淺埋深特厚煤層綜放采場影響頂煤破碎因素分析

劉寧

摘 要：針對平朔礦區4號煤層的實際賦存情況，研究淺埋深特厚煤層綜放開采時，為提高其在綜放開采過程中頂煤冒放性，運用FLAC 3D數值試驗，采用正交試驗方法，對影響頂煤破壞的煤厚、埋深、工作面長度、支架支撐力和煤單軸抗壓強度等五個因素進行試驗，研究結果為：得出了各個因素對頂煤破壞的影響規律;頂煤破壞綜合指標定義是合理的。通過改變可變因素的數值大小，可有效提高頂煤冒放性，為實際綜放開采提高回采率提供參考。

關鍵詞：綜放采場;頂煤破碎;FLAC 3D

中圖分類號：TD355 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2021）36-0066-04

The Analysis of Factors Affecting Top Coal Breakage in Fully Mechanized Caving Stope of Shallow Deep and Thick Coal Seam

LIU Ning

（Equipment installation branch of China Coal Pingshuo Development Group Co. ，Ltd， Shuozhou Shanxi 036001）

Abstract：In view of the actual occurrence of No.4 coal seam in Pingshuo mining area，this paper studies the length of the working face with thick buried depth which affects the failure of top coal in order to improve the caving ability of top coal in fully mechanized caving mining of shallow and thick coal seam Five factors，such as support support force and coal uniaxial compressive strength，are tested.The results are as follows：the influence law of each factor on top coal failure is obtained.The comprehensive index definition of top coal failure is reasonable.By changing the value of variable factors，the caving property of top coal can be improved effectively，which provides reference for improving recovery rate of fully mechanized caving mining in practice.

Keywords：fully-mechanized sublevel caving face;top coal damage;FLAC 3D

依據放頂煤開采相關理論，頂煤的冒放性是決定放頂煤開采回采率的關鍵所在，而提高頂煤的冒放性的前提條件是必須保證頂煤能有效破碎[1]。

依據對綜放開采中頂煤冒落相關研究規律，頂煤冒落受諸多因素影響，既有內部因素，也有外部因素。其中，影響頂煤冒放性主要因素有煤層埋藏深度、煤層強度、煤層厚度、支架初撐力和工作面長度布置等。

煤層賦存深度直接影響著原巖應力的大小，煤層埋藏深度越深，煤層內的原巖應力值越大，頂煤越容易碎裂，頂煤的冒放性越好。

頂煤較薄時，會隨采隨冒，有利于提高煤炭回收率。隨著頂煤厚度越大，上部頂煤將很難得到充分松動破碎，冒放性變差。

煤層的抗壓強度愈大，其內摩擦角和黏結系數愈大，其穩定性越強，越不容易碎裂，影響頂煤冒放性。

按煤層開采理論，工作面礦山壓力隨著工作面長度變長而變大，隨之，頂煤越容易破碎[2]，支架上的頂煤冒放性越好。

綜放開采支架對頂煤有雙重作用，保證有安全可靠的工作空間和擠壓頂煤使其產生水平膨脹的破碎作用，使頂煤的破壞得到充分發展[3]。在保證綜采面安全的前提下，合理調小支架工作阻力，可使煤壁的頂煤變形增大，促進頂煤破碎;合理調大支架支撐力，支架后方頂煤變形量增大，有利于支架后方頂煤的冒放性[4]。

本文針對平朔礦區4號煤層的實際賦存情況，研究淺埋深特厚煤層綜放開采時，為提高其在綜放開采過程中頂煤冒放性，運用FLAC 3D數值試驗，采用正交試驗方法，對影響頂煤破壞的煤厚、埋深、工作面長度、支架支撐力和煤單軸抗壓強度等五個因素進行試驗，研究其對頂煤破碎影響程度的規律。

1 地質概況

平朔礦區采取露井聯合開采，對露天開采排土場下壓煤的進行井工開采，極大提高了礦區資源綜合回收率，針對采區4號煤層埋深范圍為112～170 m，煤層平均厚度為12.2 m，賦存穩定，煤層單軸抗壓平均強度為34.6 MPa，單軸抗拉強度平均為1.85 MPa，屬淺埋深、特厚、堅硬煤層。煤層為富灰低硫;含夾矸3～5層，夾矸厚度為0.02～0.25 m，矸石巖性多為炭質泥巖、粉砂巖及砂質泥巖。直接頂為粗砂巖，厚度范圍為7.53～11.28 m，平均厚度9.44 m。基本頂為砂質泥巖，厚度范圍為4.2～6.2 m，平均厚度5.77 m。

2 試驗方案與分析

正交試驗法具有用部分試驗代表全部試驗的優點，試驗中正交表具有正交性、代表性和綜合可比性等基本性質[5-6]。本文采用正交試驗法研究與分析所選的5個因素分別對頂煤破碎程度的影響。

