(wěn)定性，有利于煤層的開采。由于煤層矸石的不同，其對(duì)煤層的破碎性具有重要影響，在夾矸的情況下，因矸石的塑性相對(duì)較差，使得支架的支撐作用受限，降低了頂煤的破碎性。在這種情況下，可以對(duì)頂煤的液壓支架進(jìn)行多次操作，以提高矸石的破碎性，從而利于頂煤的放出。

圖4 支架多次作用下的厚度為5 m的頂煤分布情況

3 結(jié)論

1）頂煤的厚度增加時(shí)，會(huì)造成頂煤的墊層效應(yīng)，并且隨著厚度的增加，作用越明顯，不利于頂煤的放出，因此，應(yīng)對(duì)開采的頂煤厚度進(jìn)行相應(yīng)的控制，以避免墊層效應(yīng)的積聚。

2）液壓支架在加壓、卸壓的過(guò)程中，可以增加煤層的塑性，提高煤層的破碎性，特別是針對(duì)含有夾矸的煤層，可以通過(guò)多次升降液壓支架的方式來(lái)提高頂煤的破碎性。

3）在進(jìn)行放頂煤的開采過(guò)程中，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的煤層條件，設(shè)定相應(yīng)的頂煤厚度及對(duì)液壓支架進(jìn)行支撐，有利于增加頂煤的放出，提高煤礦的開采效率。