开采区段高度对急倾斜煤层开采的影响分析

赵 丹

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100）

随着自动化综采放顶煤技术的发展，使得急倾斜煤层的开采得到越来越多的重视[1]。急倾斜煤层的巷道放顶煤采煤法以其工艺简单、开采效率高的特点，在我国取得了广泛的应用。同时，由于对巷道放顶煤开采的工艺参数研究较少，在开采过程中，大多依据经验进行参数的选取，并且对于设计参数的选取存在不合理处，使得顶煤开采的参数选取范围较大，无法实现精确化的开采[2]。其中，开采区段的高度是进行巷道放顶煤开采的重要参数，开采区段高度的数值对于顶煤的破坏及放出具有直接的影响，采用仿真分析的方式对急倾斜煤层的开采区段高度的影响作用进行分析，以确定合理的开采高度。

1 巷道放顶煤开采仿真模型的建立

进行巷道放顶煤开采时，开采区段的高度较大时会影响顶煤的放出，降低顶煤的回收率；开采区段的高度较小时，虽保证了顶煤的放出及回收，但需要提高相应的巷道掘进率，增加了矿井开采的辅助时间及成本。因此，研究合理的开采区段高度，可以充分利用煤层的破碎，保证最大程度回收的同时采用最大的开采区段高度减少矿井的辅助开采作业，提高矿井的经济效益[3]。

采用FLAC 3D分析软件对顶煤的破坏进行模拟，FLAC 3D是适用于模拟岩土工程及其他材料的有限差分软件，在矿山开采、岩土工程中具有广泛的应用。采用数值仿真分析的方式，对巷道放顶煤开采时的应力及位移等进行研究，为合理的开采区段高度选择提供参考[4]。设定开采的模型地质条件为倾角50°的急倾斜煤层，煤层厚度平均为6.5 m，夹矸层为炭质泥岩，局部结构复杂，受急倾斜地质构造的影响形成的岩层稳定性较差，采用巷道放顶煤方式开采，设定模型的尺寸为44 m×30 m×30 m（长×宽×高），开采巷道30 m，模型周边限制边界位移，边界条件的设定（如图1所示）。由此进行模型的网格划分，得到开采仿真模型。在进行分析过程中，设定上覆岩层的中立以均布载荷的形式作用在模型上层，选取开采区段的高度分别为10 m、12 m、14 m、16 m，以此进行区段高度的影响分析。

图1 模型边界条件的设定

2 开采区段高度的影响作用仿真分析

2.1 开采区段高度对变形破坏的仿真

针对四种不同开采区段高度，得到的煤层的破坏情况（如下页图2所示），在进行开采的过程中，煤层破坏的主要形式是剪切破坏，并且沿着巷道的塑形破坏呈现相互不对称的分布，在侧巷道帮部位置破坏范围较大[5]。在四种不同的开采高度下，开采高度为10 m时，区段煤层的塑形破坏区相互贯穿，破坏效果较好，有利于巷道放顶煤的采出；开采高度为12 m时，塑形破坏的范围有所减小，但仍保持塑形破坏区的贯穿，破坏效果也比较好；开采高度为14 m时的情况相似，塑性破坏的范围继续减小，同样保持贯穿，具有一定的破坏效果；开采高度为16 m时，塑性范围减小，且无法保持贯穿。由此，随着开采区段高度的增加，区段煤层的变形范围逐渐减小，造成媒体不易垮落，不能进行有效的采出。依据煤层的变形破坏分析，开采区段高度为14 m时具有较好的采出率及工艺简单性。

图2 不同区段高度的煤层破坏变化图

2.2 开采区段高度对应力分布的仿真

针对四种不同开采区段高度，得到的煤层的应力分布情况（如图3所示），在进行开采的过程中，由于煤层倾角较大，造成巷道两侧的垂直应力呈现不对称的分布，其中左侧的应力值要大于右侧应力[6]。在四种不同的开采高度下，开采高度为10 m时，应力集中洗漱为3.0，风巷与运巷的垂直应力范围相互贯穿，说明此时相互之间的煤层发生塑性破坏，顶煤垮落，有利于顶煤的回收；开采高度为12 m时，应力集中系数变化不大，此时的双巷道之间的垂直应力范围也相互贯穿，煤层发生垮落；开采高度为14 m时，应力集中系数为2.9，稍有减小，但双巷道之间的垂直应力范围也保持相互贯穿，煤层发生垮落；开采高度为16 m时，应力集中系数为2.6，此时在风巷与运巷的垂直应力范围没有形成贯穿，双巷道之间的煤层存在弹性变形，不能进行充分的垮落，不利于顶煤的开采。依据煤层的应力分布分析，开采区段高度为14 m时具有较好的采出率及工艺简单性。

图3 不同区段高度的应力分布变化图

综上可知，在开采区段高度为14 m时，对于煤层的破坏及应力的分布是最为有利的，同时可以简化煤层开采的工艺。针对开采高度为14 m时巷道的变形进行分析，得到垂直位移特征（如图4所示），在开采高度为14 m时的巷道围岩的最大垂直位移为9.5 mm，满足开采安全的需要。因此，可将最优的开采区段高度确定为14 m。

图4 14 m开采高度时的垂直位移变化图

3 结语

巷道放顶煤开采是进行急倾斜煤层开采的有效方式，在开采过程中的开采区段高度对于顶煤的回收及煤矿的经济效益具有重要影响。为确定最优的开采区段高度，采用仿真分析的方式，对开采区段的高度影响作用进行分析，依据煤层的破坏性和应力的分布变化，确定最优化的煤层开采区段高度。由此可以在保证放顶煤回收率的同时，减少巷道掘进的时间，简化巷道放顶煤开采的工艺，提高矿井的经济效益。