大倾角松软特厚煤层综放开采可行性研究

2019-09-06张红义魏宗勇杨小顺曹东强

陕西煤炭 2019年5期

张红义，魏宗勇，杨小顺，曹东强

(1.霍州煤电集团有限责任公司，山西霍州 035100；2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054)

0 引言

在综采放顶煤的过程中，由于顶煤及煤层顶板物理力学性质的非均匀性导致顶煤运移规律具有复杂性，而顶煤的破裂变形与运移特征将直接影响到综放工作面的顶板控制、放煤效果、采出率的提高、含矸率的降低等特性[1-2]。在放顶煤开采过程中，顶煤破碎特征与顶煤放出规律的研究一直是放顶煤开采理论研究的核心和重要内容之一[3]。放顶煤开采研究中的一个重点是顶煤的冒放性。顶煤具有良好的冒放性是进行综放开采的基础和必要条件，因此，根据顶煤冒放性的不同采取相应的技术措施及工艺参数是实现综放开采优势的基本条件[4-5]。

大倾角特厚煤层顶煤冒放性的影响因素众多，且各因素相互影响。结合该煤矿矿山实际，主要从煤层强度、煤层赋存深度、煤体节理裂隙、煤层结构、顶板情况等方面来评判顶煤冒放性[6]。由于顶煤在破裂变形过程中既不是完全的连续介质，也不是纯粹的松散介质，无法单纯利用力学解析方法求解顶煤变形破裂全过程，而数值模拟计算作为力学分析工具已被广泛应用于理论分析和工程实际[7-12]。根据煤层赋存特点与围岩条件，利用FLAC3D有限差分软件[13]对汾源煤业有限公司5号大倾角松软特厚煤层综放开采过程中，采场的顶煤的破裂规律和应力分布进行了岩石力学数值分析，试图得到顶煤在采动影响下的应力分布、破坏区域和破坏烈度分布，以分析汾源煤业有限公司5号大倾角松软特厚煤层综放开采可行性。

1 矿井概况

汾源煤业公司井田南北走向长6.38 km，东西倾斜宽2.45 km，井田面积12.698 6 km2，呈一由东向西展布的不规则多边形。基本构造形态为一单斜构造，地层近南北走向，倾向以西和北西为主，倾角一般30°左右，井田内未发现大的断裂构造。

本井田主要可采煤层是5#煤层，煤层厚度为1.85～20.06 m，平均10.29 m，含0～4层夹矸，一般含矸1～2层，结构简单，该煤层属全井田可采的稳定煤层。顶板岩性为砂质泥岩或泥岩、石灰岩，底板岩性为泥岩、砂质泥岩或粉砂岩。

5#煤层平均瓦斯含量为0.15 mL/(g·r)，瓦斯含量较低，为低瓦斯矿井；煤层抑制煤尘爆炸最低岩粉用量50%～70%，火焰长度33～110 mm，煤尘具有爆炸危险性；煤层吸氧量0.49 mL/g，自燃倾向性等级Ⅱ类，属自燃煤层。

2 顶煤冒放性评价

综放开采顶煤的冒放性是评价顶煤可冒落、可放出的一种特性，是煤层的顶煤在支承压力下冒落、放出难易度的度量标准，也是顶煤可冒性和可放性的综合特征，其良好的冒放性是综放开采的必要条件和基础。现从以下方面对顶煤冒放性进行评价。

2.1 煤层强度

煤层强度是煤层本身的物理力学特性，是抗破坏能力的重要指标参数。包括煤层的单轴抗压强度、粘结系数和内摩擦角等。其单轴抗压强度(Rc)是影响顶煤在压力下破碎破坏过程和破坏程度的指标，与顶煤的垮落角的关系密切。通过对综放工作面的现场观测，其单轴抗压强度(Rc)值越大，也就是顶煤硬度更大，其垮落角就会越小。根据顶煤的冒落运动规律，在顶煤的垮落角较小的时候，不利于顶煤的放出。顶煤垮落角和煤层单轴抗压强度(Rc)的关系，如图1所示。

图1 煤层硬度系数与顶煤垮落角关系

对汾源煤业有限公司5#煤的煤样进行的力学实验测试可得，该煤层硬度较软，其坚固性系数在0.17左右。由图1可得，顶煤的垮落角大于120°，顶煤冒落容易，冒放性很好，有利于顶煤回收。

2.2 赋存深度

煤层原岩应力的(γH)大小由煤层赋存深度(H)直接影响，同时也直接影响回采面周围岩层内支承压力峰值的大小。因此，煤层赋存的深度对放顶煤综采面的顶煤破坏破碎效果有决定性的影响。由格里菲斯强度理论可得，煤体强度(Rc)一定时，顶板岩层平均容重取值γ=2.5 t/m3；其它影响参数不变时，若要使顶煤体在支承压力强大作用下被完全破坏，赋存深度(H)要满足式(1)。

H≥26.2Rc

(1)

从上式得出：当H值越大，顶煤的临界破坏条件就越容易满足；当其单轴抗压强度Rc一定时，H越大于临界值，顶煤破碎效果就会越好，也就是顶煤冒放性越好。取5#煤层煤体平均单轴抗压强度Rc为1.7 MPa，埋深为44.54 m即可进行放顶煤开采，而5#煤层的首采工作面埋深最浅也在270 m。因此就5#煤层埋藏深度而言，能满足综放开采要求。

