大采高綜放開(kāi)采頂煤運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究

董 波

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 呂梁 030600）

煤炭是我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源和化工原料，在我國(guó)能源消耗中占據(jù)70%以上的比例。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(guó)煤炭資源儲(chǔ)量中占據(jù)45%，所以對(duì)厚煤層的開(kāi)采進(jìn)行研究具有十分重要的意義。

目前，我國(guó)對(duì)厚煤層開(kāi)采的方式主要有大采高綜采、分層開(kāi)采、綜放開(kāi)采三種，分層開(kāi)采的效率較低，大采高綜放開(kāi)采對(duì)于頂板巖性要求較高，均存在一定的弊端，相較而言綜放開(kāi)采具有高產(chǎn)高效的特點(diǎn)，但其煤量損失仍較大，所以如何提升頂煤的回收率對(duì)于綜放開(kāi)采十分重要[1-2]。本文以斜溝礦23113工作面為工程背景，基于理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的研究手法對(duì)不同開(kāi)采條件下煤巖運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，為實(shí)現(xiàn)高效綜放開(kāi)采提供參考與借鑒。

1 礦井概況

斜溝礦位于山西省興縣北50 km處，礦井面積約88.6 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15.0 Mt/年，現(xiàn)主要開(kāi)采2號(hào)、8號(hào)煤層。23113工作面現(xiàn)主要開(kāi)采山西組2號(hào)煤層，煤層的平均厚度為4.9 m，屬于厚煤層。

2 理論分析及模型構(gòu)建

厚煤層綜放工作面放頂煤的變形較為復(fù)雜，破壞形式主要由開(kāi)采技術(shù)及煤層覆存條件所決定，因此在覆巖的力學(xué)性質(zhì)及開(kāi)采環(huán)境一定的情況下，厚煤層開(kāi)采變形特征只受到開(kāi)采參數(shù)的影響[3]。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(yīng)力影響的范圍也就越廣，對(duì)頂煤的破壞也就越明顯，更有利于頂煤的放出[4]。采高同樣是對(duì)頂煤冒放重要的影響因素，為了研究不同開(kāi)采工藝下的頂煤冒放情況，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同采高下頂煤的破壞情況進(jìn)行分析。

結(jié)合斜溝礦23113工作面實(shí)際地質(zhì)情況，建立長(zhǎng)、寬、高分別為200 m×200 m×80 m的模型，工作面走向長(zhǎng)度為120 m，傾向長(zhǎng)度100 m，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，充分考慮計(jì)算精度及計(jì)算效率的影響，基于此對(duì)模型的研究區(qū)域進(jìn)行粗劃分，完成模型網(wǎng)格劃分后對(duì)模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)地質(zhì)實(shí)際情況對(duì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，具體巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 具體巖層力學(xué)參數(shù)表

3 模擬計(jì)算

完成巖層參數(shù)設(shè)定后，分別對(duì)采高為2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m情形進(jìn)行模擬研究，給出不同采高下垂直應(yīng)力峰值變化曲線，如圖1所示。

圖1 不同采高下垂直應(yīng)力峰值變化曲線

從圖1可以看出，隨著采高的不斷增加，此時(shí)應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，而應(yīng)力峰值超前距離隨著采高的增加呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)。當(dāng)機(jī)采高度為2.0 m時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力峰值為17.98 MPa，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在工作面前方4.8 m的位置；當(dāng)機(jī)采高度為3.0 m時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力峰值達(dá)到不同采高下的最大值，最大值為18.1 MPa，此時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力峰值的位置為工作面前方5.1 m；當(dāng)機(jī)采高度為4.0 m時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力峰值為不同采高下的最小值，此時(shí)的最小值為17.35 MPa，最小值出現(xiàn)在工作面前方5.9 m的位置。

