放頂煤開采中頂煤破壞影響因素分析

范文東

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

厚煤層是我國主要的煤層存在形式，目前采用放頂煤的方式開采厚煤層，因其具有工藝簡單、回采率高等特點，已成為厚煤層開采的主要方式。厚煤層的放頂煤開采主要通過采煤機對底部煤層進行開采，再由輸送機將煤炭運出，由于形成的采空區受到上覆巖層的壓力作用，頂煤易破碎，因此，通過液壓支架的放煤口將破碎頂煤放出，從而實現厚煤層的開采。

頂煤的破碎量是決定放頂煤開采效率的重要因素，頂煤的破碎受到開采過程中多種因素的影響，包括頂板條件、液壓支架的支撐作用等[1]。然而，對于頂煤的破碎需要進行大量的現場試驗才能確定其變形破碎規律。若進行大量的技術實驗，不僅成本較大，并且研究的周期較長，無法在現場進行有效實施，因此，采用數值仿真分析的方式對頂煤的破碎規律進行分析，以此來優化現場實施工藝參數，提高頂煤的破碎率，從而提高放頂煤開采的效率[2]。

1 頂煤厚度對破碎率的影響分析

放頂煤開采過程中，頂煤的厚度對破碎率具有直接影響，頂煤厚度過大會使得破碎效果有限，而厚度過小時，則會限制開采效率。通過采用FLAC分析軟件對頂煤的破碎情況進行仿真模擬，以此分析頂煤厚度對頂煤破碎率的影響。

采用FLAC分析中的應變軟化來對煤巖層的破碎進行模擬。根據巖層呈現的脆性破壞形式，建立煤巖層的模型，其組成包括粗砂巖、細砂巖、泥煤、細沙巖泥等，設定各個組成成分的厚度及相應的物理參數，以此對頂煤的厚度進行分析；設定直接頂的厚度分別為3.5 m、5 m、7.5 m，以此對頂煤的破碎情況進行模擬分析[3]。

經過FLAC仿真運算，得到頂煤厚度分別為3.5m及5 m時的頂煤塑性區分布及破壞系數分布，如圖1、圖2所示。從圖1、圖2中可以看出，當頂煤厚度為3.5 m時，頂煤的彈性區直徑為1 m，彈性區主要分布在支架頂梁的前方位置處，與頂煤厚度為5 m時的塑性變形區分布一致，這說明在支架頂梁上方位置處的頂煤的破碎性有所增加[4]，有利于頂煤的放出；上方的頂煤破碎系數為0.72～1.25，略大于頂煤厚度為5 m時的破碎系數，整個區域的綜合破碎系數也相對較大，這說明頂煤厚度較低時，頂煤沒有形成墊層效應，頂煤的破碎效果較好，有利于頂煤的放出。

圖1 頂煤厚度為3.5 m

圖2 頂煤厚度為5 m

頂煤厚度為7.5 m時，頂煤的塑性區分布及破壞系數如下頁圖3所示，從圖3可以看出，在頂煤厚度增加后，頂煤形成墊層效應，對于下位頂煤的破碎造成一定影響。頂煤的彈性區增加為較大的橢圓形區域，支架上方的頂煤破碎效果減弱，而整個區域的破碎系數中，前方頂的破碎系數有所增加[5]，這是由于隨著頂煤厚度的增加，支架的承載壓力相應增加，從而使得頂煤的破碎系數增加。由于液壓支架的壓力導致前方頂的破碎系數增加，這將不利于工作面的穩定，會對工作面的頂板及煤壁支護造成一定的困難，因此，通過應減小頂煤的厚度來避免發生冒頂等安全事故。

圖3 頂煤厚度為7.5 m

通過上述的分析可知，在放頂煤開采中，頂煤的厚度增加會造成頂煤的墊層效應，并且隨著厚度的增加，作用越明顯，表現為支架的前方頂彈性區域增加，并且破碎效果較差的頂煤容易造成放煤口的堵塞，不利于頂煤的放出，因此，應對開采的頂煤厚度進行相應控制，以避免墊層效應的積聚。

2 支架支撐作用對破碎率的影響分析

放頂煤開采過程中離不開液壓支架的支撐作用，頂煤在支架連續的加壓、卸壓過程破壞了煤層的連續性，增加了煤層的破碎率。液壓支架的反復作用，使得煤層的塑性變形區增加[6]，在煤層厚度為5 m的情況下，對實施支架支撐作用后的煤層的破碎情況進行模擬，得到如圖4所示的塑性變形分布及破壞系數分布情況。

從圖4中可以看出，支架的連續支撐作用使得塑性變形區增大，提高了煤層的破壞系數，同時，塑性變形區的分布規律與上述分析一致，這表明支架的支撐作用沒有改變煤壁的穩定性，有利于煤層的開采。由于煤層矸石的不同，其對煤層的破碎性具有重要影響，在夾矸的情況下，因矸石的塑性相對較差，使得支架的支撐作用受限，降低了頂煤的破碎性。在這種情況下，可以對頂煤的液壓支架進行多次操作，以提高矸石的破碎性，從而利于頂煤的放出。

圖4 支架多次作用下的厚度為5 m的頂煤分布情況

3 結論

1）頂煤的厚度增加時，會造成頂煤的墊層效應，并且隨著厚度的增加，作用越明顯，不利于頂煤的放出，因此，應對開采的頂煤厚度進行相應的控制，以避免墊層效應的積聚。

2）液壓支架在加壓、卸壓的過程中，可以增加煤層的塑性，提高煤層的破碎性，特別是針對含有夾矸的煤層，可以通過多次升降液壓支架的方式來提高頂煤的破碎性。

3）在進行放頂煤的開采過程中，依據現場的煤層條件，設定相應的頂煤厚度及對液壓支架進行支撐，有利于增加頂煤的放出，提高煤礦的開采效率。