大采高綜采面頂煤合理高度的分析研究

王堯堯

（山西焦煤霍州煤電臨汾宏大公司勝利煤業，山西 臨汾 041000）

0 引言

目前，中厚煤層開采先后有分層、綜放以及大采高綜采[1]等采煤工藝，其中，分層綜采存在工序多、開采成本高、勞動強度大；綜放開采相比于分層開采，地質適應性強、生產成本低、巷道掘進率低[2-3]；而大采高綜采回采工藝簡單、回采成本低、資源回收率偏低[4]等特點。且經過多年大采高發現，大采高綜采工作面容易出現端面冒頂，煤壁片幫，支架穩定性事故率高，這些都對大采高綜采工作面開采造成影響[5]。因此，為提高大采高綜采工作面的煤炭回收率，本文主要研究不同割煤高度對大采高綜采面頂煤的位移和應力分布規律，實現對頂煤留設厚度的合理確定提供參考依據。

1 模型建立及分析

以某大采高工作面為對象，該采區煤層平均厚度6 m，采深423 m，采煤方法選擇走向長壁后退式綜合機械化，模擬不同采高3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6 m。設立水平縱向模型，具體分析端面頂煤位移和應力的控制效果。

選取工作面推進方向為模型的X 軸，y 軸為豎直方向。其中，y 軸上，直接頂、老頂厚度14.5 m 和18 m，煤層6 m，底板巖層厚度10.8 m；x 軸上，模型150 m，共挖40 m，左右各留有55 m。

以端面頂煤和煤壁為研究對象，老頂、直接頂模擬塊度是1 m×2 m 和1 m×0.5 m。為更好地對煤壁片幫模擬，劃分垂直裂隙，塊度0.25 m×0.25 m，傾角90°。

邊界條件以模型范圍基礎。邊界條件設定如下：上部邊界，上方載荷和上覆巖重力（∑γh）相關，上部邊界條件為應力邊界條件[6]：q=∑γh=2 500×9.8×388=9.51 MPa。

下部邊界為底板，在y 軸方向固定，即v=0，x 軸方向不固定；左右邊界，均為實體煤和巖體，在y 軸方向上不固定，x 軸方向固定，即v=0。

2 綜采面頂煤合理高度

2.1 割煤高度對塑性區的分布影響

在實際推進工作面中，不同位置的工作面頂板所受應力會不同，且不同時段相同位置的受力也會有差異[7]。依據頂板受應力和應變特征，可分為彈性區、塑性區及破壞區三個區域[8]，其中，塑性區為支架頂梁上部、煤壁前方一定區間內的頂煤，此范圍內原煤巖體新產生的裂隙處于擴展狀態，受支架、上覆巖層壓力影響，出現塑性變形；彈性區為煤壁前方一定區間以外的頂板，此區間煤巖垂直、水平位移較小，三向應力受力狀態；破壞區為支架頂梁尾梁和后部范圍的頂煤。先是在支架支撐力、礦壓影響下，頂煤向采空區做水平運動，其次受自身重力、上覆巖壓力影響，產生裂隙擴展，造成冒落破碎。因此，塑性區屬于頂煤從完整到破壞過渡的重要階段，塑性區變形對頂板控制有著重要影響。不同割煤高度塑性區的變化情況，如圖1所示。

圖1 不同割煤高度塑性區的變化情況

頂煤塑性區域大小主要是通過變形最大區間一級彈塑性分界線距煤壁的最大距離表征[9]，可顯示出頂板產生冒落失穩的最大區間。該圖中，當割煤高度不斷增加時，兩者也隨之增加。當割煤高度≤5 m 時，兩者與割煤高度成正比變化關系，且變化趨勢一致。此外，均在割煤高度5.5 m，塑性區達到最大；當高度是6 m 時，因頂板上方無頂煤，支架上部即是直接頂，使塑性區區間減小。

對于破壞區，增大割煤高度，會減小塑性區煤巖的內摩擦角、摩擦力，擴大塑性破壞范圍。依據彈力學，受壓破壞單元內部出現剪切破壞，內部受壓單元剪切力、張拉力疊加，造成煤壁的嚴重破壞。

2.2 割煤高度對頂板垂直應力最大值和下沉量的影響

大采高綜采工作面端頭垂直方向主要為壓應力，不同割煤高度垂直應力最大值的變化情況，如圖2所示。圖2 中，當割煤高度是3.5 m 時，垂直應力是14 MPa；當高度是3.5～4.5 m 時，垂直應力變化較小；當高度是4.5～5.5 m 時，垂直應力變化較大。

圖2 不同割煤高度垂直應力最大值的變化情況

采用模擬軟件udec，觀測線設為水平方向，如圖3所示。深入對當距煤壁為0.25、0.75、1.25 m 時，分析頂板垂直應力最大值和下沉量的變化規律，如圖4、圖5 所示。

圖3 水平測點布置示意圖

圖4 不同割煤高度頂板下沉量變化曲線

圖5 不同割煤高度頂板垂直應力最大值變化曲線

圖4、圖5 中，當割煤高度是3.5 m，上述距煤壁三處位置對應的頂板下沉量依次是1.18、1.21、1.30 m，當距煤壁越大時，會不斷增大頂板垂直應力最大值和下沉量，且中部區域一直都是拉伸破壞最嚴重的位置。當增大割煤高度時，頂板垂直應力最大值和下沉量也不斷增大，且變化趨勢大致相同，即當割煤高度是3.5～4.5 m 時，頂板垂直應力和下沉量較小，當高度是5.5～6 m 時，頂板垂直應力和下沉量達到最大值。

綜述，當增大割煤高度時，減少頂煤留設厚度，當6 m 采高開采時，留設厚度＜1 m，此時深部應力集中點和頂板相距較遠，塑性破壞區較小，主要位于頂煤區間內，頂板下沉量也較小；當5.5 m 采高時，留設厚度1.2～1.5 m，此時頂煤嚴重破碎，應力集中區和頂板相距較近，增大塑性破壞范圍，從而也增大頂板下沉量；當5 m 采高時，留設厚度2 m，增加頂煤厚度和承載力，減小破壞區域；當3.5 m 采高時，頂煤產生塑性區，同時，明顯降低了冒頂片幫。主要是因為留設厚度是1.5 m 左右時，整體頂煤強度同于上覆巖層壓力，達到對頂煤破壞厚度的最大極限，所以，當割煤高度是5～5.5 m 時，冒頂片幫破壞最嚴重。

因此，當割煤高度是3.5 m 時，頂煤穩定性好，且綜采面最大塑性范圍為4 m，也就是說頂煤達到塑性區但是無破壞。

3 結論

本文以某大采高工作面為對象，采煤方法選擇走向長壁后退式綜合機械化，模擬不同采高3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6 m，頂煤的應力和位移分布規律，為合理確定頂煤留設厚度提供參考依據，結論如下：

1）當增加割煤高度時，會減少頂煤留設厚度。當割煤高度是5～5.5 m 時，冒頂片幫較嚴重，當割煤高度＜4.5 m 或＞5.5 m 時，降低冒頂片幫；當割煤高度是3.5 m 時，顯著降低冒頂片幫出現的概率

2）當割煤高度是3.5 m 時，頂煤穩定性好，且綜采面塑性區最大范圍達到4 m，即頂煤達到塑性區但是無破壞，不僅能夠提高煤炭回收率，且降低綜采面冒頂片幫事故發生的概率。