傾斜煤層開(kāi)采工藝參數(shù)與頂煤破碎率的相關(guān)性

常選斌

(潞安集團(tuán) 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000)

在我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)存中，傾斜煤層儲(chǔ)量非常豐富，其所占產(chǎn)量的比重也比較大。在我國(guó)各個(gè)礦區(qū)，都存在傾斜煤層，傾斜煤層由于具有一定的傾角，且賦存極其不穩(wěn)定，其開(kāi)采方法一直是采礦技術(shù)中的一項(xiàng)難題［1－3］。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)學(xué)者大量的現(xiàn)場(chǎng)和理論研究發(fā)現(xiàn)，傾斜煤層的頂板垮落和礦壓特征不同于近水平煤層，頂煤和老頂?shù)钠茐奶卣骷皝?lái)壓特征具有一定的特殊性［4，5］。因此，深入研究?jī)A斜煤層頂煤的破壞特征，選擇合理的工作面開(kāi)采工藝就顯得非常具有意義。

為了能更準(zhǔn)確地把握傾斜工作面開(kāi)采中放煤步距、控頂距、采煤機(jī)采高的參數(shù)，本文利用正交分析方法，設(shè)計(jì)出優(yōu)化對(duì)比方案，并利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)，對(duì)某礦工作面回采時(shí)不同開(kāi)采工藝下頂煤的破碎率進(jìn)行對(duì)比，并據(jù)此得出最優(yōu)方案。

1 試驗(yàn)方案的確定

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是研究和處理多因素水平的一種普及的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，它根據(jù)人們對(duì)以往事物在理論和經(jīng)驗(yàn)兩方面的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，并根據(jù)正交性的基本原理，從所有試驗(yàn)方案中分離出一部分具有代表性的方案，并據(jù)此確定出一種規(guī)格化的正交表，這些代表性的方案具有“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分析因式設(shè)計(jì)的主要方法，它能通過(guò)少量的試驗(yàn)工作來(lái)完成大量的試驗(yàn)任務(wù)，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

本次數(shù)值模擬中考慮的因素及其水平：

放煤步距：0．6、1．2、1．8 m

控頂距：3．9、4．9、5．1、5．7 m

采煤機(jī)采高：2．4、2．6、2．8、3．0 m

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法的基本原理，設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)方案12個(gè)，各方案參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬方案參數(shù)

2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

為了能準(zhǔn)確地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，根據(jù)礦井的實(shí)際條件，在參照原有地質(zhì)資料的前提下，通過(guò)井下鉆孔取芯，并在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室精確測(cè)量巖層的物理力學(xué)參數(shù)，得出煤層附近巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖石物理力學(xué)參數(shù)

Flac3D是目前巖土行業(yè)最受歡迎的數(shù)值軟件之一，它是比較古老而又典型的有限差分軟件，自從有限單元法誕生以后，有限元軟件席卷全球，甚至有人預(yù)測(cè)21世紀(jì)是有限元的世紀(jì)，然而，在巖土行業(yè)，尤其是在采礦行業(yè)，有限元軟件的使用遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法替代有限差分軟件的使用。本次數(shù)值計(jì)算采用Flac3D。

為了能真實(shí)反映該礦工作面在不同開(kāi)采工藝條件生產(chǎn)下工作面附近煤層的穩(wěn)定性狀態(tài)，根據(jù)該礦井工作面的生產(chǎn)條件和數(shù)值計(jì)算的建模原則［6］，建立某礦工作面數(shù)值計(jì)算模型(見(jiàn)圖1)。整個(gè)模型的長(zhǎng)度為100 m，寬為20 m，高10 m，其中煤層傾角為25°。模型除上邊界外的5個(gè)邊界面的法向位移固定，上邊界施加3 MPa的均布?jí)毫σ阅M上覆巖層的自重，并施加重力場(chǎng)。

圖1 計(jì)算模型圖

在本次計(jì)算中認(rèn)為初始應(yīng)力場(chǎng)亦為自重應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算過(guò)程中首先進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)的平衡，隨后實(shí)施工作面開(kāi)采的施工模擬。

