大采高綜采面頂煤合理高度的分析研究

王堯堯

（山西焦煤霍州煤電臨汾宏大公司勝利煤業(yè)，山西 臨汾 041000）

0 引言

目前，中厚煤層開采先后有分層、綜放以及大采高綜采[1]等采煤工藝，其中，分層綜采存在工序多、開采成本高、勞動強(qiáng)度大；綜放開采相比于分層開采，地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低、巷道掘進(jìn)率低[2-3]；而大采高綜采回采工藝簡單、回采成本低、資源回收率偏低[4]等特點(diǎn)。且經(jīng)過多年大采高發(fā)現(xiàn)，大采高綜采工作面容易出現(xiàn)端面冒頂，煤壁片幫，支架穩(wěn)定性事故率高，這些都對大采高綜采工作面開采造成影響[5]。因此，為提高大采高綜采工作面的煤炭回收率，本文主要研究不同割煤高度對大采高綜采面頂煤的位移和應(yīng)力分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對頂煤留設(shè)厚度的合理確定提供參考依據(jù)。

1 模型建立及分析

以某大采高工作面為對象，該采區(qū)煤層平均厚度6 m，采深423 m，采煤方法選擇走向長壁后退式綜合機(jī)械化，模擬不同采高3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6 m。設(shè)立水平縱向模型，具體分析端面頂煤位移和應(yīng)力的控制效果。

選取工作面推進(jìn)方向?yàn)槟Ｐ偷腦 軸，y 軸為豎直方向。其中，y 軸上，直接頂、老頂厚度14.5 m 和18 m，煤層6 m，底板巖層厚度10.8 m；x 軸上，模型150 m，共挖40 m，左右各留有55 m。

以端面頂煤和煤壁為研究對象，老頂、直接頂模擬塊度是1 m×2 m 和1 m×0.5 m。為更好地對煤壁片幫模擬，劃分垂直裂隙，塊度0.25 m×0.25 m，傾角90°。

邊界條件以模型范圍基礎(chǔ)。邊界條件設(shè)定如下：上部邊界，上方載荷和上覆巖重力（∑γh）相關(guān)，上部邊界條件為應(yīng)力邊界條件[6]：q=∑γh=2 500×9.8×388=9.51 MPa。

下部邊界為底板，在y 軸方向固定，即v=0，x 軸方向不固定；左右邊界，均為實(shí)體煤和巖體，在y 軸方向上不固定，x 軸方向固定，即v=0。

2 綜采面頂煤合理高度

2.1 割煤高度對塑性區(qū)的分布影響

在實(shí)際推進(jìn)工作面中，不同位置的工作面頂板所受應(yīng)力會不同，且不同時(shí)段相同位置的受力也會有差異[7]。依據(jù)頂板受應(yīng)力和應(yīng)變特征，可分為彈性區(qū)、塑性區(qū)及破壞區(qū)三個區(qū)域[8]，其中，塑性區(qū)為支架頂梁上部、煤壁前方一定區(qū)間內(nèi)的頂煤，此范圍內(nèi)原煤巖體新產(chǎn)生的裂隙處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，受支架、上覆巖層壓力影響，出現(xiàn)塑性變形；彈性區(qū)為煤壁前方一定區(qū)間以外的頂板，此區(qū)間煤巖垂直、水平位移較小，三向應(yīng)力受力狀態(tài)；破壞區(qū)為支架頂梁尾梁和后部范圍的頂煤。先是在支架支撐力、礦壓影響下，頂煤向采空區(qū)做水平運(yùn)動，其次受自身重力、上覆巖壓力影響，產(chǎn)生裂隙擴(kuò)展，造成冒落破碎。因此，塑性區(qū)屬于頂煤從完整到破壞過渡的重要階段，塑性區(qū)變形對頂板控制有著重要影響。不同割煤高度塑性區(qū)的變化情況，如圖1所示。

圖1 不同割煤高度塑性區(qū)的變化情況

頂煤塑性區(qū)域大小主要是通過變形最大區(qū)間一級彈塑性分界線距煤壁的最大距離表征[9]，可顯示出頂板產(chǎn)生冒落失穩(wěn)的最大區(qū)間。該圖中，當(dāng)割煤高度不斷增加時(shí)，兩者也隨之增加。當(dāng)割煤高度≤5 m 時(shí)，兩者與割煤高度成正比變化關(guān)系，且變化趨勢一致。此外，均在割煤高度5.5 m，塑性區(qū)達(dá)到最大；當(dāng)高度是6 m 時(shí)，因頂板上方無頂煤，支架上部即是直接頂，使塑性區(qū)區(qū)間減小。