2.3 顶板条件

煤层的顶板主要包括2个部分，即基本顶和直接顶。直接顶将影响顶煤的冒落运动，放顶煤开采顶煤破碎冒落后顺利放出的基本条件是能够随采随冒并具有一定厚度的直接顶[14]。直接顶冒落厚度较小或滞后冒落，都将造成破碎冒落的顶煤垮向放出体外的采空区，最终使得顶煤不能完全放出而丢失浪费。因此，直接顶对煤层顶煤冒放性的影响主要表现为两方面：一是能随采随冒；二是冒落后有一定的厚度即对采空区的充填程度[15]。据现场观测与相似模拟实验，综放开采要求直接顶最低厚度为

∑hmin=M/Kp

(2)

式中：∑hmin—能随采随冒分层厚度之和，m；M—采放高度，m；Kp—岩石碎胀系数，取1.25。

通过以上计算得出，在5#煤层平均厚度为10.5 m，其岩石碎胀系数取1.25，综放开采要求的最低直接顶厚度是8.4 m。5#煤直接顶板岩性是石灰岩，厚度是2 m，虽质地较硬但裂隙发育充分，其上部砂质泥岩厚度为6.6 m，总计厚度在8.6 m左右，能够满足放顶煤对顶板垮落的要求。

2.4 夹矸影响

煤层的夹矸对顶煤冒放性的影响较大，夹矸层的岩性(硬度)、层数、层厚与空间位置对其都有影响。夹矸层软于煤层，夹矸有利于顶煤的破碎冒落及放出，这样就增加了顶煤的冒放特性，若夹石层数越多、硬度越软、厚度越小，顶煤冒放性也就越好；夹矸层硬于煤层，不利于顶煤的冒放性，经开采实践证实，其影响主要取决于夹矸层层厚，单层夹矸层厚大于50 cm时，煤层的冒放性就主要取决于夹矸的性质。从汾源煤业5#煤邻近岩层构造看，汾源煤业5#煤含夹矸1～2层，厚度不大，且多为泥岩，而煤层多呈粉末状，基于此，夹矸对顶煤冒放性影响较小。

2.5 顶煤节理裂隙

岩体基本都含有构造及地质弱面，如节理、层理、断层、裂隙及褶皱等，煤层亦是如此。从现场的观测得出，综放采煤工作面顶煤冒放性影响较大的地质弱面就是煤的层理、裂隙和节理。因此，节理裂隙较多的煤层结构煤体完整性差，整体强度就会下降，顶煤在支承压力的强大作用下非常容易破碎。

同时，裂隙条数越密集，顶煤越易破碎、冒放的块度也就越小，利于顶煤放出，也即顶煤冒放性越好；反之则越差。汾源煤业5#煤顶部煤硬度低，在取样进行力学测试时，不容易取到符合要求的块煤，煤层揭露以后容易呈粉末状，节理裂隙发育充分，更利于顶煤的冒放。

3 顶煤冒放性模拟分析

3.1 数值模型建立

以FLAC3D针对综放开采特点对综放开采中的岩层矿压显现规律进行较深入的研究，建立一套合理的数值模型构建及结果分析方法，本次研究将对汾源煤业5#煤层顶煤冒放性进行数值模拟分析。

模型高度108 m，其中模拟顶板厚度37.5 m，5#煤层厚度10.5 m，底板厚度60 m；模型的走向长度200 m，两端分别考虑30 m的边界影响区域。考虑到推进方向上为基本水平，按推进方向分析煤层冒放性及顶板破坏情况。模型上方有220 m未模拟岩层(首采面区域)按照等效载荷代替，按下式计算

σy=Hρg=220×2 500×9.81 MPa=5.4 MPa

整个模型4个立面固定法向位移，底面同样固定法向位移。煤岩层物理力学参数按试验室测定数据确定，没有试验数据的岩层属性按岩性的平均取值确定，模型中层理弱面用Interface模拟。模型4个边界均以固定法向位移，底端边界固定垂直位移。所建立模型如图2所示，边界条件如图3所示。

3.2 模型结果分析

图4和图5分别给出了顶板破坏状态和煤体应力分布。其中考虑开切眼10 m范围，每次推进步距按10 m考虑，共推进100 m(不包括切眼)。

顶板破坏状态分析：从图4可以得出，随着工作面的不断推进，顶煤的顶板破坏范围在不断扩大。顶煤破坏状态较好，具有随采随冒性。煤壁前方1～2 m范围内的煤体出现剪切破坏的状态，分析将会导致片帮发生。从图4各推进步距图可见，工作面推进至10～40 m，顶煤能够较好垮落，顶板破坏高度从5 m逐渐增大至约12 m。工作面推进50 m以后，顶煤能够较好垮落，顶板破坏高度从12 m处迅速增大至约20 m。至工作面推进80 m以后，顶煤能够很好垮落，顶板破坏状态趋于稳定，顶板破坏能够达到40 m以上。

a-模型的建立；b-应力平衡图图2 数值模型图

图3 边界条件

a-L=10 m;b-L=50 m;c-L=80 m;d-L=100 m图4 顶板破坏状态

a-L=10 m;b-L=50 m;c-L=80 m;d-L=100 m图5 煤体应力分布

煤体应力分布：从图5可以得到，随工作面的推进，工作面前方始终存在应力集中现象，有利于顶煤体的变形破坏，有利于增加顶煤的冒放性，但由于煤层较软，现场会导致煤壁片帮增多。分析图5中各推进步距下超前应力，从10 m时的8.829 6 MPa，逐步增大到50 m时的8.973 4 MPa，逐步稳定在80 m时的10.266 MPa。