摘 要：本文在以往研究成果的基礎(chǔ)上通過運(yùn)用數(shù)值模擬、理論分析等多種研究方法，研究和分析厚煤層大采高綜合放頂煤工作面合理采高和放煤步距等工藝參數(shù)的優(yōu)化計算。應(yīng)用FLAC3D軟件模擬不同采高對應(yīng)力場分布、剪應(yīng)力場分布、位移分布等影響結(jié)果，應(yīng)用PFC軟件對放煤步距等工藝參數(shù)進(jìn)行分析，模擬得出4m采高為相對合理的割煤高度，4m采高條件下，為提高頂煤回收率，可以采用一刀一放順序放煤。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;放煤步距;大采高;綜放

同煤集團(tuán)同忻煤礦位于大同市西南大約20km的位置，處于大同煤田的東北部，行政隸屬大同市南郊區(qū)。井田含煤二十余層，其中可采十三層，由上向下為：2#-1， 2#-3， 3#， 4#， 7#， 9#， 10#， 11-1，11#-2， 12#-1、 -2、14#、15#層，均為弱粘煤，為優(yōu)質(zhì)動力用煤。揮發(fā)性高、發(fā)熱量高，硫分比其它礦偏高。井田內(nèi)各煤層頂、底板多為細(xì)粉砂巖互層、細(xì)砂巖或中、粗粒砂巖，有時為礫巖和頁巖，一般為鈣質(zhì)膠結(jié)及泥質(zhì)膠結(jié)，致密堅硬。

1建立數(shù)值模型

為 了系統(tǒng)的分析工作面采場的圍巖受力與工作面巷道變形關(guān)系的過程，以同忻礦8106工作面的開采技術(shù)條件作為背景，建立起了三維計算模型用來數(shù)值模擬，模擬軟件選用FLAC3D。模型沿走向長度100m，傾向長度100m，高度120m，包括頂、底板的巖石層和煤層，其中煤的厚度9.20m。模型一共有114666個三維單元，122012個節(jié)點(diǎn)。模型上部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量，底面限制垂直移動，側(cè)面限制水平移動。

根據(jù)現(xiàn)場的取樣分析和巖石力學(xué)的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)載荷加載到極限強(qiáng)度后，巖體發(fā)生破壞，在峰后的塑性流動中，巖體的殘余強(qiáng)度隨著變形逐漸減小。

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式中，c和φ分別是粘結(jié)力和摩擦角，σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力，當(dāng)fsgt;0時，材料產(chǎn)生剪切破壞。巖體具有較高的抗剪切強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度相對較低，所以巖體一般以受拉破壞形式為主。因此，可以根據(jù)巖石的抗拉強(qiáng)度判斷巖體是否破壞。

考慮到巖石的尺度效應(yīng)，根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)研究所提供的現(xiàn)場的調(diào)查結(jié)果與巖石力學(xué)試驗(yàn)，模擬計算時采用的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

8106工作面煤層平均埋藏深度為860m，平均巖體容2500KG/m3，由此可求得上覆巖層產(chǎn)生的垂直應(yīng)力為-13Mpa，因此在模型上部施加13Mpa的垂直應(yīng)力，同時加入構(gòu)造應(yīng)力的影響，取垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力相等，為13MPa。在模型兩側(cè)同時施加13MPa的水平應(yīng)力。

2 分析模擬結(jié)果

2.1 不同的采高剪切應(yīng)力分布

當(dāng)采煤的高度從3m到4.5m時，隨著采高的不斷增大，工作面煤壁發(fā)生的剪切應(yīng)變率逐漸會增大：

①當(dāng)采煤的高度達(dá)到3m時，剪切應(yīng)變主要會發(fā)生在煤壁的下方，深度在1000mm左右，高度在2500～3000mm左右。

②當(dāng)采煤高度達(dá)到4m時，剪切應(yīng)變會發(fā)生在煤壁上方，高度和深度都有了不少的增加，在煤壁前方2m～2.5m內(nèi)都發(fā)生了剪切應(yīng)變，頂板里也有了剪切應(yīng)變。

③當(dāng)工作面割煤的高度到4.5m時，剪切應(yīng)變能布滿整個煤壁。但煤壁的上方產(chǎn)生了較大的剪切應(yīng)變，說明煤壁片幫會首先發(fā)生在煤壁上方。

2.2 不同采高位移場分布

采高分別是3.0m，3.50m，4.0m和4.50m時，因?yàn)楣ぷ髅骈_采，煤壁會產(chǎn)生一種工作面推進(jìn)方向的水平位移。隨著采高的增大位移會逐步增加，最大水平應(yīng)力發(fā)生在工作面煤壁偏上方向。

工作面無支護(hù)空間易被破壞和冒落的原因，從3m到4. 5m隨采高逐漸加大，煤壁上方和接近頂板的地方以及直接頂和煤壁接近的拐彎處產(chǎn)生顯著的水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力和剪應(yīng)力集中區(qū)。