對于破壞區(qū)，增大割煤高度，會減小塑性區(qū)煤巖的內(nèi)摩擦角、摩擦力，擴(kuò)大塑性破壞范圍。依據(jù)彈力學(xué)，受壓破壞單元內(nèi)部出現(xiàn)剪切破壞，內(nèi)部受壓單元剪切力、張拉力疊加，造成煤壁的嚴(yán)重破壞。

2.2 割煤高度對頂板垂直應(yīng)力最大值和下沉量的影響

大采高綜采工作面端頭垂直方向主要為壓應(yīng)力，不同割煤高度垂直應(yīng)力最大值的變化情況，如圖2所示。圖2 中，當(dāng)割煤高度是3.5 m 時(shí)，垂直應(yīng)力是14 MPa；當(dāng)高度是3.5～4.5 m 時(shí)，垂直應(yīng)力變化較小；當(dāng)高度是4.5～5.5 m 時(shí)，垂直應(yīng)力變化較大。

圖2 不同割煤高度垂直應(yīng)力最大值的變化情況

采用模擬軟件udec，觀測線設(shè)為水平方向，如圖3所示。深入對當(dāng)距煤壁為0.25、0.75、1.25 m 時(shí)，分析頂板垂直應(yīng)力最大值和下沉量的變化規(guī)律，如圖4、圖5 所示。

圖3 水平測點(diǎn)布置示意圖

圖4 不同割煤高度頂板下沉量變化曲線

圖5 不同割煤高度頂板垂直應(yīng)力最大值變化曲線

圖4、圖5 中，當(dāng)割煤高度是3.5 m，上述距煤壁三處位置對應(yīng)的頂板下沉量依次是1.18、1.21、1.30 m，當(dāng)距煤壁越大時(shí)，會不斷增大頂板垂直應(yīng)力最大值和下沉量，且中部區(qū)域一直都是拉伸破壞最嚴(yán)重的位置。當(dāng)增大割煤高度時(shí)，頂板垂直應(yīng)力最大值和下沉量也不斷增大，且變化趨勢大致相同，即當(dāng)割煤高度是3.5～4.5 m 時(shí)，頂板垂直應(yīng)力和下沉量較小，當(dāng)高度是5.5～6 m 時(shí)，頂板垂直應(yīng)力和下沉量達(dá)到最大值。

綜述，當(dāng)增大割煤高度時(shí)，減少頂煤留設(shè)厚度，當(dāng)6 m 采高開采時(shí)，留設(shè)厚度＜1 m，此時(shí)深部應(yīng)力集中點(diǎn)和頂板相距較遠(yuǎn)，塑性破壞區(qū)較小，主要位于頂煤區(qū)間內(nèi)，頂板下沉量也較小；當(dāng)5.5 m 采高時(shí)，留設(shè)厚度1.2～1.5 m，此時(shí)頂煤嚴(yán)重破碎，應(yīng)力集中區(qū)和頂板相距較近，增大塑性破壞范圍，從而也增大頂板下沉量；當(dāng)5 m 采高時(shí)，留設(shè)厚度2 m，增加頂煤厚度和承載力，減小破壞區(qū)域；當(dāng)3.5 m 采高時(shí)，頂煤產(chǎn)生塑性區(qū)，同時(shí)，明顯降低了冒頂片幫。主要是因?yàn)榱粼O(shè)厚度是1.5 m 左右時(shí)，整體頂煤強(qiáng)度同于上覆巖層壓力，達(dá)到對頂煤破壞厚度的最大極限，所以，當(dāng)割煤高度是5～5.5 m 時(shí)，冒頂片幫破壞最嚴(yán)重。

因此，當(dāng)割煤高度是3.5 m 時(shí)，頂煤穩(wěn)定性好，且綜采面最大塑性范圍為4 m，也就是說頂煤達(dá)到塑性區(qū)但是無破壞。

3 結(jié)論

本文以某大采高工作面為對象，采煤方法選擇走向長壁后退式綜合機(jī)械化，模擬不同采高3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6 m，頂煤的應(yīng)力和位移分布規(guī)律，為合理確定頂煤留設(shè)厚度提供參考依據(jù)，結(jié)論如下：

1）當(dāng)增加割煤高度時(shí)，會減少頂煤留設(shè)厚度。當(dāng)割煤高度是5～5.5 m 時(shí)，冒頂片幫較嚴(yán)重，當(dāng)割煤高度＜4.5 m 或＞5.5 m 時(shí)，降低冒頂片幫；當(dāng)割煤高度是3.5 m 時(shí)，顯著降低冒頂片幫出現(xiàn)的概率

2）當(dāng)割煤高度是3.5 m 時(shí)，頂煤穩(wěn)定性好，且綜采面塑性區(qū)最大范圍達(dá)到4 m，即頂煤達(dá)到塑性區(qū)但是無破壞，不僅能夠提高煤炭回收率，且降低綜采面冒頂片幫事故發(fā)生的概率。