特厚煤层综放工作面合理采高的确定

吴日明

（山西中新甘庄煤业有限公司，山西 大同 037002）

特厚煤层综放工作面合理采高的确定

吴日明

（山西中新甘庄煤业有限公司，山西 大同 037002）

针对某煤矿大倾角特厚煤层大采高综放工作面为对象，对特厚煤层综采放顶煤开采条件下，通过数值计算方法，分析了不同割煤高度对工作面煤壁、顶煤的屈服破坏、位移特征、煤壁前方煤体垂直应力分布情况。综合对比了不同采高下的影响效果及顶煤位移情况，从而合理确定采高，达到矿井安全、高产、高效的目的。

特厚煤层；合理采高；数值计算

随着煤炭行业的发展，对煤炭资源开采特别是特厚煤层的开采，提出了更高的要求。对于特厚煤层，开采安全可靠的前提下，合理确定采高及采放比对煤炭高产高效尤为重要。本文针对山西某矿5号煤层地质概况以及顶底板围岩特性，采用数值模拟方法，分析不同采高时的工作面围岩稳定性的情况，从而确定综放工作面合理采高及采放比的确定，以保证工作面的安全高效生产。

1 工作面的地质概况

根据地质报告并结合煤矿现已开采情况分析，5号煤层赋存情况较稳定，平均厚度13.74 m；层位和厚度均稳定的可采煤层，工作面长度为200 m；工作面顶板多为细-中粒砂岩，局部为粗粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩；底板为砂质泥岩、泥岩和细粒砂岩，局部为粉砂岩。夹矸层数一般为0～5层，煤层结构较简单。通过现场煤岩取样，由太原理工大学矿山力学实验室，对所采集的煤样岩样进行了力学测定，测定结果为5号煤层顶板平均抗压强度46.07 MPa，平均抗拉强度4.27 MPa；5号煤层底板平均抗压强度46.17 MPa，平均抗拉强度4.15 MPa；5号煤层平均抗压强度10.2 MPa，平均抗拉强度0.85 MPa。通过岩石力学实验测试结果分析可知，5号煤层属软弱煤层。

2 数值计算分析

根据大采高综放工作面的基本条件，例如煤层埋深度，煤层倾角、厚度、工作面长度等建立力学模型。本文利用数值模拟方法，分析不同采高条件下煤壁的变形情况。图1为采高4 m时工作面围岩垂直应力的分布形态。工作面前方蓝色区域为应力集中区，箭头方向为工作面推进方向。图2为工作面采高4 m时工作面水平位移云图，从图可见，越靠近煤壁的地方，围岩的水平位移就越大，即越容易发生片帮。

2.1 不同采高情况下顶煤屈服破坏结果分析

图3示出煤层总厚度为13.74 m，采高分别为3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m，随着工作面推进时，综采放顶煤工作面控顶区的顶煤破坏单元分布特征。由图可知，不同采高的控顶区内的顶煤，绝大部分单元均产生剪切破坏，部分顶煤为拉伸破坏，发生的剪切破坏沿工作面顶梁后端上部倾斜方向向前方煤壁延伸；随着割煤高度的的增加（采放比的减小），顶煤已经产生破坏的区域在增加，剪切破坏的单元连续性明显减弱，说明采高增加对13.74 m厚的煤层顶煤冒放产生显著影响。当采放比在1:3以内变化时，随着割煤高度的增加，对顶煤的破坏作用加强。

2.2 同一煤层厚度不同采高情况下顶煤位移变化规律分析

表1为不同采高时，工作面推进100 m时，距工作面顶板或距煤层底板相同位置测点的顶煤运移特征数据。由表1知，顶煤不同层位的始动点，随着采高加大而增加的幅度不大，而对同一割煤高度相同层位的顶煤始动点，随着顶煤厚度的加大而增大。煤壁前方均以水平位移为主，说明此地方的顶煤更容易产生裂隙；顶煤中深部基点的垂直位移在煤壁前后均远大于水平位移，说明上位顶煤更易被压缩和产生垂直方向的离层。对于特厚煤层综放开采来说，在不同采高与顶煤厚度的条件下，顶煤不同层位基点的总位移量，随着采高的增加一直在增加，通过前人所做大量实验和经验可知，顶煤中基点的位移值与顶煤的冒放性之间存在极为密切的关系，从而说明对于特厚煤层大采高综放开采来讲，采放比对于顶煤的破碎冒放会产生重大的影响。

图1 采高4 m时工作面垂直应力分布图

图2 采高4 m时工作面水平位移云图

图3 不同采高情况下顶煤屈服破坏单元分布图

图4示出采高为3.5 m、4 m、4.5 m、5 m时，距工作面顶板0.25 m处基点相对工作面位置的垂直位移和水平位移变化曲线。由图可见，随着采高的增加，该基点的垂直面位置的垂直位移和水平位移变化曲线。由图可见，随着采高的增加，该基点的垂直位移量在工作面前方6 m以前基本无变化；在距工作面煤壁之前6 m和工作面之后4 m区间范围内，垂直位移量增加，而且是采高越大，位移量增加较大；在工作面煤壁后方4 m至顶煤冒落，随着采高的增加，累计的位移量越大。

表1 不同采高工作面顶煤运移特征数据

图4 距工作面顶板0.25 m处基点位移随采高的变化曲线

图5 距工作面底板9 m基点处位移随采高的变化曲线

图5示出采高为3.5 m、4 m、4.5 m、5 m时，距工作面底板9 m处基点相对工作面位置的垂直位移和水平位移变化曲线。由图可见，基点在垂直方向和水平方向的位移变化曲线均是呈负指数规律递增；随着采高的增加，即随着采放比的减小，垂直位移累计量在煤壁后方一直在增加，而水平位移累计量随采高的增加而减小。

综上考虑，根据5号煤层的首采工作面实测地质资料，5号煤层煤厚13.74 m，5号煤割煤高度4.0 m，放煤高度 9.74 m，采放比 1：2.4，满足《煤矿安全规程》规定。

3 结论

本文针对某矿5号煤层地质力学条件，提出了采用综放回采工艺。根据5号煤层顶底板力学特征，采用数值模拟分析了不同割煤高度的破坏情况及影响，通过分析得出以下结论：a.通过力学试验测定，5号煤层平均抗压强度为10.2 MPa，平均抗拉强度为0.85 MPa。属软弱煤层。b.不同采高下，顶煤体的水平位移量变化不大，但是存在一个特定高度下的最小值，说明在特厚煤层大采高综放开采中也必然存在一个更为合理的采放比，使顶板对顶煤的压裂作用更强，有利于顶煤的及时冒落放出。c.根据数值模拟分析，最后确定采高为4 m时较合理（采放比为1:2.4）。

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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

编辑：徐树文

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

吴日明（1968—），男，山西大同人，大学本科，工程师，从事煤矿生产及管理工作。