大采高综放开采顶煤运移规律的数值模拟研究

董 波

（山西西山晋兴能源有限责任公司，山西 吕梁 030600）

煤炭是我国重要的基础能源和化工原料，在我国能源消耗中占据70%以上的比例。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%，所以对厚煤层的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，分层开采的效率较低，大采高综放开采对于顶板岩性要求较高，均存在一定的弊端，相较而言综放开采具有高产高效的特点，但其煤量损失仍较大，所以如何提升顶煤的回收率对于综放开采十分重要[1-2]。本文以斜沟矿23113工作面为工程背景，基于理论分析结合数值模拟的研究手法对不同开采条件下煤岩运移规律进行研究，为实现高效综放开采提供参考与借鉴。

1 矿井概况

斜沟矿位于山西省兴县北50 km处，矿井面积约88.6 km2，矿井设计生产能力15.0 Mt/年，现主要开采2号、8号煤层。23113工作面现主要开采山西组2号煤层，煤层的平均厚度为4.9 m，属于厚煤层。

2 理论分析及模型构建

厚煤层综放工作面放顶煤的变形较为复杂，破坏形式主要由开采技术及煤层覆存条件所决定，因此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[3]。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，对顶煤的破坏也就越明显，更有利于顶煤的放出[4]。采高同样是对顶煤冒放重要的影响因素，为了研究不同开采工艺下的顶煤冒放情况，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。

结合斜沟矿23113工作面实际地质情况，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，基于此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，根据地质实际情况对力学参数进行设定，具体岩层力学参数如表1所示。

表1 具体岩层力学参数表

3 模拟计算

完成岩层参数设定后，分别对采高为2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m情形进行模拟研究，给出不同采高下垂直应力峰值变化曲线，如图1所示。

图1 不同采高下垂直应力峰值变化曲线

从图1可以看出，随着采高的不断增加，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，应力峰值出现在工作面前方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4.0 m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，最小值出现在工作面前方5.9 m的位置。

由此可以看出，当机采高度为3.0 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3.0 m时，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3.0 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。

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，以监测顶煤的水平位移情况，绘制顶煤位移曲线如图2所示。

图2 顶煤水平位移曲线

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的最大值最小，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和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和4.0 m时，顶煤的水平位移量变化趋势较为剧烈。由此可以得出，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。

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和4.0 m情况下顶煤的运移规律，模拟结果图如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，在煤岩分界位置处的斜率较大，在采空区一侧的斜率较小。将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，在煤矸分界位置处的斜率呈现出逐步增大的趋势，当采高为2.0 m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3.0 m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。不同采高下的顶煤的含矸率和回收率如表2所示。

图3 不同采高下的顶煤运移规律云图

表2 不同采高下的顶煤的含矸率和回收率

从表2可以看出，当采高为2.0 m时，此时的顶煤回收率为78.4%，顶煤中的含矸率为13.6%；当采高为3.0 m时，此时的顶煤回收率为86.1%，顶煤中的含矸率为8.4%，采高为4.0 m时，此时的顶煤回收率为84.2%，顶煤中的含矸率为8.7%。由此可以看出，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，此时的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。

4 结论

1）随着采高的不断加，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，顶煤回收率为86.1%，顶煤中的含矸率为8.4%。