镇城底矿综放开采覆岩运移规律的数值模拟研究

张思建

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿，山西 临汾 041000）

煤炭资源按照其覆存厚度可分为薄煤层、中厚煤层、厚煤层、特厚煤层，其中厚煤层在我国煤炭资源储量中占据45%，所以对厚煤层开采进行研究具有十分重要的意义。目前，我国对厚煤层开采的方式主要有大采高综采、分层开采、综放开采三种。分层开采，效率较低；大采高综放开采，对于顶板岩性要求较高，相对而言，综放开采具有高产高效的特点，但其损失煤量仍较大，所以如何提升顶煤的回收率对于综放开采十分重要[1]。本文通过数值模拟的方法研究不同开采条件下煤岩运移规律，为综放开采高效开采做出一定的贡献。

1 矿井概况及模型构建

镇城底矿位于山西省古交市西北处，矿井田占地面积约16.63 km2，矿井西北走向6.6 km，南北走向平均宽度约为3.6 km，镇城底矿年设计生产能力为190万t。22212工作面现主要开采太原组2号、3号煤层，煤层平均厚度3.9 m，平均倾角6°，采用的是综采放顶煤采煤工艺。

厚煤层综放工作面放顶煤开采顶煤的变形较为复杂，破坏形式主要是受到开采技术及煤层覆存条件所决定，所以在覆岩的力学性质及开采环境一定的情况下，厚煤层开采变形特征只受到开采参数的影响。煤层埋深越深，在前方形成的超前支撑压力峰值也就越大，支撑应力影响的范围也就越广，所以对顶煤的破坏也就越明显，更有利于顶煤的放出。采高同样是影响顶煤冒放的重要因素，为了研究不同开采工艺下的顶煤冒放情况，本文利用数值模拟软件对不同采高下顶煤的破坏情况进行分析[2]。

根据镇城底矿实际地质情况，建立长、宽、高分别为200 m、200 m、80 m的模型，工作面走向长度为120 m，倾向长度100 m，对模型进行网格划分，在进行网格划分时，充分考虑计算精度及计算效率的影响对模型的研究区域进行粗划分，完成模型网格划分后对模型的力学参数进行设定。2号煤层内聚力为1.5 MPa，内摩擦角为31°，剪切模量为1.7 GPa，密度为1 400 kN·m3。

2 数值模拟计算

完成岩层参数设定后对采高分别为2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m进行模拟研究，得出不同采高下垂直应力峰值变化情况如图1所示。

图1 不同采高下垂直应力峰值变化情况

从图1可以看出，随着采高的不断的增加，此时应力峰值呈现出先增大后减小的趋势，而应力峰值超前距离随着采高的增加呈现逐步增大的趋势。当机采高度为2.0 m时，此时的应力峰值为17.98 MPa，应力峰值出现的距离为工作面前方4.8 m的位置；当机采高度为3.0 m时，此时的应力峰值达到不同采高下的最大值，最大值为18.1 MPa，此时出现应力峰值的位置为工作面前方5.1 m；当机采高度为4m时，此时的应力峰值为不同采高下的最小值，此时的最小值为17.35 MPa，最小值的位置出现在工作面前方5.9 m的位置。可以看出当机采高度为3 m时，此时的应力峰值最大，顶煤的破裂效果最佳。出现此现象的原因为当采高小于3 m时，此时的顶煤的厚度减小，此时覆岩的缓冲作用减小，岩梁的回转幅度增大，所以应力峰值逐步增加。而当采高大于3 m时，此时顶煤厚度进一步减小，顶煤向着支架方向采空区冒漏，应力集中由顶煤转移至煤壁，所以应力峰值出现减小的趋势[3]。

对不同采高下的顶煤破碎程度进行分析，分别在顶煤上部布置测点，测点间距设定为0.5 m，监测顶煤的水平位移情况，监测结果如图2所示。

图2 顶煤水平位移情况

从图2中可以看出，随着距离工作面高度的不断增加，顶煤的水平位移呈现逐步减小的趋势，同时随着采高的不断增加，顶煤的水平位移量最大值呈现先增大后减小的趋势。当采高为3.0 m时，此时的顶煤水平位移的最大值最大，约为141 mm；当采煤高度为2.0 m时，此时的顶煤水平位移量最小仅为72 mm，同时可以看出不同采高下的顶煤水平位移量均出现在下位顶煤中。在采高2.0 m、2.5 m时，此时的顶煤水平位移量变化趋势较为缓和，而在采高为3.0 m、3.5 m、4.0 m时顶煤的水平位移量变化趋势较为剧烈。可以看出，当采高为3.0 m时，此时的顶煤流动性较佳，顶煤的冒放性较好[4]。

对不同采高下的顶煤运移规律进行研究，采用PFC软件进行计算，模拟采高分别为2.0 m、3.0 m、4.0 m情况下顶煤的运移规律，模拟结果如3所示。

从图3可以看出，不同采高下的顶煤冒落状态均类似于漏斗状，在煤岩分界位置对的斜率较大，在采空区一侧的斜率较小。模型颗粒间的摩擦系数设定为0.4，支架与颗粒间的摩擦系数设定为0.1，随着采高的增大，在煤矸分界位置的斜率呈现出逐步增大的趋势。当采高为2m时，此时在采空区的煤矸界限明显下凹，此时由于顶煤厚度较大，使得顶煤的流动速度很慢；当采高增大至3m和4.0 m时，此时的放顶煤空间较大，煤岩的分界较为平滑，顶煤的流动速度较大，对于放顶煤较为有利。

图3 不同采高下的顶煤运移规律云图

当采高为2.0 m时，顶煤回收率为78.4%，顶煤中的含矸率为13.6%；而当采高为3.0 m时，顶煤回收率为86.1%，顶煤中的含矸率为8.4%；当采高为4.0 m时，顶煤回收率为84.2%，顶煤中的含矸率为8.7%。可以看出随着采高的增大，顶煤的回收率呈现出先增大后减小的趋势，含矸率也呈现先增大后减小的趋势，当采高为3.0 m时，顶煤回收率和含矸率均为最优值，所以采高的最佳值为3.0 m。

3 结论

1）随着采高的不断的增加，此时应力峰值呈现出先增大后减小的趋势，而应力峰值超前距离随着采高的增加呈现逐步增大的趋势，在采高为3.0 m时应力峰值及峰值超前距离最大。

2）随着距离工作面高度的不断增加，顶煤的水平位移呈现逐步减小的趋势，同时随着采高的不断增加，顶煤的水平位移量最大值呈现先增大后减小的趋势。

3）不同采高下的顶煤冒落状态均类似于漏斗状，当采高为3.0 m时，此时的顶煤回收率和含矸率均为最优值，分别为顶煤回收率为86.1%，顶煤中的含矸率为8.4%。