2.3 應(yīng)力場在不同采高時的分布規(guī)律

工作面開采會重新分布應(yīng)力場，在工作面前方會集中水平、垂直應(yīng)力，超前支承壓力是垂直應(yīng)力集中后形成的。為了更好的掌握現(xiàn)場礦壓的顯現(xiàn)規(guī)律，需要分析應(yīng)力集中程度和應(yīng)力場的分布。

不同割煤高度（3.0m，3.50m，4.0m，4.50m） 水平應(yīng)力場和垂直應(yīng)力場分布，隨著工作面的不斷推進(jìn)，煤壁的前方5m～15m內(nèi)會產(chǎn)生集中應(yīng)力，隨著開采高度的不斷增加，應(yīng)力集中峰值會逐漸向煤壁的深處移動，集中系數(shù)不斷增大，同時影響范圍也逐漸增大。當(dāng)采煤的高度大于4m時，會劃分更細(xì)的應(yīng)力等值線，應(yīng)力環(huán)境將會比普通工作面更加復(fù)雜。

垂直和水平應(yīng)力分布之處有許多相似，隨著采高增大，應(yīng)力影響的范圍不斷增大，集中程度不斷增加，峰值往工作面的深處轉(zhuǎn)移。

分析水平、垂直應(yīng)力場的以上特征，隨著采高的不斷增加，垮落帶的同時增大，上覆巖層難以形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)在應(yīng)力場范圍增大，集中點(diǎn)前移形成的結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)前移。

3 放煤工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 放煤步距優(yōu)化

確定合理放煤步距可以使煤炭損失和含矸率都減少到允許的范圍。影響放煤步距的因素主要有采煤機(jī)的截深、放煤口中心高度、支架放煤口的長度以及頂煤的厚度、頂煤裂隙發(fā)育致使頂煤破碎后塊度大小等。合理的放煤步距既要控制煤的含矸率，又要保證頂煤回收率。

放煤步距必須大于放煤口的長度，避免一開始放煤就混矸。放煤的步距越小，就會引起老塘混矸;放煤的步距越大，放煤步距的損失量就會增加。確定一種合理的放煤步距，可以使混矸和煤炭損失都降低到合理的范圍里。大采高下的綜放工作面，由于頂煤冒落碎裂的空間增大，采高較大，礦山壓力的破煤作用增強(qiáng)，頂煤在礦山壓力和支架支撐力的雙重作用下破碎，放煤的流動性好。

由工作面實(shí)際情況確定，有效的試驗(yàn)距離以18～20m為宜，因?yàn)槭堑缺壤谱髂Ｐ?，PFC軟件模擬的實(shí)際距離為18～20m之間，基本能夠反映放出和流動之間的規(guī)律?？紤]到目前采煤工作面常用的放煤工藝，本試驗(yàn)考慮三種工藝：

①一刀一放;

②兩刀一放;

③三刀一放。

三種放煤步距的模擬方案如下：

方案a為：放煤步距為0.8m，一刀一放;

方案b為：放煤步距為1.6m，兩刀一放;

方案c為：放煤步距為2.4m，三刀一放 。

3.2 計算結(jié)果分析

為了方便分析和研究，在本課題中認(rèn)定頂煤相對回收率就是頂煤放出量所占當(dāng)下割煤推進(jìn)范圍頂煤總量的比例。

各種放煤方案，頂煤放出率如表2所示，頂煤放出率最大的模式是方案a，該方案頂煤回收率最大為85.6%;最低的方案是方案c，該方案下頂煤回收率最大為78%。所以頂煤的回收率：放煤步距為0.8m分別比放煤步距為1 .6m與2.4m時高4.5%和9.7%。

可以得出，同忻礦8106工作面采煤機(jī)機(jī)采高度為4.0m，放煤步距采用方案a最合適。

表2 "不同放煤模式頂煤回收率計算

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4 結(jié)論

本文結(jié)合同忻礦8106工作面的生產(chǎn)環(huán)境，經(jīng)過對不同的機(jī)采高度和放頂煤的步距模擬的結(jié)果分析，對厚煤層大采高綜采放頂煤工作面的放頂煤工藝進(jìn)行了工藝優(yōu)化，通過對厚煤層大采高綜放面參數(shù)的研究，得出如下結(jié)論：

①經(jīng)過模擬數(shù)值確定了同忻礦8106工作面合理的放煤步距，說明4m大采高綜放開采也能滿足9m左右厚煤層的要求;同時也確定了放煤步距為一刀一放的方式，認(rèn)為該方式煤體受阻較小，同時節(jié)約工時，頂煤回收率較高。

②在綜采放頂煤中，回收率和含矸率一直都是相互制約的指標(biāo)，由于8106工作面頂煤中未發(fā)現(xiàn)明顯的夾石層，故放頂煤時應(yīng)防止頂板矸石混入煤流中。

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