鎮城底礦綜放開采覆巖運移規律的數值模擬研究

張思建

（西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦，山西 臨汾 041000）

煤炭資源按照其覆存厚度可分為薄煤層、中厚煤層、厚煤層、特厚煤層，其中厚煤層在我國煤炭資源儲量中占據45%，所以對厚煤層開采進行研究具有十分重要的意義。目前，我國對厚煤層開采的方式主要有大采高綜采、分層開采、綜放開采三種。分層開采，效率較低；大采高綜放開采，對于頂板巖性要求較高，相對而言，綜放開采具有高產高效的特點，但其損失煤量仍較大，所以如何提升頂煤的回收率對于綜放開采十分重要[1]。本文通過數值模擬的方法研究不同開采條件下煤巖運移規律，為綜放開采高效開采做出一定的貢獻。

1 礦井概況及模型構建

鎮城底礦位于山西省古交市西北處，礦井田占地面積約16.63 km2，礦井西北走向6.6 km，南北走向平均寬度約為3.6 km，鎮城底礦年設計生產能力為190萬t。22212工作面現主要開采太原組2號、3號煤層，煤層平均厚度3.9 m，平均傾角6°，采用的是綜采放頂煤采煤工藝。

厚煤層綜放工作面放頂煤開采頂煤的變形較為復雜，破壞形式主要是受到開采技術及煤層覆存條件所決定，所以在覆巖的力學性質及開采環境一定的情況下，厚煤層開采變形特征只受到開采參數的影響。煤層埋深越深，在前方形成的超前支撐壓力峰值也就越大，支撐應力影響的范圍也就越廣，所以對頂煤的破壞也就越明顯，更有利于頂煤的放出。采高同樣是影響頂煤冒放的重要因素，為了研究不同開采工藝下的頂煤冒放情況，本文利用數值模擬軟件對不同采高下頂煤的破壞情況進行分析[2]。

根據鎮城底礦實際地質情況，建立長、寬、高分別為200 m、200 m、80 m的模型，工作面走向長度為120 m，傾向長度100 m，對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，充分考慮計算精度及計算效率的影響對模型的研究區域進行粗劃分，完成模型網格劃分后對模型的力學參數進行設定。2號煤層內聚力為1.5 MPa，內摩擦角為31°，剪切模量為1.7 GPa，密度為1 400 kN·m3。

2 數值模擬計算

完成巖層參數設定后對采高分別為2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m進行模擬研究，得出不同采高下垂直應力峰值變化情況如圖1所示。

圖1 不同采高下垂直應力峰值變化情況

從圖1可以看出，隨著采高的不斷的增加，此時應力峰值呈現出先增大后減小的趨勢，而應力峰值超前距離隨著采高的增加呈現逐步增大的趨勢。當機采高度為2.0 m時，此時的應力峰值為17.98 MPa，應力峰值出現的距離為工作面前方4.8 m的位置；當機采高度為3.0 m時，此時的應力峰值達到不同采高下的最大值，最大值為18.1 MPa，此時出現應力峰值的位置為工作面前方5.1 m；當機采高度為4m時，此時的應力峰值為不同采高下的最小值，此時的最小值為17.35 MPa，最小值的位置出現在工作面前方5.9 m的位置。可以看出當機采高度為3 m時，此時的應力峰值最大，頂煤的破裂效果最佳。出現此現象的原因為當采高小于3 m時，此時的頂煤的厚度減小，此時覆巖的緩沖作用減小，巖梁的回轉幅度增大，所以應力峰值逐步增加。而當采高大于3 m時，此時頂煤厚度進一步減小，頂煤向著支架方向采空區冒漏，應力集中由頂煤轉移至煤壁，所以應力峰值出現減小的趨勢[3]。

對不同采高下的頂煤破碎程度進行分析，分別在頂煤上部布置測點，測點間距設定為0.5 m，監測頂煤的水平位移情況，監測結果如圖2所示。

圖2 頂煤水平位移情況

從圖2中可以看出，隨著距離工作面高度的不斷增加，頂煤的水平位移呈現逐步減小的趨勢，同時隨著采高的不斷增加，頂煤的水平位移量最大值呈現先增大后減小的趨勢。當采高為3.0 m時，此時的頂煤水平位移的最大值最大，約為141 mm；當采煤高度為2.0 m時，此時的頂煤水平位移量最小僅為72 mm，同時可以看出不同采高下的頂煤水平位移量均出現在下位頂煤中。在采高2.0 m、2.5 m時，此時的頂煤水平位移量變化趨勢較為緩和，而在采高為3.0 m、3.5 m、4.0 m時頂煤的水平位移量變化趨勢較為劇烈。可以看出，當采高為3.0 m時，此時的頂煤流動性較佳，頂煤的冒放性較好[4]。

對不同采高下的頂煤運移規律進行研究，采用PFC軟件進行計算，模擬采高分別為2.0 m、3.0 m、4.0 m情況下頂煤的運移規律，模擬結果如3所示。

從圖3可以看出，不同采高下的頂煤冒落狀態均類似于漏斗狀，在煤巖分界位置對的斜率較大，在采空區一側的斜率較小。模型顆粒間的摩擦系數設定為0.4，支架與顆粒間的摩擦系數設定為0.1，隨著采高的增大，在煤矸分界位置的斜率呈現出逐步增大的趨勢。當采高為2m時，此時在采空區的煤矸界限明顯下凹，此時由于頂煤厚度較大，使得頂煤的流動速度很慢；當采高增大至3m和4.0 m時，此時的放頂煤空間較大，煤巖的分界較為平滑，頂煤的流動速度較大，對于放頂煤較為有利。

圖3 不同采高下的頂煤運移規律云圖

當采高為2.0 m時，頂煤回收率為78.4%，頂煤中的含矸率為13.6%；而當采高為3.0 m時，頂煤回收率為86.1%，頂煤中的含矸率為8.4%；當采高為4.0 m時，頂煤回收率為84.2%，頂煤中的含矸率為8.7%。可以看出隨著采高的增大，頂煤的回收率呈現出先增大后減小的趨勢，含矸率也呈現先增大后減小的趨勢，當采高為3.0 m時，頂煤回收率和含矸率均為最優值，所以采高的最佳值為3.0 m。

3 結論

1）隨著采高的不斷的增加，此時應力峰值呈現出先增大后減小的趨勢，而應力峰值超前距離隨著采高的增加呈現逐步增大的趨勢，在采高為3.0 m時應力峰值及峰值超前距離最大。

2）隨著距離工作面高度的不斷增加，頂煤的水平位移呈現逐步減小的趨勢，同時隨著采高的不斷增加，頂煤的水平位移量最大值呈現先增大后減小的趨勢。

3）不同采高下的頂煤冒落狀態均類似于漏斗狀，當采高為3.0 m時，此時的頂煤回收率和含矸率均為最優值，分別為頂煤回收率為86.1%，頂煤中的含矸率為8.4%。