浅埋深特厚煤层综放采场影响顶煤破碎因素分析

刘宁

摘 要：针对平朔矿区4号煤层的实际赋存情况，研究浅埋深特厚煤层综放开采时，为提高其在综放开采过程中顶煤冒放性，运用FLAC 3D数值试验，采用正交试验方法，对影响顶煤破坏的煤厚、埋深、工作面长度、支架支撑力和煤单轴抗压强度等五个因素进行试验，研究结果为：得出了各个因素对顶煤破坏的影响规律;顶煤破坏综合指标定义是合理的。通过改变可变因素的数值大小，可有效提高顶煤冒放性，为实际综放开采提高回采率提供参考。

关键词：综放采场;顶煤破碎;FLAC 3D

中图分类号：TD355     文献标识码：A     文章编号：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

依據放顶煤开采相关理论，顶煤的冒放性是决定放顶煤开采回采率的关键所在，而提高顶煤的冒放性的前提条件是必须保证顶煤能有效破碎[1]。

依据对综放开采中顶煤冒落相关研究规律，顶煤冒落受诸多因素影响，既有内部因素，也有外部因素。其中，影响顶煤冒放性主要因素有煤层埋藏深度、煤层强度、煤层厚度、支架初撑力和工作面长度布置等。

煤层赋存深度直接影响着原岩应力的大小，煤层埋藏深度越深，煤层内的原岩应力值越大，顶煤越容易碎裂，顶煤的冒放性越好。

顶煤较薄时，会随采随冒，有利于提高煤炭回收率。随着顶煤厚度越大，上部顶煤将很难得到充分松动破碎，冒放性变差。

煤层的抗压强度愈大，其内摩擦角和黏结系数愈大，其稳定性越强，越不容易碎裂，影响顶煤冒放性。

按煤层开采理论，工作面矿山压力随着工作面长度变长而变大，随之，顶煤越容易破碎[2]，支架上的顶煤冒放性越好。

综放开采支架对顶煤有双重作用，保证有安全可靠的工作空间和挤压顶煤使其产生水平膨胀的破碎作用，使顶煤的破坏得到充分发展[3]。在保证综采面安全的前提下，合理调小支架工作阻力，可使煤壁的顶煤变形增大，促进顶煤破碎;合理调大支架支撑力，支架后方顶煤变形量增大，有利于支架后方顶煤的冒放性[4]。

本文针对平朔矿区4号煤层的实际赋存情况，研究浅埋深特厚煤层综放开采时，为提高其在综放开采过程中顶煤冒放性，运用FLAC 3D数值试验，采用正交试验方法，对影响顶煤破坏的煤厚、埋深、工作面长度、支架支撑力和煤单轴抗压强度等五个因素进行试验，研究其对顶煤破碎影响程度的规律。

1 地质概况

平朔矿区采取露井联合开采，对露天开采排土场下压煤的进行井工开采，极大提高了矿区资源综合回收率，针对采区4号煤层埋深范围为112～170 m，煤层平均厚度为12.2 m，赋存稳定，煤层单轴抗压平均强度为34.6 MPa，单轴抗拉强度平均为1.85 MPa，属浅埋深、特厚、坚硬煤层。煤层为富灰低硫;含夹矸3～5层，夹矸厚度为0.02～0.25 m，矸石岩性多为炭质泥岩、粉砂岩及砂质泥岩。直接顶为粗砂岩，厚度范围为7.53～11.28 m，平均厚度9.44 m。基本顶为砂质泥岩，厚度范围为4.2～6.2 m，平均厚度5.77 m。

2 试验方案与分析

正交试验法具有用部分试验代表全部试验的优点，试验中正交表具有正交性、代表性和综合可比性等基本性质[5-6]。本文采用正交试验法研究与分析所选的5个因素分别对顶煤破碎程度的影响。

2.1 试验方案

基于平朔矿区4号煤层特点件，依据综放开采理论，研究分析表1中5个因素变化对综放采场顶煤破碎的影响规律，5个因素分别取以下试验值，见表1。

2.2 试验模型

采用FLAC 3D数值模拟平朔矿区4号煤层在综放开采过程中顶煤的应力分布和碎裂规律。

试验模拟采面推进长度245 m，煤层底板取30 m，上覆岩层作为模拟的顶板，垂直应力均为上覆岩层的原岩应力γH（γ为上覆岩层平均容量，H为岩块所在位置离地表的深度），两侧顺槽副帮取30 m煤柱。试验中每次均割煤5 m，开采高度3.0 m，采用正交试验法列出25个模型方案，见表2。