由此可以看出，當(dāng)機(jī)采高度為3.0 m時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力峰值最大，頂煤的破裂效果最佳。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因?yàn)楫?dāng)采高小于3.0 m時(shí)，頂煤的厚度減小，此時(shí)覆巖的緩沖作用減小，巖梁的回轉(zhuǎn)幅度增大，所以應(yīng)力峰值逐步增加；而當(dāng)采高大于3.0 m時(shí)，此時(shí)頂煤厚度進(jìn)一步減小，頂煤向著支架方向采空區(qū)冒漏，應(yīng)力集中由頂煤轉(zhuǎn)移至煤壁，所以應(yīng)力峰值出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

對(duì)不同采高下的頂煤破碎程度進(jìn)行分析，分別在頂煤上部布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距設(shè)定為0.5 m，以監(jiān)測(cè)頂煤的水平位移情況，繪制頂煤位移曲線如圖2所示。

圖2 頂煤水平位移曲線

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(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)，同時(shí)隨著采高的不斷增加，頂煤的水平位移量最大值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)采高為3.0 m時(shí)，此時(shí)的頂煤水平位移的最大值最大，約為141 mm；當(dāng)采煤高度為2.0 m時(shí)，此時(shí)的頂煤水平位移量的最大值最小，僅為72 mm。同時(shí)可以看出不同采高下的頂煤水平位移量均出現(xiàn)在下位頂煤中。在采高2.0 m和2.5 m時(shí)，此時(shí)的頂煤水平位移量變化趨勢(shì)較為緩和，而在采高為3.0 m、3.5 m和4.0 m時(shí)，頂煤的水平位移量變化趨勢(shì)較為劇烈。由此可以得出，當(dāng)采高為3.0 m時(shí)，此時(shí)的頂煤流動(dòng)性較佳，頂煤的冒放性較好。

對(duì)不同采高下的頂煤運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，采用PFC軟件進(jìn)行計(jì)算，模擬采高分別為2.0 m、3.0 m和4.0 m情況下頂煤的運(yùn)移規(guī)律，模擬結(jié)果圖如3所示。

從圖3可以看出，不同采高下的頂煤冒落狀態(tài)均類似于漏斗狀，在煤巖分界位置處的斜率較大，在采空區(qū)一側(cè)的斜率較小。將模型顆粒間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.4，支架與顆粒間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1。隨著采高的增大，在煤矸分界位置處的斜率呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì)，當(dāng)采高為2.0 m時(shí)，此時(shí)在采空區(qū)的煤矸界限明顯下凹，此時(shí)由于頂煤厚度較大，使得頂煤的流動(dòng)速度很慢。當(dāng)采高增大至3.0 m和4.0 m時(shí)，此時(shí)的放頂煤空間較大，煤巖的分界較為平滑，頂煤的流動(dòng)速度較大，對(duì)于放頂煤較為有利。不同采高下的頂煤的含矸率和回收率如表2所示。

圖3 不同采高下的頂煤運(yùn)移規(guī)律云圖

表2 不同采高下的頂煤的含矸率和回收率

從表2可以看出，當(dāng)采高為2.0 m時(shí)，此時(shí)的頂煤回收率為78.4%，頂煤中的含矸率為13.6%；當(dāng)采高為3.0 m時(shí)，此時(shí)的頂煤回收率為86.1%，頂煤中的含矸率為8.4%，采高為4.0 m時(shí)，此時(shí)的頂煤回收率為84.2%，頂煤中的含矸率為8.7%。由此可以看出，隨著采高的增大，頂煤的回收率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，含矸率也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)采高為3.0 m時(shí)，此時(shí)的頂煤回收率和含矸率均為最優(yōu)值，所以采高的最佳值為3.0 m。

4 結(jié)論

1）隨著采高的不斷加，應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，而應(yīng)力峰值超前距離隨著采高的增加呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，在采高為3.0 m時(shí)，應(yīng)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(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)，同時(shí)隨著采高的不斷增加，頂煤的水平位移量最大值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

3）不同采高下的頂煤冒落狀態(tài)均類似于漏斗狀，當(dāng)采高為3.0 m時(shí)，此時(shí)的頂煤回收率和含矸率均為最優(yōu)值，頂煤回收率為86.1%，頂煤中的含矸率為8.4%。