厚煤層大采高提高煤壁破壞的工藝參數優化

楊曉君

(山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司東曲煤礦，山西 太原 030200)

引 言

我國地下資源儲量豐富，特別是煤炭資源的儲量位居世界前列，并且一半左右的煤炭資源以厚煤層的形式存在。隨著開采自動化技術的進步，采用大采高的綜采方式可以對厚煤層進行高效的開采，提高了煤炭開采的生產效率。在大采高綜采的過程中，由于煤層厚度的增加，使得煤層煤壁的破壞性變化較大是影響大采高開采效率的關鍵因素。煤壁的破壞性受到煤層的自身的埋深、煤層的深度及支護強度、采高參數等多種因素的影響[1]。針對厚煤層的開采，采用數值模擬的方式對大采高的工藝參數進行分析，從而實現安全性的提高厚煤層的煤壁破壞性，提高大采高綜采的生產效率，從而提高煤礦開采的經濟效益。

1 煤壁破壞數值模型的建立

工作面煤壁的破壞性受到諸多因素的影響，煤層的深度越大，則產生屈服破壞的幾率越大，煤層自身的物理參數對于破壞性具有重要的影響；此外，在開采過程中，采高的增加，會產生片幫的問題，是阻礙煤炭的開采效率，工作面的推進速度和長度，影響到頂板對于煤壁的壓力作用，從而對煤壁破壞性產生作用[2]。在煤層地質因素確定的條件下，采用Flac3D數值分析軟件，針對開采過程中的采高、埋深、工作面長度等因素對煤壁的破壞性進行分析。

在進行數值分析的過程中，依據煤層的地質條件設定模型頂板為86 m，底板為26 m，設定不同的采高分別為4 m～8 m，工作面的推進長度為150 m，模型在工作面的方向上保留30 m長度的固定煤層，工作面的長度設定為100 m～300 m，同時在工作面的寬度方向上保留30 m長度的固定煤層[3]，煤層分布模型，如圖1所示。

圖1 煤層分布模型

設定煤層模型的側面方向約束固定，底部同時受到水平和垂直方向的固定約束，頂部以均布載荷的形式施加來自上方巖層的壓力，沿工作面方向推進，每次推進5m，對煤壁的破壞性進行模擬分析[4]。

2 煤壁破壞性數值模擬分析

對煤壁的破壞性進行模擬分析，針對采高、工作面長度不同進行分別設置分析，選取典型位置處的仿真模擬結果，選擇煤壁前端2.5 m位置處的煤體進行煤壁破壞系數的計算。如第125頁圖2a)所示表示采高為8 m、工作面長度為100 m時的煤壁破壞面積分布圖，圖2b)中表示采高為6 m、工作面長度為200 m時煤壁破壞面積分布圖，圖2c)中表示采高為4 m、工作面長度為300 m時煤壁破壞面積分布圖。

a)采高為8 m、工作面長度為100 m

依據上述的分析方式，對煤層開采的參數進行多個取值的仿真分析，依據仿真分析結果，計算煤壁的破壞系數，采用煤壁破壞系數來表示煤壁的破壞程度。對開采的因素進行回歸分析，得到采高和工作面長度對煤壁破壞系數的影響，如圖3、圖4所示。

圖4 工作面長度對煤壁破壞性影響

通過上述的分析可知，在煤層采高增加的過程中，煤壁的破壞系數呈線性增加，說明在采高增加時，煤壁的破壞性也隨之增加，采高增加時，工作面的煤層自由空間增加，頂板的作用力增加，使得煤壁的破壞程度提高，但要注意煤壁產生的片幫問題[5]。破壞系數隨工作面長度的增加呈對數的關系，隨著工作面長度的增加，煤壁的破壞程度也隨之增大，有利于煤炭開采效率的提升，但同時，也要注意發生片幫的可能性[6]。采用大采高綜采方法對厚煤層進行開采，依據現場的工況條件，結合數值仿真分析的結果，對現場的開采條件進行優化，選擇工作面長度為225 m，采高為5 m進行煤層的開采。

3 結語

大采高綜采工藝進行厚煤層的開采，具有適用性強、安全性高、回采工藝簡單的特點，適合我國厚煤層的開采。隨著我國大采高技術的發展，開采高度可逐漸提升到8m以上，提高了煤炭開采的效率。隨著開采高度及工作面的推進，煤壁的破壞性逐漸增加，使得在提高煤炭開采效率的同時，造成煤壁的穩定性降低，容易產生片幫等問題，對煤炭的開采造成一定的安全隱患，不利于大采高綜采效率進一步的提高。

煤壁的破壞性受到諸多因素的影響，包括煤炭的埋深、自身的物理參數、煤層的分布傾角等，對于地質確定的煤層，采用大采高綜采進行開采時，采高的高度、工作面的長度及支架的支護不同，都會對煤壁的破壞性產生影響，如何確定最優化的工藝參數是進行大采高綜采研究的重點。采用Flac3D數值分析軟件，針對煤壁的破壞性，在不同的采高及工作面長度參數下，對煤壁的破壞性進行分析，并由此進行煤壁破壞系數的計算，得到煤壁破壞系數在采高增加的過程中，煤壁的破壞系數呈線性增加，在工作面長度的增加的過程中，煤壁的破壞系數呈對數增加。這說明，在進行厚煤層的開采時，增加采高和工作面的長度有利于開采效率的提升，但同時，在實際的開采過程中，由于煤壁破壞性的降低，煤壁的穩定性較差，要避免片幫問題的產生。在厚煤層的開采中，利用工藝參數的變化來進行煤壁的破壞性控制具有重要的意義，對提高大采高綜采的經濟效益具有重要的影響。