樊中恩，李博洋

(1.山煤集團(tuán) 洪洞恒興煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041600；2.山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán) 臺(tái)頭煤焦有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 042100)

放頂煤技術(shù)已經(jīng)成為我國煤炭開采在世界上的標(biāo)志性技術(shù)和成果[1].在放頂煤開采過程中，受到礦山壓力和移架反復(fù)支撐的影響，頂煤得以快速破碎并冒落，然而當(dāng)煤層中存在大量夾矸層時(shí)，堅(jiān)硬的夾矸層使得頂煤放出塊度大或難以放出，導(dǎo)致頂煤回收率較低。學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了大量研究，張慶寶等[2]通過對(duì)綜放工作面含夾矸結(jié)構(gòu)復(fù)雜段頂煤放出特征和放煤工藝的研究，提出選擇兩刀一放單輪間隔放煤方式，有利于提高煤炭回收率。張頂立等[3]揭示了含夾矸頂煤的破碎機(jī)理，認(rèn)為煤、矸兩者彈性模量及強(qiáng)度差異是影響夾矸破碎的主要因素。史宏寶等[4]將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用于含夾矸厚煤層開采中，提高工作面頂煤綜放開采回收率。馮宇峰[5]提出了頂煤深孔預(yù)裂爆破、雙輪間隔放煤等措施，實(shí)施頂煤弱化措施和優(yōu)化采放工藝后，頂煤放出率提高至85%以上。上述學(xué)者們通過分析含夾矸煤層開采機(jī)理及力學(xué)特性，提出并運(yùn)用了不同開采方法來提高含夾矸煤層頂煤回收率，取得了良好的效果。但是針對(duì)具體礦井依然需要對(duì)含多層夾矸厚煤層頂煤變形規(guī)律進(jìn)行研究，為放頂煤工藝技術(shù)改進(jìn)與優(yōu)化提供理論支撐。以鋪龍灣煤礦5102工作面為模型背景，利用COMSOL數(shù)值模擬軟件建立含多層夾矸煤層開采數(shù)值模型，分析開采后煤矸層應(yīng)力變化、塑性變形規(guī)律及位移變化，為鋪龍灣煤礦厚煤層綜放開采提供理論依據(jù)。

1 含多層夾矸煤層頂煤變形特征

煤體的變形和破壞表現(xiàn)為裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展和擴(kuò)展，當(dāng)煤層中含有夾矸層時(shí)，煤層原有的大量裂隙會(huì)引起綜放工作面回采時(shí)的動(dòng)態(tài)變化。隨著工作面的推進(jìn)，煤壁前方會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過煤層破裂極限強(qiáng)度時(shí)，頂煤產(chǎn)生大量裂隙進(jìn)而發(fā)生煤體破壞。當(dāng)煤層中存在夾矸時(shí)，夾矸層節(jié)理裂隙不發(fā)育，裂紋擴(kuò)展困難，煤矸整體穩(wěn)定性好、厚度大，在放頂煤開采過程中，夾矸不易破碎放出，從而影響到綜放開采頂煤的冒放性，降低了頂煤的回收率。

含多層夾矸厚煤層開采時(shí)，上部煤層經(jīng)過反復(fù)移架，頂煤從支架后方冒落，堅(jiān)硬的夾矸受采動(dòng)影響不易垮落發(fā)生變形，從而與夾矸上部煤層產(chǎn)生離層，此時(shí)，夾矸層會(huì)形成懸臂梁的形式。煤層采出后，煤層上覆巖層或夾矸層失去原有支撐，巖層向采空區(qū)發(fā)生移動(dòng)變形或破壞，直接頂?shù)囊苿?dòng)變形為上部夾矸層提供了更大的變形空間，在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生更大的離層現(xiàn)象，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，上覆煤巖層的變形破壞繼續(xù)不斷向上傳遞，一段時(shí)間后，上覆煤巖層彎曲變形導(dǎo)致放頂煤采動(dòng)區(qū)域內(nèi)應(yīng)力重新分布[6].含多層夾矸厚煤層綜放頂煤自然破壞過程示意圖見圖1.

