特厚煤層綜放工作面合理采高的確定

吳日明

（山西中新甘莊煤業有限公司，山西 大同 037002）

特厚煤層綜放工作面合理采高的確定

吳日明

（山西中新甘莊煤業有限公司，山西 大同 037002）

針對某煤礦大傾角特厚煤層大采高綜放工作面為對象，對特厚煤層綜采放頂煤開采條件下，通過數值計算方法，分析了不同割煤高度對工作面煤壁、頂煤的屈服破壞、位移特征、煤壁前方煤體垂直應力分布情況。綜合對比了不同采高下的影響效果及頂煤位移情況，從而合理確定采高，達到礦井安全、高產、高效的目的。

特厚煤層；合理采高；數值計算

隨著煤炭行業的發展，對煤炭資源開采特別是特厚煤層的開采，提出了更高的要求。對于特厚煤層，開采安全可靠的前提下，合理確定采高及采放比對煤炭高產高效尤為重要。本文針對山西某礦5號煤層地質概況以及頂底板圍巖特性，采用數值模擬方法，分析不同采高時的工作面圍巖穩定性的情況，從而確定綜放工作面合理采高及采放比的確定，以保證工作面的安全高效生產。

1 工作面的地質概況

根據地質報告并結合煤礦現已開采情況分析，5號煤層賦存情況較穩定，平均厚度13.74 m；層位和厚度均穩定的可采煤層，工作面長度為200 m；工作面頂板多為細-中粒砂巖，局部為粗粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖；底板為砂質泥巖、泥巖和細粒砂巖，局部為粉砂巖。夾矸層數一般為0～5層，煤層結構較簡單。通過現場煤巖取樣，由太原理工大學礦山力學實驗室，對所采集的煤樣巖樣進行了力學測定，測定結果為5號煤層頂板平均抗壓強度46.07 MPa，平均抗拉強度4.27 MPa；5號煤層底板平均抗壓強度46.17 MPa，平均抗拉強度4.15 MPa；5號煤層平均抗壓強度10.2 MPa，平均抗拉強度0.85 MPa。通過巖石力學實驗測試結果分析可知，5號煤層屬軟弱煤層。

2 數值計算分析

根據大采高綜放工作面的基本條件，例如煤層埋深度，煤層傾角、厚度、工作面長度等建立力學模型。本文利用數值模擬方法，分析不同采高條件下煤壁的變形情況。圖1為采高4 m時工作面圍巖垂直應力的分布形態。工作面前方藍色區域為應力集中區，箭頭方向為工作面推進方向。圖2為工作面采高4 m時工作面水平位移云圖，從圖可見，越靠近煤壁的地方，圍巖的水平位移就越大，即越容易發生片幫。

2.1 不同采高情況下頂煤屈服破壞結果分析

圖3示出煤層總厚度為13.74 m，采高分別為3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m，隨著工作面推進時，綜采放頂煤工作面控頂區的頂煤破壞單元分布特征。由圖可知，不同采高的控頂區內的頂煤，絕大部分單元均產生剪切破壞，部分頂煤為拉伸破壞，發生的剪切破壞沿工作面頂梁后端上部傾斜方向向前方煤壁延伸；隨著割煤高度的的增加（采放比的減小），頂煤已經產生破壞的區域在增加，剪切破壞的單元連續性明顯減弱，說明采高增加對13.74 m厚的煤層頂煤冒放產生顯著影響。當采放比在1:3以內變化時，隨著割煤高度的增加，對頂煤的破壞作用加強。

