趙 丹

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046100）

隨著自動化綜采放頂煤技術(shù)的發(fā)展，使得急傾斜煤層的開采得到越來越多的重視[1]。急傾斜煤層的巷道放頂煤采煤法以其工藝簡單、開采效率高的特點，在我國取得了廣泛的應用。同時，由于對巷道放頂煤開采的工藝參數(shù)研究較少，在開采過程中，大多依據(jù)經(jīng)驗進行參數(shù)的選取，并且對于設(shè)計參數(shù)的選取存在不合理處，使得頂煤開采的參數(shù)選取范圍較大，無法實現(xiàn)精確化的開采[2]。其中，開采區(qū)段的高度是進行巷道放頂煤開采的重要參數(shù)，開采區(qū)段高度的數(shù)值對于頂煤的破壞及放出具有直接的影響，采用仿真分析的方式對急傾斜煤層的開采區(qū)段高度的影響作用進行分析，以確定合理的開采高度。

1 巷道放頂煤開采仿真模型的建立

進行巷道放頂煤開采時，開采區(qū)段的高度較大時會影響頂煤的放出，降低頂煤的回收率；開采區(qū)段的高度較小時，雖保證了頂煤的放出及回收，但需要提高相應的巷道掘進率，增加了礦井開采的輔助時間及成本。因此，研究合理的開采區(qū)段高度，可以充分利用煤層的破碎，保證最大程度回收的同時采用最大的開采區(qū)段高度減少礦井的輔助開采作業(yè)，提高礦井的經(jīng)濟效益[3]。

采用FLAC 3D分析軟件對頂煤的破壞進行模擬，F(xiàn)LAC 3D是適用于模擬巖土工程及其他材料的有限差分軟件，在礦山開采、巖土工程中具有廣泛的應用。采用數(shù)值仿真分析的方式，對巷道放頂煤開采時的應力及位移等進行研究，為合理的開采區(qū)段高度選擇提供參考[4]。設(shè)定開采的模型地質(zhì)條件為傾角50°的急傾斜煤層，煤層厚度平均為6.5 m，夾矸層為炭質(zhì)泥巖，局部結(jié)構(gòu)復雜，受急傾斜地質(zhì)構(gòu)造的影響形成的巖層穩(wěn)定性較差，采用巷道放頂煤方式開采，設(shè)定模型的尺寸為44 m×30 m×30 m（長×寬×高），開采巷道30 m，模型周邊限制邊界位移，邊界條件的設(shè)定（如圖1所示）。由此進行模型的網(wǎng)格劃分，得到開采仿真模型。在進行分析過程中，設(shè)定上覆巖層的中立以均布載荷的形式作用在模型上層，選取開采區(qū)段的高度分別為10 m、12 m、14 m、16 m，以此進行區(qū)段高度的影響分析。

圖1 模型邊界條件的設(shè)定

2 開采區(qū)段高度的影響作用仿真分析

2.1 開采區(qū)段高度對變形破壞的仿真

針對四種不同開采區(qū)段高度，得到的煤層的破壞情況（如下頁圖2所示），在進行開采的過程中，煤層破壞的主要形式是剪切破壞，并且沿著巷道的塑形破壞呈現(xiàn)相互不對稱的分布，在側(cè)巷道幫部位置破壞范圍較大[5]。在四種不同的開采高度下，開采高度為10 m時，區(qū)段煤層的塑形破壞區(qū)相互貫穿，破壞效果較好，有利于巷道放頂煤的采出；開采高度為12 m時，塑形破壞的范圍有所減小，但仍保持塑形破壞區(qū)的貫穿，破壞效果也比較好；開采高度為14 m時的情況相似，塑性破壞的范圍繼續(xù)減小，同樣保持貫穿，具有一定的破壞效果；開采高度為16 m時，塑性范圍減小，且無法保持貫穿。由此，隨著開采區(qū)段高度的增加，區(qū)段煤層的變形范圍逐漸減小，造成媒體不易垮落，不能進行有效的采出。依據(jù)煤層的變形破壞分析，開采區(qū)段高度為14 m時具有較好的采出率及工藝簡單性。

圖2 不同區(qū)段高度的煤層破壞變化圖

2.2 開采區(qū)段高度對應力分布的仿真

針對四種不同開采區(qū)段高度，得到的煤層的應力分布情況（如圖3所示），在進行開采的過程中，由于煤層傾角較大，造成巷道兩側(cè)的垂直應力呈現(xiàn)不對稱的分布，其中左側(cè)的應力值要大于右側(cè)應力[6]。在四種不同的開采高度下，開采高度為10 m時，應力集中洗漱為3.0，風巷與運巷的垂直應力范圍相互貫穿，說明此時相互之間的煤層發(fā)生塑性破壞，頂煤垮落，有利于頂煤的回收；開采高度為12 m時，應力集中系數(shù)變化不大，此時的雙巷道之間的垂直應力范圍也相互貫穿，煤層發(fā)生垮落；開采高度為14 m時，應力集中系數(shù)為2.9，稍有減小，但雙巷道之間的垂直應力范圍也保持相互貫穿，煤層發(fā)生垮落；開采高度為16 m時，應力集中系數(shù)為2.6，此時在風巷與運巷的垂直應力范圍沒有形成貫穿，雙巷道之間的煤層存在彈性變形，不能進行充分的垮落，不利于頂煤的開采。依據(jù)煤層的應力分布分析，開采區(qū)段高度為14 m時具有較好的采出率及工藝簡單性。

圖3 不同區(qū)段高度的應力分布變化圖

綜上可知，在開采區(qū)段高度為14 m時，對于煤層的破壞及應力的分布是最為有利的，同時可以簡化煤層開采的工藝。針對開采高度為14 m時巷道的變形進行分析，得到垂直位移特征（如圖4所示），在開采高度為14 m時的巷道圍巖的最大垂直位移為9.5 mm，滿足開采安全的需要。因此，可將最優(yōu)的開采區(qū)段高度確定為14 m。

圖4 14 m開采高度時的垂直位移變化圖

3 結(jié)語

巷道放頂煤開采是進行急傾斜煤層開采的有效方式，在開采過程中的開采區(qū)段高度對于頂煤的回收及煤礦的經(jīng)濟效益具有重要影響。為確定最優(yōu)的開采區(qū)段高度，采用仿真分析的方式，對開采區(qū)段的高度影響作用進行分析，依據(jù)煤層的破壞性和應力的分布變化，確定最優(yōu)化的煤層開采區(qū)段高度。由此可以在保證放頂煤回收率的同時，減少巷道掘進的時間，簡化巷道放頂煤開采的工藝，提高礦井的經(jīng)濟效益。