2.3 采空区模拟

采空区冒落的矸石可认为是松散的，对煤层顶板起弹性支撑作用。随着回采，采空区矸石被上覆岩层被压实，泊松比μ、弹性模量E均随着回采距离和时间构成式（1）、式（2）。

[E=15+1751-e-1.25t]      （1）

[μ=0.05+0.21-e-1.25t]     （2）

碎胀系数受上覆岩压力影响，关系为式（3）。

[K=alnp+b]       （3）

式（3）中，P为上覆岩层压力，碎胀系数为K，a和b为回归系数。

结合平朔矿区4号煤层的实际岩层赋存情况，依据采空区内冒落岩石的力学特征及其随时间变化的规律，取试验中采空区冒落岩石的各类物理力学的参数见表3。

2.4 顶煤破坏性评价指标和方法

回采过程中，工作面煤壁前方支承压力在整个回采过程中表现为先增后降状态。根据库仑-摩尔强度理论，顶煤各单元的破碎系数定为Z。

[Z=Δσ1Rc+1+sinφ1-sinφΔσ3]      （4）

式（4）中，Rc为顶煤单轴抗压强度，MPa;[Δσ3]为煤壁前支承压力峰值后的最小主应力降低量，MPa;[Δσ1]为最大主应力降低量，MPa;φ为顶煤内摩擦角。

将Zi加权平均，得出支架控顶区域煤体的整体破坏指标值Y，如式（5）所示。

[Yi=i=1i=nZiAi/i=1i=nAi]      （5）

式（5）中，Ai为单元面积，Zi为顶煤单元破坏系数，Yi为顶煤的综合破坏指标，i为单元编号。

2.5 试验结果及分析

2.5.1 试验结果。由式（5）计算出25个方案的顶煤破坏指标，见表4。

2.5.2 各因素对标Y的影响规律。按各因素的不同水平进行分组，求得各组在控顶区内的Y值，如表5所示。

5个因素均作一元回归分析，得出以下规律，如图1至图5所示。

由图1可知，顶煤破坏指标随着埋深增大呈对数规律增加。图2为顶煤破坏指标随着煤层厚度增大呈二次多项式规律变化。由图3可知，顶煤破坏指标随着工作面长度增加呈对数规律增加。由图4可知为顶煤破坏指标随着煤体单轴强度的增加呈负指指数规律下降。由图5可知，顶煤破坏指标随着支架工作阻力的增大呈先下降后上升的二次多项式规律变化。

2.5.3 各因素对顶煤破坏综合指标Y的影响程度。采用极差分析方法，计算5个因素对综采工作面顶煤破坏影响的极差值。

煤厚RM=0.53-0.494=0.036;

埋深RH=0.654-0.290=0.364;

工作面长度RL=0.58-0.406=0.174;

支架工作阻力RP=0.554-0.496=0.058;

煤单轴抗压强度RRc=0.702-0.394=0.308。

極差值的大小反映了各因素对顶煤破坏综合指标影响程度的大小，对5个因素的极差值排序：煤厚RM<支架工作阻力RP<切眼长度RL<煤体强度RRc<埋深RH。

3 结论

根据平朔矿区4号煤层实际特点，经试验研究，煤层赋存深度H、煤层厚度M、工作面长度L、煤的强度Rc和支架支撑力P等5个因素对Y值影响规律，可得出。

①5个因素对Y值影响程度大小排序：煤厚RM<支架工作阻力RP<切眼长度RL<煤体强度RRc<埋深RH。

②运用多元回归分析的方法，可得出煤厚M、埋深H、切眼长度L、支架工作阻力P和煤体强度Rc对综放采场顶煤破坏指标Y的关系为：

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

③根据煤层赋存条件，合理选择本试验选用的各因素参数值，可有效提高顶煤冒放性，为矿井高产高效开采提供可行的参考。

参考文献：

[1] 毛德兵.综放工作面顶煤破坏规律的研究[D].北京：煤炭科学研究总院，1997.

[2] 缪协兴，钱鸣高.超长综放工作面覆岩关键层破断特征及对采场矿压的影响[J].岩石力学与工程学报，2003（1）：45-47.

[3] 贾喜荣.岩石力学与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.

[4] 王敏.大采高放顶煤采场结构及围岩控制研究[D].太原：太原理工大学，2011.

[5] 张万涛，余宏明.正交试验设计方法在库岸滑坡敏感性分析中的应用[J].安全与环境工程，2009（5）：13-16.

[6] 赵选民，徐伟，师义民.数理统计[M].北京：科学出版社，2002.