2.2 同一煤層厚度不同采高情況下頂煤位移變化規律分析

表1為不同采高時，工作面推進100 m時，距工作面頂板或距煤層底板相同位置測點的頂煤運移特征數據。由表1知，頂煤不同層位的始動點，隨著采高加大而增加的幅度不大，而對同一割煤高度相同層位的頂煤始動點，隨著頂煤厚度的加大而增大。煤壁前方均以水平位移為主，說明此地方的頂煤更容易產生裂隙；頂煤中深部基點的垂直位移在煤壁前后均遠大于水平位移，說明上位頂煤更易被壓縮和產生垂直方向的離層。對于特厚煤層綜放開采來說，在不同采高與頂煤厚度的條件下，頂煤不同層位基點的總位移量，隨著采高的增加一直在增加，通過前人所做大量實驗和經驗可知，頂煤中基點的位移值與頂煤的冒放性之間存在極為密切的關系，從而說明對于特厚煤層大采高綜放開采來講，采放比對于頂煤的破碎冒放會產生重大的影響。

圖1 采高4 m時工作面垂直應力分布圖

圖2 采高4 m時工作面水平位移云圖

圖3 不同采高情況下頂煤屈服破壞單元分布圖

圖4示出采高為3.5 m、4 m、4.5 m、5 m時，距工作面頂板0.25 m處基點相對工作面位置的垂直位移和水平位移變化曲線。由圖可見，隨著采高的增加，該基點的垂直面位置的垂直位移和水平位移變化曲線。由圖可見，隨著采高的增加，該基點的垂直位移量在工作面前方6 m以前基本無變化；在距工作面煤壁之前6 m和工作面之后4 m區間范圍內，垂直位移量增加，而且是采高越大，位移量增加較大；在工作面煤壁后方4 m至頂煤冒落，隨著采高的增加，累計的位移量越大。

表1 不同采高工作面頂煤運移特征數據

圖4 距工作面頂板0.25 m處基點位移隨采高的變化曲線

圖5 距工作面底板9 m基點處位移隨采高的變化曲線

圖5示出采高為3.5 m、4 m、4.5 m、5 m時，距工作面底板9 m處基點相對工作面位置的垂直位移和水平位移變化曲線。由圖可見，基點在垂直方向和水平方向的位移變化曲線均是呈負指數規律遞增；隨著采高的增加，即隨著采放比的減小，垂直位移累計量在煤壁后方一直在增加，而水平位移累計量隨采高的增加而減小。

綜上考慮，根據5號煤層的首采工作面實測地質資料，5號煤層煤厚13.74 m，5號煤割煤高度4.0 m，放煤高度 9.74 m，采放比 1：2.4，滿足《煤礦安全規程》規定。

3 結論

本文針對某礦5號煤層地質力學條件，提出了采用綜放回采工藝。根據5號煤層頂底板力學特征，采用數值模擬分析了不同割煤高度的破壞情況及影響，通過分析得出以下結論：a.通過力學試驗測定，5號煤層平均抗壓強度為10.2 MPa，平均抗拉強度為0.85 MPa。屬軟弱煤層。b.不同采高下，頂煤體的水平位移量變化不大，但是存在一個特定高度下的最小值，說明在特厚煤層大采高綜放開采中也必然存在一個更為合理的采放比，使頂板對頂煤的壓裂作用更強，有利于頂煤的及時冒落放出。c.根據數值模擬分析，最后確定采高為4 m時較合理（采放比為1:2.4）。

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Abstract:Taking the large-mining-height fully-mechanized working face with steep extra-thick seam as the object,the study analyzes the yield/failure of coal walls and top coal,displacement characteristics,vertical stress distribution with different cutting heights by numerical computation.The comprehensive analysis of the effects and the top coal displacements in the different mining heights determines the reasonable mining height to achieve the safe,productive,and efficient production.

Ke ywords:extra-thick coal seam;reasonable mining height;numerical computation

編輯：徐樹文

Determination of Reasonable Mining Height for Fully-mechanized Working Face with Extra-thick Seam

WU Ri-ming

(Shanxi Zhongxin Ganzhuang Coal Co.,Datong Shanxi 037002)

TD822.1

A

1672-5050（2012）07-0041-03

2011-12-12

吳日明（1968—），男，山西大同人，大學本科，工程師，從事煤礦生產及管理工作。