厚煤层大采高提高煤壁破坏的工艺参数优化

杨晓君

(山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司东曲煤矿，山西 太原 030200)

引 言

我国地下资源储量丰富，特别是煤炭资源的储量位居世界前列，并且一半左右的煤炭资源以厚煤层的形式存在。随着开采自动化技术的进步，采用大采高的综采方式可以对厚煤层进行高效的开采，提高了煤炭开采的生产效率。在大采高综采的过程中，由于煤层厚度的增加，使得煤层煤壁的破坏性变化较大是影响大采高开采效率的关键因素。煤壁的破坏性受到煤层的自身的埋深、煤层的深度及支护强度、采高参数等多种因素的影响[1]。针对厚煤层的开采，采用数值模拟的方式对大采高的工艺参数进行分析，从而实现安全性的提高厚煤层的煤壁破坏性，提高大采高综采的生产效率，从而提高煤矿开采的经济效益。

1 煤壁破坏数值模型的建立

工作面煤壁的破坏性受到诸多因素的影响，煤层的深度越大，则产生屈服破坏的几率越大，煤层自身的物理参数对于破坏性具有重要的影响；此外，在开采过程中，采高的增加，会产生片帮的问题，是阻碍煤炭的开采效率，工作面的推进速度和长度，影响到顶板对于煤壁的压力作用，从而对煤壁破坏性产生作用[2]。在煤层地质因素确定的条件下，采用Flac3D数值分析软件，针对开采过程中的采高、埋深、工作面长度等因素对煤壁的破坏性进行分析。

在进行数值分析的过程中，依据煤层的地质条件设定模型顶板为86 m，底板为26 m，设定不同的采高分别为4 m～8 m，工作面的推进长度为150 m，模型在工作面的方向上保留30 m长度的固定煤层，工作面的长度设定为100 m～300 m，同时在工作面的宽度方向上保留30 m长度的固定煤层[3]，煤层分布模型，如图1所示。

图1 煤层分布模型

设定煤层模型的侧面方向约束固定，底部同时受到水平和垂直方向的固定约束，顶部以均布载荷的形式施加来自上方岩层的压力，沿工作面方向推进，每次推进5m，对煤壁的破坏性进行模拟分析[4]。

2 煤壁破坏性数值模拟分析

对煤壁的破坏性进行模拟分析，针对采高、工作面长度不同进行分别设置分析，选取典型位置处的仿真模拟结果，选择煤壁前端2.5 m位置处的煤体进行煤壁破坏系数的计算。如第125页图2a)所示表示采高为8 m、工作面长度为100 m时的煤壁破坏面积分布图，图2b)中表示采高为6 m、工作面长度为200 m时煤壁破坏面积分布图，图2c)中表示采高为4 m、工作面长度为300 m时煤壁破坏面积分布图。

a)采高为8 m、工作面长度为100 m

依据上述的分析方式，对煤层开采的参数进行多个取值的仿真分析，依据仿真分析结果，计算煤壁的破坏系数，采用煤壁破坏系数来表示煤壁的破坏程度。对开采的因素进行回归分析，得到采高和工作面长度对煤壁破坏系数的影响，如图3、图4所示。

图4 工作面长度对煤壁破坏性影响

通过上述的分析可知，在煤层采高增加的过程中，煤壁的破坏系数呈线性增加，说明在采高增加时，煤壁的破坏性也随之增加，采高增加时，工作面的煤层自由空间增加，顶板的作用力增加，使得煤壁的破坏程度提高，但要注意煤壁产生的片帮问题[5]。破坏系数随工作面长度的增加呈对数的关系，随着工作面长度的增加，煤壁的破坏程度也随之增大，有利于煤炭开采效率的提升，但同时，也要注意发生片帮的可能性[6]。采用大采高综采方法对厚煤层进行开采，依据现场的工况条件，结合数值仿真分析的结果，对现场的开采条件进行优化，选择工作面长度为225 m，采高为5 m进行煤层的开采。

3 结语

大采高综采工艺进行厚煤层的开采，具有适用性强、安全性高、回采工艺简单的特点，适合我国厚煤层的开采。随着我国大采高技术的发展，开采高度可逐渐提升到8m以上，提高了煤炭开采的效率。随着开采高度及工作面的推进，煤壁的破坏性逐渐增加，使得在提高煤炭开采效率的同时，造成煤壁的稳定性降低，容易产生片帮等问题，对煤炭的开采造成一定的安全隐患，不利于大采高综采效率进一步的提高。

煤壁的破坏性受到诸多因素的影响，包括煤炭的埋深、自身的物理参数、煤层的分布倾角等，对于地质确定的煤层，采用大采高综采进行开采时，采高的高度、工作面的长度及支架的支护不同，都会对煤壁的破坏性产生影响，如何确定最优化的工艺参数是进行大采高综采研究的重点。采用Flac3D数值分析软件，针对煤壁的破坏性，在不同的采高及工作面长度参数下，对煤壁的破坏性进行分析，并由此进行煤壁破坏系数的计算，得到煤壁破坏系数在采高增加的过程中，煤壁的破坏系数呈线性增加，在工作面长度的增加的过程中，煤壁的破坏系数呈对数增加。这说明，在进行厚煤层的开采时，增加采高和工作面的长度有利于开采效率的提升，但同时，在实际的开采过程中，由于煤壁破坏性的降低，煤壁的稳定性较差，要避免片帮问题的产生。在厚煤层的开采中，利用工艺参数的变化来进行煤壁的破坏性控制具有重要的意义，对提高大采高综采的经济效益具有重要的影响。