2.1 試驗方案

基于平朔礦區4號煤層特點件，依據綜放開采理論，研究分析表1中5個因素變化對綜放采場頂煤破碎的影響規律，5個因素分別取以下試驗值，見表1。

2.2 試驗模型

采用FLAC 3D數值模擬平朔礦區4號煤層在綜放開采過程中頂煤的應力分布和碎裂規律。

試驗模擬采面推進長度245 m，煤層底板取30 m，上覆巖層作為模擬的頂板，垂直應力均為上覆巖層的原巖應力γH（γ為上覆巖層平均容量，H為巖塊所在位置離地表的深度），兩側順槽副幫取30 m煤柱。試驗中每次均割煤5 m，開采高度3.0 m，采用正交試驗法列出25個模型方案，見表2。

2.3 采空區模擬

采空區冒落的矸石可認為是松散的，對煤層頂板起彈性支撐作用。隨著回采，采空區矸石被上覆巖層被壓實，泊松比μ、彈性模量E均隨著回采距離和時間構成式（1）、式（2）。

[E=15+1751-e-1.25t] ? ? ?（1）

[μ=0.05+0.21-e-1.25t] ? ? （2）

碎脹系數受上覆巖壓力影響，關系為式（3）。

[K=alnp+b] ? ? ? （3）

式（3）中，P為上覆巖層壓力，碎脹系數為K，a和b為回歸系數。

結合平朔礦區4號煤層的實際巖層賦存情況，依據采空區內冒落巖石的力學特征及其隨時間變化的規律，取試驗中采空區冒落巖石的各類物理力學的參數見表3。

2.4 頂煤破壞性評價指標和方法

回采過程中，工作面煤壁前方支承壓力在整個回采過程中表現為先增后降狀態。根據庫侖-摩爾強度理論，頂煤各單元的破碎系數定為Z。

[Z=Δσ1Rc+1+sinφ1-sinφΔσ3] ? ? ?（4）

式（4）中，Rc為頂煤單軸抗壓強度，MPa;[Δσ3]為煤壁前支承壓力峰值后的最小主應力降低量，MPa;[Δσ1]為最大主應力降低量，MPa;φ為頂煤內摩擦角。

將Zi加權平均，得出支架控頂區域煤體的整體破壞指標值Y，如式（5）所示。

[Yi=i=1i=nZiAi/i=1i=nAi] ? ? ?（5）

式（5）中，Ai為單元面積，Zi為頂煤單元破壞系數，Yi為頂煤的綜合破壞指標，i為單元編號。

2.5 試驗結果及分析

2.5.1 試驗結果。由式（5）計算出25個方案的頂煤破壞指標，見表4。

2.5.2 各因素對標Y的影響規律。按各因素的不同水平進行分組，求得各組在控頂區內的Y值，如表5所示。

5個因素均作一元回歸分析，得出以下規律，如圖1至圖5所示。

由圖1可知，頂煤破壞指標隨著埋深增大呈對數規律增加。圖2為頂煤破壞指標隨著煤層厚度增大呈二次多項式規律變化。由圖3可知，頂煤破壞指標隨著工作面長度增加呈對數規律增加。由圖4可知為頂煤破壞指標隨著煤體單軸強度的增加呈負指指數規律下降。由圖5可知，頂煤破壞指標隨著支架工作阻力的增大呈先下降后上升的二次多項式規律變化。

2.5.3 各因素對頂煤破壞綜合指標Y的影響程度。采用極差分析方法，計算5個因素對綜采工作面頂煤破壞影響的極差值。

煤厚RM=0.53-0.494=0.036;

埋深RH=0.654-0.290=0.364;

工作面長度RL=0.58-0.406=0.174;

支架工作阻力RP=0.554-0.496=0.058;

煤單軸抗壓強度RRc=0.702-0.394=0.308。

極差值的大小反映了各因素對頂煤破壞綜合指標影響程度的大小，對5個因素的極差值排序：煤厚RM<支架工作阻力RP<切眼長度RL<煤體強度RRc<埋深RH。

3 結論

根據平朔礦區4號煤層實際特點，經試驗研究，煤層賦存深度H、煤層厚度M、工作面長度L、煤的強度Rc和支架支撐力P等5個因素對Y值影響規律，可得出。

①5個因素對Y值影響程度大小排序：煤厚RM<支架工作阻力RP<切眼長度RL<煤體強度RRc<埋深RH。

②運用多元回歸分析的方法，可得出煤厚M、埋深H、切眼長度L、支架工作阻力P和煤體強度Rc對綜放采場頂煤破壞指標Y的關系為：

Y=0.382 9+0.000 97H-0.006 5M+0.000 47L-0.017 5Rc-0.000 002P

③根據煤層賦存條件，合理選擇本試驗選用的各因素參數值，可有效提高頂煤冒放性，為礦井高產高效開采提供可行的參考。

參考文獻：

[1] 毛德兵.綜放工作面頂煤破壞規律的研究[D].北京：煤炭科學研究總院，1997.

[2] 繆協興，錢鳴高.超長綜放工作面覆巖關鍵層破斷特征及對采場礦壓的影響[J].巖石力學與工程學報，2003（1）：45-47.

[3] 賈喜榮.巖石力學與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2010.

[4] 王敏.大采高放頂煤采場結構及圍巖控制研究[D].太原：太原理工大學，2011.

[5] 張萬濤，余宏明.正交試驗設計方法在庫岸滑坡敏感性分析中的應用[J].安全與環境工程，2009（5）：13-16.

[6] 趙選民，徐偉，師義民.數理統計[M].北京：科學出版社，2002.