放顶煤开采中顶煤破坏影响因素分析

2022-01-24范文东

山西冶金 2021年5期

范文东

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西长治 046100）

厚煤层是我国主要的煤层存在形式，目前采用放顶煤的方式开采厚煤层，因其具有工艺简单、回采率高等特点，已成为厚煤层开采的主要方式。厚煤层的放顶煤开采主要通过采煤机对底部煤层进行开采，再由输送机将煤炭运出，由于形成的采空区受到上覆岩层的压力作用，顶煤易破碎，因此，通过液压支架的放煤口将破碎顶煤放出，从而实现厚煤层的开采。

顶煤的破碎量是决定放顶煤开采效率的重要因素，顶煤的破碎受到开采过程中多种因素的影响，包括顶板条件、液压支架的支撑作用等[1]。然而，对于顶煤的破碎需要进行大量的现场试验才能确定其变形破碎规律。若进行大量的技术实验，不仅成本较大，并且研究的周期较长，无法在现场进行有效实施，因此，采用数值仿真分析的方式对顶煤的破碎规律进行分析，以此来优化现场实施工艺参数，提高顶煤的破碎率，从而提高放顶煤开采的效率[2]。

1 顶煤厚度对破碎率的影响分析

放顶煤开采过程中，顶煤的厚度对破碎率具有直接影响，顶煤厚度过大会使得破碎效果有限，而厚度过小时，则会限制开采效率。通过采用FLAC分析软件对顶煤的破碎情况进行仿真模拟，以此分析顶煤厚度对顶煤破碎率的影响。

采用FLAC分析中的应变软化来对煤岩层的破碎进行模拟。根据岩层呈现的脆性破坏形式，建立煤岩层的模型，其组成包括粗砂岩、细砂岩、泥煤、细沙岩泥等，设定各个组成成分的厚度及相应的物理参数，以此对顶煤的厚度进行分析；设定直接顶的厚度分别为3.5 m、5 m、7.5 m，以此对顶煤的破碎情况进行模拟分析[3]。

经过FLAC仿真运算，得到顶煤厚度分别为3.5m及5 m时的顶煤塑性区分布及破坏系数分布，如图1、图2所示。从图1、图2中可以看出，当顶煤厚度为3.5 m时，顶煤的弹性区直径为1 m，弹性区主要分布在支架顶梁的前方位置处，与顶煤厚度为5 m时的塑性变形区分布一致，这说明在支架顶梁上方位置处的顶煤的破碎性有所增加[4]，有利于顶煤的放出；上方的顶煤破碎系数为0.72～1.25，略大于顶煤厚度为5 m时的破碎系数，整个区域的综合破碎系数也相对较大，这说明顶煤厚度较低时，顶煤没有形成垫层效应，顶煤的破碎效果较好，有利于顶煤的放出。

图1 顶煤厚度为3.5 m

图2 顶煤厚度为5 m

顶煤厚度为7.5 m时，顶煤的塑性区分布及破坏系数如下页图3所示，从图3可以看出，在顶煤厚度增加后，顶煤形成垫层效应，对于下位顶煤的破碎造成一定影响。顶煤的弹性区增加为较大的椭圆形区域，支架上方的顶煤破碎效果减弱，而整个区域的破碎系数中，前方顶的破碎系数有所增加[5]，这是由于随着顶煤厚度的增加，支架的承载压力相应增加，从而使得顶煤的破碎系数增加。由于液压支架的压力导致前方顶的破碎系数增加，这将不利于工作面的稳定，会对工作面的顶板及煤壁支护造成一定的困难，因此，通过应减小顶煤的厚度来避免发生冒顶等安全事故。

图3 顶煤厚度为7.5 m

通过上述的分析可知，在放顶煤开采中，顶煤的厚度增加会造成顶煤的垫层效应，并且随着厚度的增加，作用越明显，表现为支架的前方顶弹性区域增加，并且破碎效果较差的顶煤容易造成放煤口的堵塞，不利于顶煤的放出，因此，应对开采的顶煤厚度进行相应控制，以避免垫层效应的积聚。

2 支架支撑作用对破碎率的影响分析

放顶煤开采过程中离不开液压支架的支撑作用，顶煤在支架连续的加压、卸压过程破坏了煤层的连续性，增加了煤层的破碎率。液压支架的反复作用，使得煤层的塑性变形区增加[6]，在煤层厚度为5 m的情况下，对实施支架支撑作用后的煤层的破碎情况进行模拟，得到如图4所示的塑性变形分布及破坏系数分布情况。

从图4中可以看出，支架的连续支撑作用使得塑性变形区增大，提高了煤层的破坏系数，同时，塑性变形区的分布规律与上述分析一致，这表明支架的支撑作用没有改变煤壁的稳定性，有利于煤层的开采。由于煤层矸石的不同，其对煤层的破碎性具有重要影响，在夹矸的情况下，因矸石的塑性相对较差，使得支架的支撑作用受限，降低了顶煤的破碎性。在这种情况下，可以对顶煤的液压支架进行多次操作，以提高矸石的破碎性，从而利于顶煤的放出。