特厚煤層綜放開采頂煤冒放性數值模擬研究

曹志強 楊玉龍

(山西晉神沙坪煤業有限公司，山西省忻州市，036500)

我國有部分煤田為煤層厚度9～15 m的特厚煤層，由于大采高綜采一次采全高受采高限制，以及分層開采工藝復雜等問題，該類煤層的開采方法用大采高綜放開采的居多。但是，大采高綜放開采回采過程中存在頂煤冒放性差、煤壁極易片幫冒頂等問題。

對于綜放開采頂煤冒放性問題，國內學者進行了大量研究。龐義輝、王國法針對西部埋深較淺、堅硬、特厚煤層頂煤冒放性差的問題，以金雞灘礦2-2上堅硬特厚煤層賦存條件為研究背景，通過理論計算、數值模擬等方法，得出了堅硬特厚煤層頂煤冒放結構特征及提高采出率技術。馬延斌根據平朔公司井工一礦4#煤層地質賦存條件，運用模糊數學綜合分析評價了開采深度、煤層強度、夾矸厚度以及節理裂隙對4106綜放工作面頂煤冒放性的影響，確定了冒放性及放出率。袁永、屠世浩提出采動支承壓力分布支護效應與煤壁片幫時效性的觀點，運用系統動力學知識研究了大采高綜采采場“煤壁-頂板-底板”三維空間運動與支架工作狀態的關系，解決了大采高綜采的關鍵技術問題。馬文強、王同旭以煤樣物理力學參數試驗為基礎，研究了高韌性煤層綜放開采的難冒放機理，分析了高韌性煤層的韌性指標特征，得出工作面內頂煤與頂板離層范圍及離層區域形狀。

綜合分析可知，學者應用理論力學、數學評價方法、數值模擬等方法，對綜放開采頂煤冒放性問題作了大量研究，成果豐富。但是，關于煤層煤質及回采動壓影響對頂煤冒放性的影響卻鮮有研究。考慮到回采動壓是影響頂煤冒放性的重要因素，為此本文選取沙坪煤礦13#中硬煤層為研究對象，采用數值模擬方法，對受回采動壓影響的頂煤冒放性特征進行研究，結果對解決硬煤層綜放開采頂煤冒放問題具有一定的參考意義。

1 礦井概況

沙坪煤礦位于山西省河曲縣城東南約32 km處，交通便利，礦井許可生產能力3.36 Mt/a。井田總體呈北西傾斜的單斜構造，地層產狀較平緩，傾角在2°～9°之間，一般為3°～5°，可采煤層為8上、8#、9#、10#、11#、12#、13#、15#煤層。

13#煤層分布于全井田，位于太原組二段中下部，下距15#煤層(平均厚度5.63 m)2～12.7 m，上距12#煤層(平均厚度4.23 m)1.05～15.7 m。煤層厚度10.32～26.87 m，平均厚度16.84 m。該煤層在井田西北部、中西部線厚度相對較薄，向西、南、東均呈逐漸增厚的趨勢，東部、東南部局部采空。煤層頂板巖性以泥巖為主，局部為砂質泥巖、粉砂巖、砂巖；底板巖性以泥巖為主，局部為炭質泥巖、砂質泥巖。

2 數值模擬與過程

2.1 軟件簡介

FLAC3D是巖土工程領域常用專業軟件，對涉及礦井地下開采巖土力學問題具有較好的模擬效果，廣泛應用于煤礦開采領域的分析研究。

2.2 試驗模型及力學參數

應用FLAC3D軟件，模擬13#煤層回采過程中覆巖破壞及應力分布變化規律。模型中層理弱面用INTERFACE模擬，支架用BEAM單元模擬。根據沙坪煤礦提供的鉆孔柱狀圖建立模型，模型中頂板巖層為150 m、13#煤層為18 m、底板巖層為56 m，模型布置見圖1，力學參數見表1。

表1 煤層及圍巖試樣力學性質

模型上部巖層施加等效載荷，4個立面固定法向位移，底面同樣固定法向位移，模型應力平衡分布狀態見圖2。等效載荷按下式計算：

p=∑Hρg

(1)

式中：H——煤層上方未模擬頂板的厚度， m；

ρ——相應的煤巖層密度，取平均2500，kg/m3；

g——重力加速度，取9.81，m/s2。

3 模擬結果分析

3.1 頂煤破壞性分析

頂煤的破壞形式對頂煤冒放性具有重要的影響，由于煤巖體受壓不受拉的特性，剪切破壞的煤體處于受壓狀態，此時具有一定的殘余應力，不易冒落。拉伸破壞的頂煤已完全破壞，失去殘余應力，呈現散體狀態。因此，放煤口上方頂煤是否處于拉伸破壞是其能否及時冒落并順利回收的關鍵。

