吳日明

（山西中新甘莊煤業(yè)有限公司，山西 大同 037002）

特厚煤層綜放工作面合理采高的確定

吳日明

（山西中新甘莊煤業(yè)有限公司，山西 大同 037002）

針對某煤礦大傾角特厚煤層大采高綜放工作面為對象，對特厚煤層綜采放頂煤開采條件下，通過數(shù)值計(jì)算方法，分析了不同割煤高度對工作面煤壁、頂煤的屈服破壞、位移特征、煤壁前方煤體垂直應(yīng)力分布情況。綜合對比了不同采高下的影響效果及頂煤位移情況，從而合理確定采高，達(dá)到礦井安全、高產(chǎn)、高效的目的。

特厚煤層；合理采高；數(shù)值計(jì)算

隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，對煤炭資源開采特別是特厚煤層的開采，提出了更高的要求。對于特厚煤層，開采安全可靠的前提下，合理確定采高及采放比對煤炭高產(chǎn)高效尤為重要。本文針對山西某礦5號煤層地質(zhì)概況以及頂?shù)装鍑鷰r特性，采用數(shù)值模擬方法，分析不同采高時(shí)的工作面圍巖穩(wěn)定性的情況，從而確定綜放工作面合理采高及采放比的確定，以保證工作面的安全高效生產(chǎn)。

1 工作面的地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告并結(jié)合煤礦現(xiàn)已開采情況分析，5號煤層賦存情況較穩(wěn)定，平均厚度13.74 m；層位和厚度均穩(wěn)定的可采煤層，工作面長度為200 m；工作面頂板多為細(xì)-中粒砂巖，局部為粗粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖；底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖和細(xì)粒砂巖，局部為粉砂巖。夾矸層數(shù)一般為0～5層，煤層結(jié)構(gòu)較簡單。通過現(xiàn)場煤巖取樣，由太原理工大學(xué)礦山力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，對所采集的煤樣巖樣進(jìn)行了力學(xué)測定，測定結(jié)果為5號煤層頂板平均抗壓強(qiáng)度46.07 MPa，平均抗拉強(qiáng)度4.27 MPa；5號煤層底板平均抗壓強(qiáng)度46.17 MPa，平均抗拉強(qiáng)度4.15 MPa；5號煤層平均抗壓強(qiáng)度10.2 MPa，平均抗拉強(qiáng)度0.85 MPa。通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果分析可知，5號煤層屬軟弱煤層。

2 數(shù)值計(jì)算分析

根據(jù)大采高綜放工作面的基本條件，例如煤層埋深度，煤層傾角、厚度、工作面長度等建立力學(xué)模型。本文利用數(shù)值模擬方法，分析不同采高條件下煤壁的變形情況。圖1為采高4 m時(shí)工作面圍巖垂直應(yīng)力的分布形態(tài)。工作面前方藍(lán)色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)，箭頭方向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向。圖2為工作面采高4 m時(shí)工作面水平位移云圖，從圖可見，越靠近煤壁的地方，圍巖的水平位移就越大，即越容易發(fā)生片幫。

2.1 不同采高情況下頂煤屈服破壞結(jié)果分析

圖3示出煤層總厚度為13.74 m，采高分別為3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m，隨著工作面推進(jìn)時(shí)，綜采放頂煤工作面控頂區(qū)的頂煤破壞單元分布特征。由圖可知，不同采高的控頂區(qū)內(nèi)的頂煤，絕大部分單元均產(chǎn)生剪切破壞，部分頂煤為拉伸破壞，發(fā)生的剪切破壞沿工作面頂梁后端上部傾斜方向向前方煤壁延伸；隨著割煤高度的的增加（采放比的減?。?，頂煤已經(jīng)產(chǎn)生破壞的區(qū)域在增加，剪切破壞的單元連續(xù)性明顯減弱，說明采高增加對13.74 m厚的煤層頂煤冒放產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)采放比在1:3以內(nèi)變化時(shí)，隨著割煤高度的增加，對頂煤的破壞作用加強(qiáng)。

2.2 同一煤層厚度不同采高情況下頂煤位移變化規(guī)律分析

表1為不同采高時(shí)，工作面推進(jìn)100 m時(shí)，距工作面頂板或距煤層底板相同位置測點(diǎn)的頂煤運(yùn)移特征數(shù)據(jù)。由表1知，頂煤不同層位的始動點(diǎn)，隨著采高加大而增加的幅度不大，而對同一割煤高度相同層位的頂煤始動點(diǎn)，隨著頂煤厚度的加大而增大。煤壁前方均以水平位移為主，說明此地方的頂煤更容易產(chǎn)生裂隙；頂煤中深部基點(diǎn)的垂直位移在煤壁前后均遠(yuǎn)大于水平位移，說明上位頂煤更易被壓縮和產(chǎn)生垂直方向的離層。對于特厚煤層綜放開采來說，在不同采高與頂煤厚度的條件下，頂煤不同層位基點(diǎn)的總位移量，隨著采高的增加一直在增加，通過前人所做大量實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)可知，頂煤中基點(diǎn)的位移值與頂煤的冒放性之間存在極為密切的關(guān)系，從而說明對于特厚煤層大采高綜放開采來講，采放比對于頂煤的破碎冒放會產(chǎn)生重大的影響。

