開采區段高度對急傾斜煤層開采的影響分析

趙 丹

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

隨著自動化綜采放頂煤技術的發展，使得急傾斜煤層的開采得到越來越多的重視[1]。急傾斜煤層的巷道放頂煤采煤法以其工藝簡單、開采效率高的特點，在我國取得了廣泛的應用。同時，由于對巷道放頂煤開采的工藝參數研究較少，在開采過程中，大多依據經驗進行參數的選取，并且對于設計參數的選取存在不合理處，使得頂煤開采的參數選取范圍較大，無法實現精確化的開采[2]。其中，開采區段的高度是進行巷道放頂煤開采的重要參數，開采區段高度的數值對于頂煤的破壞及放出具有直接的影響，采用仿真分析的方式對急傾斜煤層的開采區段高度的影響作用進行分析，以確定合理的開采高度。

1 巷道放頂煤開采仿真模型的建立

進行巷道放頂煤開采時，開采區段的高度較大時會影響頂煤的放出，降低頂煤的回收率；開采區段的高度較小時，雖保證了頂煤的放出及回收，但需要提高相應的巷道掘進率，增加了礦井開采的輔助時間及成本。因此，研究合理的開采區段高度，可以充分利用煤層的破碎，保證最大程度回收的同時采用最大的開采區段高度減少礦井的輔助開采作業，提高礦井的經濟效益[3]。

采用FLAC 3D分析軟件對頂煤的破壞進行模擬，FLAC 3D是適用于模擬巖土工程及其他材料的有限差分軟件，在礦山開采、巖土工程中具有廣泛的應用。采用數值仿真分析的方式，對巷道放頂煤開采時的應力及位移等進行研究，為合理的開采區段高度選擇提供參考[4]。設定開采的模型地質條件為傾角50°的急傾斜煤層，煤層厚度平均為6.5 m，夾矸層為炭質泥巖，局部結構復雜，受急傾斜地質構造的影響形成的巖層穩定性較差，采用巷道放頂煤方式開采，設定模型的尺寸為44 m×30 m×30 m（長×寬×高），開采巷道30 m，模型周邊限制邊界位移，邊界條件的設定（如圖1所示）。由此進行模型的網格劃分，得到開采仿真模型。在進行分析過程中，設定上覆巖層的中立以均布載荷的形式作用在模型上層，選取開采區段的高度分別為10 m、12 m、14 m、16 m，以此進行區段高度的影響分析。

圖1 模型邊界條件的設定

2 開采區段高度的影響作用仿真分析

2.1 開采區段高度對變形破壞的仿真

針對四種不同開采區段高度，得到的煤層的破壞情況（如下頁圖2所示），在進行開采的過程中，煤層破壞的主要形式是剪切破壞，并且沿著巷道的塑形破壞呈現相互不對稱的分布，在側巷道幫部位置破壞范圍較大[5]。在四種不同的開采高度下，開采高度為10 m時，區段煤層的塑形破壞區相互貫穿，破壞效果較好，有利于巷道放頂煤的采出；開采高度為12 m時，塑形破壞的范圍有所減小，但仍保持塑形破壞區的貫穿，破壞效果也比較好；開采高度為14 m時的情況相似，塑性破壞的范圍繼續減小，同樣保持貫穿，具有一定的破壞效果；開采高度為16 m時，塑性范圍減小，且無法保持貫穿。由此，隨著開采區段高度的增加，區段煤層的變形范圍逐漸減小，造成媒體不易垮落，不能進行有效的采出。依據煤層的變形破壞分析，開采區段高度為14 m時具有較好的采出率及工藝簡單性。

圖2 不同區段高度的煤層破壞變化圖

2.2 開采區段高度對應力分布的仿真

針對四種不同開采區段高度，得到的煤層的應力分布情況（如圖3所示），在進行開采的過程中，由于煤層傾角較大，造成巷道兩側的垂直應力呈現不對稱的分布，其中左側的應力值要大于右側應力[6]。在四種不同的開采高度下，開采高度為10 m時，應力集中洗漱為3.0，風巷與運巷的垂直應力范圍相互貫穿，說明此時相互之間的煤層發生塑性破壞，頂煤垮落，有利于頂煤的回收；開采高度為12 m時，應力集中系數變化不大，此時的雙巷道之間的垂直應力范圍也相互貫穿，煤層發生垮落；開采高度為14 m時，應力集中系數為2.9，稍有減小，但雙巷道之間的垂直應力范圍也保持相互貫穿，煤層發生垮落；開采高度為16 m時，應力集中系數為2.6，此時在風巷與運巷的垂直應力范圍沒有形成貫穿，雙巷道之間的煤層存在彈性變形，不能進行充分的垮落，不利于頂煤的開采。依據煤層的應力分布分析，開采區段高度為14 m時具有較好的采出率及工藝簡單性。

圖3 不同區段高度的應力分布變化圖

綜上可知，在開采區段高度為14 m時，對于煤層的破壞及應力的分布是最為有利的，同時可以簡化煤層開采的工藝。針對開采高度為14 m時巷道的變形進行分析，得到垂直位移特征（如圖4所示），在開采高度為14 m時的巷道圍巖的最大垂直位移為9.5 mm，滿足開采安全的需要。因此，可將最優的開采區段高度確定為14 m。

圖4 14 m開采高度時的垂直位移變化圖

3 結語

巷道放頂煤開采是進行急傾斜煤層開采的有效方式，在開采過程中的開采區段高度對于頂煤的回收及煤礦的經濟效益具有重要影響。為確定最優的開采區段高度，采用仿真分析的方式，對開采區段的高度影響作用進行分析，依據煤層的破壞性和應力的分布變化，確定最優化的煤層開采區段高度。由此可以在保證放頂煤回收率的同時，減少巷道掘進的時間，簡化巷道放頂煤開采的工藝，提高礦井的經濟效益。