特厚煤层综放开采顶煤冒放性数值模拟研究

曹志强，杨玉龙

（山西晋神沙坪煤业有限公司，山西，036500）

摘  要：为研究特厚煤层综放开采中硬煤层顶煤冒放性问题，以沙坪煤矿13^#煤层为研究背景，采用数值模拟综合分析了回采过程中顶煤、顶板破坏性及煤壁支承压力，得出顶煤冒放性随回采推进动态变化特征。研究结果表明：工作面回采初期由于煤质较硬，顶煤破坏高度3~4.5m，顶煤冒放性差；回采到60m以后，顶煤破坏高度可达12m，顶煤顶煤冒放性变好；分析煤壁支承压力可知，回采过程中在煤壁前方应力集中明显，应做好煤壁片帮防范工作；由于煤层煤质相比较硬，回采初期应做相应的顶煤、顶板弱化处理，提高资源利用率，确保矿井安全开采。

关键字：特厚煤层；综放开采；冒放性；数值模拟

Numerical Simulation Study on Top Coal Caving Property of Fully Mechanized Top Coal Caving in Thick Coal Seam

CAO Zhi-Qiang; YANG Yu-Long

( Shanxi Jinshen Shaping Coal Mining Co. Ltd, shanxi 036500, China)

Abstract：In order to study the caving problem of hard coal seam in fully mechanized top coal caving mining in very thick seam, taking 13^# coal seam of Shaping Coal Mine as the research background, the destructive roof and supporting pressure of coal wall in the process of mining are comprehensively analyzed by numerical simulation, and the dynamic change characteristics of caving property of top coal with the advance of mining are obtained. The results show that the top coal caving performance is poor in the early stage of mining because of the hard coal quality, the top coal failure height is 3-4.5 m, and the top coal caving performance is better after mining to 60 m, the top coal failure height can reach 12 m. By analyzing the support pressure of coal wall, it can be seen that the stress concentration is obvious in front of the coal wall during the mining process, and the prevention work of the coal wall should be done well. Because the coal quality of the coal seam is relatively hard, the corresponding top coal and roof weakening should be done in the early stage of mining to improve the utilization rate of resources and ensure the safe mining of the mine.

Key words：very thick coal seam；fully mechanized caving；caving property；numerical simulation

0 引言

我国广泛赋存大量煤层厚度为9~15m的特厚煤层，由于大采高综采一次采全高受采高限制、分层开采工艺复杂等问题，该类煤层的开采方法用大采高综放开采的居多^[1-3]。但是，大采高综放开采回采过程中存在顶煤冒放性差、煤壁极易片帮冒顶等问题^[4,5]。

基于综放开采顶煤冒放性的问题，国内学者进行了大量的研究。庞义辉、王国法^[6]针对西部埋深较浅、坚硬、特厚煤层顶煤冒放性差的问题，以金鸡滩矿2－2上坚硬特厚煤层赋存条件为研究背景，通过理论计算、数值模拟等方法，得出了坚硬特厚煤层顶煤冒放结构特征及提高采出率技术。马延斌^[7]根据平朔公司井工一矿4^#煤层地质赋存条件、运用模糊数学综合评价分析了开采深度、煤层强度、夹矸厚度以及节理裂隙对4106综放工作面顶煤冒放性的影响，确定了冒放性及放出率。袁永、屠世浩^[8]首次提出采动支承压力分布支护效应与煤壁片帮时效性的观点，运用系统动力学知识研究了大采高综采采场“煤壁-顶板-底板”三维空间运动与支架工作状态的关系，解决了大采高综采的关键技术问题。马文强、王同旭^[9]以煤样物理力学参数试验为基础，研究了高韧性煤层综放开采的难冒放机理，分析了高韧性煤层的韧性指标特征，得出工作面内顶煤与顶板离层范围及离层区域形状。

综合分析研究现状可知，学者应用理论力学^[10,11]、数学评价方法^[12,13]、数值模拟^[14,15]等方法对综放开采进行研究，把回采过程中顶煤冒放性特点作为一个研究课题，研究成果丰富^[16-19]。但是对于煤层煤质及回采的动压影响对顶煤冒放性的影响却鲜有研究，且回采动压是影响顶煤冒放性的重要因素，本论文基于前人研究的基础上，以沙坪煤矿13#中硬煤层为地质背景，采用数值模拟的研究手段对受回采动压影响的顶煤冒放性特征进行了研究，得出的结论对该类中硬煤层综放开采顶煤冒放情况具有一定的指导意义。

1 矿井概况

沙坪煤矿位于山西省河曲县城东南约32km处，交通便利，矿井许可生产能力3.36Mt/a。井田总体呈向北西倾斜的单斜构造，地层产状较平缓，倾角在2°～9°之间，一般为3°～5°，可采的煤层8^上、8、9、10、11、12、13、15号煤层。

13^#煤层分布于全井田，位于太原组二段中下部，下距15^#煤层（平均厚度5.63m ）2.00～12.70m，上距12^#煤层（平均厚度4.23m）1.05～15.7m。煤层厚度10.32～26.87m，平均16.84m；该煤层在井田西北部、中西部线厚度相对较薄，向西、南、东均呈逐渐增厚的趋势，东部、东南部局部采空。煤层顶板岩性以泥岩为主，局部为砂质泥岩、粉砂岩、砂岩；底板岩性以泥岩为主，局部为炭质泥岩、砂质泥岩。