圖1 采高4 m時(shí)工作面垂直應(yīng)力分布圖

圖2 采高4 m時(shí)工作面水平位移云圖

圖3 不同采高情況下頂煤屈服破壞單元分布圖

圖4示出采高為3.5 m、4 m、4.5 m、5 m時(shí)，距工作面頂板0.25 m處基點(diǎn)相對工作面位置的垂直位移和水平位移變化曲線。由圖可見，隨著采高的增加，該基點(diǎn)的垂直面位置的垂直位移和水平位移變化曲線。由圖可見，隨著采高的增加，該基點(diǎn)的垂直位移量在工作面前方6 m以前基本無變化；在距工作面煤壁之前6 m和工作面之后4 m區(qū)間范圍內(nèi)，垂直位移量增加，而且是采高越大，位移量增加較大；在工作面煤壁后方4 m至頂煤冒落，隨著采高的增加，累計(jì)的位移量越大。

表1 不同采高工作面頂煤運(yùn)移特征數(shù)據(jù)

圖4 距工作面頂板0.25 m處基點(diǎn)位移隨采高的變化曲線

圖5 距工作面底板9 m基點(diǎn)處位移隨采高的變化曲線

圖5示出采高為3.5 m、4 m、4.5 m、5 m時(shí)，距工作面底板9 m處基點(diǎn)相對工作面位置的垂直位移和水平位移變化曲線。由圖可見，基點(diǎn)在垂直方向和水平方向的位移變化曲線均是呈負(fù)指數(shù)規(guī)律遞增；隨著采高的增加，即隨著采放比的減小，垂直位移累計(jì)量在煤壁后方一直在增加，而水平位移累計(jì)量隨采高的增加而減小。

綜上考慮，根據(jù)5號煤層的首采工作面實(shí)測地質(zhì)資料，5號煤層煤厚13.74 m，5號煤割煤高度4.0 m，放煤高度 9.74 m，采放比 1：2.4，滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定。

3 結(jié)論

本文針對某礦5號煤層地質(zhì)力學(xué)條件，提出了采用綜放回采工藝。根據(jù)5號煤層頂?shù)装辶W(xué)特征，采用數(shù)值模擬分析了不同割煤高度的破壞情況及影響，通過分析得出以下結(jié)論：a.通過力學(xué)試驗(yàn)測定，5號煤層平均抗壓強(qiáng)度為10.2 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為0.85 MPa。屬軟弱煤層。b.不同采高下，頂煤體的水平位移量變化不大，但是存在一個(gè)特定高度下的最小值，說明在特厚煤層大采高綜放開采中也必然存在一個(gè)更為合理的采放比，使頂板對頂煤的壓裂作用更強(qiáng)，有利于頂煤的及時(shí)冒落放出。c.根據(jù)數(shù)值模擬分析，最后確定采高為4 m時(shí)較合理（采放比為1:2.4）。

[1] 徐永圻.煤礦開采學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[2] 侯忠杰,肖民，張杰，等.陜北沙土基型覆蓋層保水開采合理采高的確定[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,26(2):161-164.

[3] 王麗,石飛.淺埋深薄基巖工作面合理采高的確定[J].陜西煤炭，2009(3).56-58.

[4] 趙志超.綜放工作面合理參數(shù)的確定[J].煤炭技術(shù)，2007，26(3):45-46.

[4] 劉波,韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(5):497-502.

[5] 趙建民,程建禎,鄭書兵.高產(chǎn)高效放頂煤開采參數(shù)的分析[J].煤礦開采，2004，9(4):22-24.

Abstract:Taking the large-mining-height fully-mechanized working face with steep extra-thick seam as the object,the study analyzes the yield/failure of coal walls and top coal,displacement characteristics,vertical stress distribution with different cutting heights by numerical computation.The comprehensive analysis of the effects and the top coal displacements in the different mining heights determines the reasonable mining height to achieve the safe,productive,and efficient production.

Ke ywords:extra-thick coal seam;reasonable mining height;numerical computation

編輯：徐樹文

Determination of Reasonable Mining Height for Fully-mechanized Working Face with Extra-thick Seam

WU Ri-ming

(Shanxi Zhongxin Ganzhuang Coal Co.,Datong Shanxi 037002)

TD822.1

A

1672-5050（2012）07-0041-03

2011-12-12

吳日明（1968—），男，山西大同人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦生產(chǎn)及管理工作。