圖1 含多層夾矸厚煤層綜放頂煤自然破壞過程示意圖

2 礦井概況

山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司位于山西省大同市左云縣興云鎮(zhèn)東南約22 km處的施家窯村，礦井井田面積4.864 9 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬t/a.礦井采用斜井開拓方式，井筒數(shù)量為3個(gè)，現(xiàn)主采5#煤層，5#煤層賦存穩(wěn)定，煤厚在5.05～12.6 m，平均8.55 m，煤層含2～5層夾矸，夾矸厚度為0.2～1.45 m(圖2)，巖性為碳質(zhì)泥巖，工作面頂?shù)装鍘r性見表1.

圖2 夾矸位置示意圖

礦井5102工作面位于5#煤層一采區(qū)西部，工作面Ⅰ塊段走向長215 m，傾向長145 m；Ⅱ塊段走向長605.5 m，傾向長179.5 m；Ⅲ塊段走向長621 m，傾向長106 m.5102工作面煤層賦存穩(wěn)定，上部為重疊布置4#煤4207工作面，層間距為56.4～78.85 m，下部為8#煤層實(shí)煤區(qū)。

表1 5#煤層頂?shù)装鍘r性表

3 數(shù)值模型的建立

3.1 數(shù)值模型建立

基于鋪龍灣煤礦5102工作面特點(diǎn)，建立含夾矸厚煤層模型，模型長100 m×高30 m，其中含有3層夾矸，模型網(wǎng)格包含9 476個(gè)域單元和1 134個(gè)邊界單元，其模型示意圖及網(wǎng)格劃分圖見圖3.

圖3 模型示意及網(wǎng)格劃分圖

3.2 模擬方案設(shè)計(jì)

煤層開采高度為3 m，分析對(duì)比工作面分別向前推進(jìn)5 m、10 m、15 m、20 m、25 m時(shí)覆巖應(yīng)力分布及工作面上部位移變化規(guī)律。

3.3 模型邊界條件及參數(shù)設(shè)置

固定開采模型的邊界位置，即X、Y方向水平位移為零，對(duì)模型施加重力載荷。煤巖層力學(xué)參數(shù)見表2.

4 含多層夾矸厚煤層頂煤變形規(guī)律分析

完成模型參數(shù)設(shè)定后，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算。為了研究開采前后頂煤變形特性及規(guī)律，模擬分析了煤層開采后上覆煤巖的變形情況，并且對(duì)煤層開采水平方向應(yīng)力分布進(jìn)行監(jiān)測。模擬結(jié)果見圖4.

由圖4可知，未進(jìn)行開采前，主要受到重力的影響，煤巖層不發(fā)生變形或破壞，應(yīng)力至上向下總體呈現(xiàn)逐漸增大的變化規(guī)律。當(dāng)開采距離為5 m時(shí)，煤巖層應(yīng)力分布出現(xiàn)明顯改變，煤層兩側(cè)開始向內(nèi)凸出，

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)表

圖4 煤層開挖前后煤巖層應(yīng)力分布圖

且煤層上部產(chǎn)生微小的變形，同時(shí)，煤巖層應(yīng)力范圍也有所增大，隨著開采推進(jìn)距離增大，應(yīng)力影響范圍不斷擴(kuò)大，當(dāng)開采至15 m時(shí)，上覆巖層開始微小的應(yīng)變。此外，夾矸層受到開采的影響，也產(chǎn)生一定程度彎曲變形，彎曲點(diǎn)大致位于采空區(qū)域中間，表明此處受壓程度最大。截取含夾矸煤層5 m采高處開挖不同距離后應(yīng)力，其分布見圖5.由圖5可知，開采距離增大，頂煤受到應(yīng)力也增大，開采距離為5 m時(shí)，頂煤受礦山壓力影響應(yīng)力較小，約為0.52 MPa，頂煤受力變形較小，當(dāng)開采距離為25 m時(shí)，頂煤受到向下的應(yīng)力約為0.95 MPa，移架后便于頂煤充分破碎并冒落。