3 結(jié)果分析

在工作面綜放開(kāi)采中，由于工作面前方支撐壓力的存在會(huì)使工作面前放頂煤發(fā)生破壞以至破碎，利用這種現(xiàn)象，模擬不同方案條件下工作面前放頂煤一定區(qū)域內(nèi)煤體的破壞率，即頂煤宏觀破碎系數(shù)。據(jù)此可知，頂煤宏觀破壞系數(shù)越大，預(yù)示著頂煤的破壞效果越好，回收率也越好。12種方案條件下頂煤的破壞區(qū)域分布圖見(jiàn)圖2。

圖2 不同方案條件下頂煤的破壞區(qū)域分布圖

根據(jù)各種方案條件下工作面煤層的破壞情況可知，不同的開(kāi)采工藝參數(shù)下，工作面頂煤的破壞區(qū)域分布形式和大小不同。在12種方案下，工作面前方煤壁都形成了一定深度的破壞區(qū)，基本都屬于剪切破壞，并且通常頂煤的破壞深度略大于采高煤層，控頂區(qū)域內(nèi)的頂煤全部破壞，基本屬于剪切破壞和拉伸破壞的復(fù)合破壞模式。造成這種破壞的原因是工作面推進(jìn)中，當(dāng)頂煤接近工作面時(shí)首先發(fā)生剪切破壞，當(dāng)工作面推過(guò)時(shí)，立即發(fā)生了拉伸破壞，這種先破壞的巖體破壞過(guò)程長(zhǎng)、破壞次數(shù)多，破壞復(fù)合和疊加加強(qiáng)了頂煤的破壞程度，有利于放煤。對(duì)比分析不同方案下圍巖的破壞分布還可以發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，控頂距大、采高大時(shí)控頂距正上方圍巖破壞要大些。

為了能清楚直觀地分析采高和放煤步距對(duì)頂煤宏觀破碎系數(shù)的影響，繪制了采高和放煤步距的頂煤破碎系數(shù)的相關(guān)性圖(見(jiàn)圖3)。由圖3可知，頂煤宏觀破壞系數(shù)較大的區(qū)域主要分布在3個(gè)部位，分別為圖3中所標(biāo)注的區(qū)域1～3，而在區(qū)域2中，頂煤破壞系數(shù)高達(dá)0．83以上，這個(gè)區(qū)域的限定條件基本為采高2．59 ～2．67 m、放煤步距 0．6 ～0．64m，并且此區(qū)域控頂距的范圍為4．9～5．4 m，此區(qū)域正是方案2所在區(qū)域。

圖3 采高、放煤步距與頂煤破壞系數(shù)相關(guān)性圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在考慮影響綜放工作面頂煤放出率因素(放煤步距、采高、控頂距)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出具有代表性的12種試驗(yàn)方案，并利用國(guó)際大型巖土工程數(shù)值計(jì)算軟件，研究?jī)A斜工作面開(kāi)采的圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)演變規(guī)律，研究頂煤宏觀破壞系數(shù)與放煤步距、采高和控頂距的相關(guān)性，得出某礦傾斜工作面開(kāi)采合理參數(shù)范圍為放煤步距0．6 ～0．64m、采高2．59 ～2．67m、控頂距4．9～5．4 m，并據(jù)此確定出某礦傾斜工作面開(kāi)采最優(yōu)工藝參數(shù)為：采高 2．6 m，放煤步距 0．6 m，控頂距5．1 m。

［1］ 高曉旭，邵小平．急傾斜煤層大段高開(kāi)采圍巖變形數(shù)值模擬研究［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保．2009，36(5)：21－24．

［2］ 魏思祥，宋錦虎，靖洪文．傾斜煤層動(dòng)壓巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的數(shù)值分析［J］．金屬礦山．2012，429(3)：37－41．

［3］ 溫彥良，常來(lái)山，張宏偉．急傾斜煤層頂板垮落過(guò)程的RFPA數(shù)值模擬研究［J］．中國(guó)礦業(yè)．2011，20(1)：111－116．

［4］ 蔡美峰，何滿潮，劉東燕．巖石力學(xué)與工程［M］．北京：科學(xué)出版社，2002：95－97．

［5］ 錢銘高，石平五．礦山壓力與巖層控制［M］．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003：142－143．

［6］ Itasca Consulting Group，Inc．USA．FLAC3D［M］．Fast Lagranginan Analysis of Continua in 3 Dimensions，version 3．0，User’s Manual．