倾斜煤层开采工艺参数与顶煤破碎率的相关性

常选斌

(潞安集团 常村煤矿，山西 长治 046000)

在我国煤炭储存中，倾斜煤层储量非常丰富，其所占产量的比重也比较大。在我国各个矿区，都存在倾斜煤层，倾斜煤层由于具有一定的倾角，且赋存极其不稳定，其开采方法一直是采矿技术中的一项难题［1－3］。经过国内学者大量的现场和理论研究发现，倾斜煤层的顶板垮落和矿压特征不同于近水平煤层，顶煤和老顶的破坏特征及来压特征具有一定的特殊性［4，5］。因此，深入研究倾斜煤层顶煤的破坏特征，选择合理的工作面开采工艺就显得非常具有意义。

为了能更准确地把握倾斜工作面开采中放煤步距、控顶距、采煤机采高的参数，本文利用正交分析方法，设计出优化对比方案，并利用数值计算技术，对某矿工作面回采时不同开采工艺下顶煤的破碎率进行对比，并据此得出最优方案。

1 试验方案的确定

正交试验设计法是研究和处理多因素水平的一种普及的试验设计方法，它根据人们对以往事物在理论和经验两方面的认识基础上，并根据正交性的基本原理，从所有试验方案中分离出一部分具有代表性的方案，并据此确定出一种规格化的正交表，这些代表性的方案具有“均匀分散，齐整可比”的特点。正交试验设计是分析因式设计的主要方法，它能通过少量的试验工作来完成大量的试验任务，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。

本次数值模拟中考虑的因素及其水平：

放煤步距：0．6、1．2、1．8 m

控顶距：3．9、4．9、5．1、5．7 m

采煤机采高：2．4、2．6、2．8、3．0 m

根据正交试验设计法的基本原理，设计本次试验方案12个，各方案参数见表1。

表1 数值模拟方案参数

2 数值计算模型的建立

为了能准确地对现场进行模拟研究，根据矿井的实际条件，在参照原有地质资料的前提下，通过井下钻孔取芯，并在岩石力学实验室精确测量岩层的物理力学参数，得出煤层附近岩层物理力学参数见表2。

表2 岩石物理力学参数

Flac3D是目前岩土行业最受欢迎的数值软件之一，它是比较古老而又典型的有限差分软件，自从有限单元法诞生以后，有限元软件席卷全球，甚至有人预测21世纪是有限元的世纪，然而，在岩土行业，尤其是在采矿行业，有限元软件的使用远远无法替代有限差分软件的使用。本次数值计算采用Flac3D。

为了能真实反映该矿工作面在不同开采工艺条件生产下工作面附近煤层的稳定性状态，根据该矿井工作面的生产条件和数值计算的建模原则［6］，建立某矿工作面数值计算模型(见图1)。整个模型的长度为100 m，宽为20 m，高10 m，其中煤层倾角为25°。模型除上边界外的5个边界面的法向位移固定，上边界施加3 MPa的均布压力以模拟上覆岩层的自重，并施加重力场。

图1 计算模型图

在本次计算中认为初始应力场亦为自重应力场，计算过程中首先进行初始应力场的平衡，随后实施工作面开采的施工模拟。

3 结果分析

在工作面综放开采中，由于工作面前方支撑压力的存在会使工作面前放顶煤发生破坏以至破碎，利用这种现象，模拟不同方案条件下工作面前放顶煤一定区域内煤体的破坏率，即顶煤宏观破碎系数。据此可知，顶煤宏观破坏系数越大，预示着顶煤的破坏效果越好，回收率也越好。12种方案条件下顶煤的破坏区域分布图见图2。

图2 不同方案条件下顶煤的破坏区域分布图

根据各种方案条件下工作面煤层的破坏情况可知，不同的开采工艺参数下，工作面顶煤的破坏区域分布形式和大小不同。在12种方案下，工作面前方煤壁都形成了一定深度的破坏区，基本都属于剪切破坏，并且通常顶煤的破坏深度略大于采高煤层，控顶区域内的顶煤全部破坏，基本属于剪切破坏和拉伸破坏的复合破坏模式。造成这种破坏的原因是工作面推进中，当顶煤接近工作面时首先发生剪切破坏，当工作面推过时，立即发生了拉伸破坏，这种先破坏的岩体破坏过程长、破坏次数多，破坏复合和叠加加强了顶煤的破坏程度，有利于放煤。对比分析不同方案下围岩的破坏分布还可以发现，在同等条件下，控顶距大、采高大时控顶距正上方围岩破坏要大些。

为了能清楚直观地分析采高和放煤步距对顶煤宏观破碎系数的影响，绘制了采高和放煤步距的顶煤破碎系数的相关性图(见图3)。由图3可知，顶煤宏观破坏系数较大的区域主要分布在3个部位，分别为图3中所标注的区域1～3，而在区域2中，顶煤破坏系数高达0．83以上，这个区域的限定条件基本为采高2．59 ～2．67 m、放煤步距 0．6 ～0．64m，并且此区域控顶距的范围为4．9～5．4 m，此区域正是方案2所在区域。

图3 采高、放煤步距与顶煤破坏系数相关性图

4 结论

本文通过利用试验设计的正交试验设计方法，在考虑影响综放工作面顶煤放出率因素(放煤步距、采高、控顶距)的基础上，设计出具有代表性的12种试验方案，并利用国际大型岩土工程数值计算软件，研究倾斜工作面开采的围岩应力场和位移场演变规律，研究顶煤宏观破坏系数与放煤步距、采高和控顶距的相关性，得出某矿倾斜工作面开采合理参数范围为放煤步距0．6 ～0．64m、采高2．59 ～2．67m、控顶距4．9～5．4 m，并据此确定出某矿倾斜工作面开采最优工艺参数为：采高 2．6 m，放煤步距 0．6 m，控顶距5．1 m。

［1］ 高晓旭，邵小平．急倾斜煤层大段高开采围岩变形数值模拟研究［J］．矿业安全与环保．2009，36(5)：21－24．

［2］ 魏思祥，宋锦虎，靖洪文．倾斜煤层动压巷道围岩应力分布规律的数值分析［J］．金属矿山．2012，429(3)：37－41．

［3］ 温彦良，常来山，张宏伟．急倾斜煤层顶板垮落过程的RFPA数值模拟研究［J］．中国矿业．2011，20(1)：111－116．

［4］ 蔡美峰，何满潮，刘东燕．岩石力学与工程［M］．北京：科学出版社，2002：95－97．

［5］ 钱铭高，石平五．矿山压力与岩层控制［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2003：142－143．

［6］ Itasca Consulting Group，Inc．USA．FLAC3D［M］．Fast Lagranginan Analysis of Continua in 3 Dimensions，version 3．0，User’s Manual．