煤層開挖前及開挖5 m、10 m、15 m、20 m、25 m后煤巖塑性變形分布見圖6，由圖6可以看出，煤層開挖對(duì)含夾矸厚煤層塑性變形具有重要影響，開挖前煤巖層處于原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，當(dāng)開挖至5 m時(shí)，含夾矸煤層出現(xiàn)塑性變形區(qū)，變形區(qū)半徑約為3 m，變形程度較小，隨著開挖長度的增加，塑性變形區(qū)域增大，開挖至15 m后，含夾矸煤層開始出現(xiàn)塑性變形區(qū)，夾矸層向下產(chǎn)生凸起，變形范圍約為7 m，開挖到25 m時(shí)，煤、夾矸層塑性變形區(qū)充分變形，變形范圍增大到12 m左右，因此含夾矸煤層垮落表現(xiàn)為開挖距離越大，塑性變形范圍越大，垮落程度越大。

圖5 應(yīng)力分布數(shù)據(jù)圖

含夾矸厚煤層開挖前后煤巖層位移分布云圖見圖7.由圖7可知，煤層開挖對(duì)煤巖整體產(chǎn)生較大影響，開挖后煤層整體發(fā)生不同程度位移，開挖長度越大，產(chǎn)生的位移量越大，且產(chǎn)生位移區(qū)域呈“V”形分布，距離工作面越近的區(qū)域位移量越大。

圖6 煤層開挖前后煤巖層塑性變形分布圖

圖7 煤層開挖前后煤巖層位移分布圖

進(jìn)一步取開采工作面水平方向位移變化數(shù)據(jù)(圖8).由圖8可知，工作面開采對(duì)上覆煤巖層均產(chǎn)生位移，隨著開采距離不斷增大，上覆巖層產(chǎn)生的位移量越大，采動(dòng)影響范圍越大，工作面開挖5 m時(shí)，上覆巖層向下產(chǎn)生位移約0.25 m，當(dāng)開挖到25 m時(shí)，上覆巖層產(chǎn)生位移約4.1 m.

綜上研究表明，含多層夾矸厚煤層放頂煤過程中，受到夾矸層的影響，頂煤穩(wěn)定性更強(qiáng)，放頂煤開采至15 m時(shí)，含夾矸煤層采空區(qū)域內(nèi)應(yīng)力明顯增大，出現(xiàn)塑性變形區(qū)，夾矸層向下產(chǎn)生凸起，支架受力增大，通過反復(fù)移架便于將含夾矸煤層放出，此時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)巷道支護(hù)，保證安全開采。

圖8 工作面水平方向位移分布圖

5 結(jié) 論

1) 含多層夾矸厚煤層放頂煤開采時(shí)，煤層上覆巖層或夾矸層失去支撐作用，在重力和支架移架的過程中，容易受力發(fā)生彎曲變形破壞，上覆煤巖層的變形破壞不斷向上傳遞，一段時(shí)間后，放頂煤采動(dòng)區(qū)域內(nèi)應(yīng)力重新分布。

2) 采動(dòng)范圍對(duì)含夾矸煤層變形特性具有重要影響，開采15 m后，含夾矸煤層開始出現(xiàn)塑性變形區(qū)，夾矸層向下產(chǎn)生凸起，變形范圍約為7 m，開挖到25 m時(shí)，煤、夾矸層塑性變形區(qū)充分變形，變形范圍增大到12 m左右，表現(xiàn)為開挖距離越大，塑性變形范圍越大，垮落程度越大。

3) 開采距離越大，產(chǎn)生的位移量越大，工作面開挖5 m時(shí)，上覆巖層向下產(chǎn)生位移約0.25 m，當(dāng)開挖到25 m時(shí)，上覆巖層產(chǎn)生位移約4.1 m，煤層采動(dòng)后產(chǎn)生位移區(qū)域總體呈“V”形分布。