2 数值模拟方法

2.1 模拟软件介绍

FLAC^3D作为一种岩土工程领域内的大型专业软件，对矿井地下开采所涉及的岩土力学问题具有较好的模拟效果，广泛应用于煤矿开采领域。

2.2 试验模型及力学参数

应用FLAC^3D软件模拟13^#煤层回采过程中，覆岩破坏及应力分布变化规律。模型中层理弱面用INTERFACE模拟，支架用BEAM单元模拟。根据沙坪煤矿提供的钻孔柱状图建立模型，模型中顶板岩层为150m、13^#煤层18m和底板岩层为56m，模型布置如图1，力学参数如表1。

表1 煤层及围岩试样力学性质

模型上部岩层施加等效载荷， 4个立面固定法向位移，底面同样固定法向位移，模型应力平衡分布状态如图2。等效载荷按下式计算：

其中：

H—为煤层上方未模拟顶板的厚度，单位为m；

—为相应的煤岩层密度，取平均2500，单位为kg/m³；

g—为重力加速度，取9.81，单位为m/s²。

图1 模拟模型

图2 模型应力平衡分布状态

3 模拟结果分析

3.1 顶煤破坏性分析

顶煤的破坏形式对顶煤的冒放性具有重要的影响，由于煤岩体受压不受拉的特性，剪切破坏的煤体处于受压状态，此时具有一定的残余应力，不易冒落。拉伸破坏的顶煤已完全破坏，失去残余应力，呈现散体状态。因此，放煤口上方顶煤是否处于拉伸破坏是其能否及时冒落并顺利回收的关键。

下图3为工作面回采过程中不同推进距离下顶煤、顶板塑性区分布，为判断顶煤的冒放性提供依据。

（a）工作面回采40m

（b）工作面回采80m

（c）工作面回采120m

（d）工作面回采160m

图3 顶煤、顶板塑性区分布

分析实验过程可知，如图（a）工作面推进40m时，顶煤上方2m范围内处于拉伸破坏状态且多处于剪切破坏状态，即顶煤上方2m范围内顶板发生破坏；如（b）可知，当工作面推进80m时，顶煤拉伸破坏状态延伸至4.5m的位置，此时顶板破坏范围扩展至上方12m处，在顶板压力的作用下，上方剪切破坏状态的顶煤能够实现垮落，但存在大块煤垮落的现象。如图（c）可知，当工作面推进至120m时，顶板破坏范围继续加大，但顶煤上方依然存在1m的剪切破坏范围，且该范围随着工作面的推进不再发生大的变化。因此，工作面放煤过程中距离顶板1m的顶煤不易冒落，顶板压力及支架的反复支撑作用下，该范围内顶煤会呈现大块煤冒落状态。

综合分析实验结果：

1）初采期间13^#煤层上方顶煤拉伸破坏深度处于支架上方3~4.5m，顶煤的冒放性较差；

2）工作面推进60m之后的正常回采期间，顶煤的冒放性逐步变好，但由于煤层属于中硬煤层，硬度较大，最上方顶煤不易冒落，容易形成大块煤。

3.2 煤壁支承压力分析

综放采场煤壁前方顶煤受超前支承压力的作用，预先发生变形、破裂直至破碎松散，是顶煤顺利放出的先决条件。利用数值模拟方法对13^#煤层回采模拟，分析不同回采距离下煤壁前方的超前支承压力分布，如下图4。

（a）工作面回采60m

（b）工作面回采80m

（c）工作面回采180m

图4 超前支承压力分析

分析图（a）、（b）当工作面推进60m、80m时煤壁前方应力峰值范围及大小呈现增长趋势，应力峰值距离煤壁6.4m，峰值分别达到14.1MPa、14.6MPa，应力降低范围进一步扩大，应力降低带呈现拱形分布。

分析图（c）可知，当工作面推进180m，煤壁前方应力峰值依然存在，应力峰值距煤壁位置基本稳定7.0m，应力峰值大小在17~18MPa浮动。

综合分析实验结果：

1）初采期过后，随着工作面的推进，超前支承压力峰值逐渐变大，且逐渐远离工作面煤壁；

2）当工作面推进120m以后，超前支承压力峰值转移到工作面前方7m的位置，即工作面煤壁前方7m之内顶煤发生了剪切破坏；

3）随着工作面的推进，沿工作面方向的约束减弱，顶煤的破坏逐渐以拉伸破坏为主，随后，顶煤失去侧向约束，在顶板压力和顶煤自重的作用下，顶煤开始冒落。

3.3 顶煤冒放性分析

通过模拟13^#煤层回采过程中，顶煤破坏状态及应力分布规律，综合分析沙坪煤矿13^#煤层顶煤冒放性。图5为13^#煤层顶煤破坏状态的分布图。

图5 顶煤、顶板破坏分布图

13^#煤层回采对顶煤的破坏影响为：顶煤随回采距离增加随采随冒，整体冒放性较好，但是由于煤质相比较硬，回采初期顶煤破坏高度较低，冒放效果不佳；煤层回采过程中，顶煤在顶板与支架共同作用下发生破坏，顶煤破坏高度可达12m，顶板破坏高度可达18m，煤体冒放性较好。

4 结论

1）沙坪煤矿13^#煤层采用综放开采时，在初采阶段容易出现煤壁破碎情况，需要做好工作面防片帮冒顶处理；

2）由于沙坪煤矿13^#煤层属于中硬煤质，在初采期间应对顶煤及顶板进行弱化处理，减小顶板初次破断步距，提高资源回收率，确保安全开采；

3）沙坪煤矿13^#煤层随工作面回采，直接顶随采随落，顶煤破坏高度达12m，煤体冒放性好。

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