頂煤、頂板塑性區分布見圖3。工作面回采過程中不同推進距離下頂煤、頂板塑性區分布，是判斷頂煤冒放性的依據。

圖1 模擬模型

圖2 模型應力平衡分布狀態

圖3 頂煤、頂板塑性區分布

從圖3(a)可知，工作面推進40 m時，頂煤上方2 m范圍內處于拉伸破壞狀態，且多處于剪切破壞狀態，即頂煤上方2 m范圍內頂板發生破壞。從圖3(b)可知，當工作面推進80 m時，頂煤拉伸破壞狀態延伸至4.5 m的位置，此時頂板破壞范圍擴展至上方12 m處，在頂板壓力的作用下，上方剪切破壞狀態的頂煤能夠實現垮落，但存在大塊煤垮落的現象。從圖3(c)可知，當工作面推進至120 m時，頂板破壞范圍繼續加大，但頂煤上方依然存在1 m的剪切破壞范圍，且該范圍隨著工作面的推進不再發生大的變化。因此，工作面放煤過程中距離頂板1 m的頂煤不易冒落，在頂板壓力及支架的反復支撐作用下，該范圍內頂煤會呈現大塊煤冒落狀態。

綜合分析實驗結果可知：

(1)初采期間，13#煤層上方頂煤拉伸破壞深度處于支架上方3～4.5 m，頂煤冒放性較差；

(2)工作面推進60 m之后的正常回采期間，頂煤的冒放性逐步變好，但由于煤層屬于中硬煤層，硬度較大，最上方頂煤不易冒落，容易形成大塊煤。

3.2 煤壁支承壓力分析

綜放采場煤壁前方頂煤受超前支承壓力的作用，預先發生變形、破裂直至破碎松散，是頂煤順利放出的先決條件。利用數值模擬方法對13#煤層回采模擬，分析不同回采距離下煤壁前方的超前支承壓力分布。超前支承壓力見圖4。

分析圖4(a)、(b)可知，當工作面推進60 m、80 m 時，煤壁前方應力峰值范圍及大小呈現增長趨勢，應力峰值距離煤壁6.4 m，峰值分別達到14.1 MPa、14.6 MPa，應力降低范圍進一步擴大，應力降低帶呈現拱形分布。分析圖4(c)可知，當工作面推進180 m，煤壁前方應力峰值依然存在，應力峰值距煤壁位置基本穩定7 m，應力峰值大小在17～18 MPa浮動。

綜合分析實驗結果可知：

(1)初采期過后，隨著工作面的推進，超前支承壓力峰值逐漸變大，且逐漸遠離工作面煤壁；

(2)當工作面推進120 m以后，超前支承壓力峰值轉移到工作面前方7 m的位置，即工作面煤壁前方7 m之內，頂煤發生了剪切破壞；

(3)隨著工作面的推進，沿工作面方向的約束減弱，頂煤的破壞逐漸以拉伸破壞為主，隨后，頂煤失去側向約束，在頂板壓力和頂煤自重的作用下，頂煤開始冒落。

3.3 頂煤冒放性分析

通過模擬13#煤層回采過程中，頂煤破壞狀態及應力分布規律，綜合分析沙坪煤礦13#煤層頂煤冒放性，得到13#煤層頂煤破壞狀態的分布圖，見圖5。

圖4 超前支承壓力分析

13#煤層回采對頂煤的破壞影響為：頂煤隨回采距離增加隨采隨冒，整體冒放性較好，但是由于煤質相對較硬，回采初期頂煤破壞高度較低，冒放效果不佳；煤層回采過程中，頂煤在頂板與支架共同作用下發生破壞，頂煤破壞高度可達12m，頂板破壞高度可達18 m，煤體冒放性較好。

圖5 頂煤、頂板破壞分布

4 結論

(1)沙坪煤礦13#煤層采用綜放開采時，在初采階段，容易出現煤壁破碎情況，需要做好工作面防片幫冒頂處理。

(2)由于沙坪煤礦13#煤層屬于中硬煤質，在初采期間，需對頂煤及頂板進行弱化處理，減小頂板初次破斷步距，提高資源回收率，確保安全開采。

(3)沙坪煤礦13#煤層隨工作面回采，直接頂隨采隨落，頂煤破壞高度達12 m，煤體冒放性好。