李秀峰

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.吕梁市国土资源局离石分局，山西吕梁 033000）

朔州党新煤矿4-2+5号煤层顶煤冒放性研究

李秀峰1，2

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.吕梁市国土资源局离石分局，山西吕梁 033000）

以山西朔州平鲁区西易党新煤矿4-2+5号煤层为研究对象，运用RFPA数值模拟软件分析合并煤层顶煤的冒放性。通过模拟初采工作面围岩运移规律以及正规循环作业围岩运移规律，研究顶煤冒放效果。研究结果表明，在党新煤矿所处的地质条件下，采高3.0m，放煤高度2.68m且含有0.83m厚夹矸时，采用综采放顶煤方法冒放效果良好。

夹矸；顶煤冒放性；数值模拟；顶煤运移规律；破坏程度

我国的综合机械化放顶煤开采技术已发展成熟，并取得了广泛应用。综采放顶煤采煤法凭借其产量大、效率高、巷道掘进量和工作面搬家次数大大减少、吨煤成本显著降低以及对复杂地质和煤层赋存状况适应性强等优点已经成为了我国煤矿高产高效开采的主要方法之一。具有鲜明优点的同时，缺点也较为突出。因其上部煤炭由放煤漏斗放出，对含矸率、采出率影响较大，且放煤不完全时剩余的残煤极有可能导致自然发火，是煤矿安全的一大隐患。因此顶煤良好的冒放性是综采放顶煤采煤法的必要条件[1-3]。

本文以山西朔州平鲁区西易党新煤矿4-2+5号煤层为研究对象，4-2号煤层与5号煤层之间有一薄层夹矸。合并开采5号煤层及上部部分夹矸，放4-2号煤层及下部部分夹矸。通过RFPA数值模拟分析两层煤合并开采，且每层之间有一层夹矸时，采用综采放顶煤采煤法是否可行，分别模拟了初次开采放煤状况以及正规循环作业时放煤情况[4-7]。

1 工程地质概况

山西朔州平鲁区西易党新煤矿目前正在开采4-1号煤层，但4-1号煤层大部分已经采空，资源接近枯竭，生产重心将向下部转移。因4-2与5号煤层层间距较小，计划采用综采放顶煤采煤方法合并开采4-2+5号煤层，该合并层平均厚度5.68m，采高3.0m（其中包括5号煤厚1.95m以及5号煤顶板岩层1.05m），放煤高度2.68m（其中包括5号煤顶板上部岩层0.83m以及4-2号煤层1.85m），采放比1∶0.89。4-2号煤层为稳定的全区可采煤层，煤层平均厚度1.85m，赋存结构相对简单，含夹矸层减少为1层，且夹矸岩性多为软弱的泥岩或炭质泥岩；顶板、底板均为泥岩或砂质泥岩。5号煤层为赋存稳定的全区可采煤层，平均厚度1.95m，煤层赋存结构简单，含夹矸0-1层，夹矸岩性多为泥岩或炭质泥岩；顶板为泥岩、砂质泥岩。

2 冒放性RFPA模拟分析

根据党新矿岩石力学参数如表1所示，数值模型尺寸宽为60m，高40m；网格划分为300×200，根据煤层埋深，确定模型垂直应力为5 MPa，两端位移固定，每步开挖0.6m，采用平面应变加载方式。数值模型见图1。

3 初采工作面围岩运移规律模拟

图2为初次开采顶煤垮落过程图，由图2可知，在开采到3.6m时，顶板中央发生小的破坏；开采到6m时，破坏加剧；开采到7.2m时，破坏进一步发展，并有向上发展的趋势；开采达到9m时，破坏范围急剧扩大，并扩展至4-2号煤层底板。同时，4-2号煤顶板也开始发生破坏，随着破坏的发展，破坏程度及破坏范围逐渐扩大，直至局部区域性破坏形成连通，并最终导致顶煤垮落。由此可见，当初次开采到9m时，采煤工作面后方顶煤第一次大面积垮落，由此推测顶煤的初次垮落步距为9m，通过测量初次垮落断裂面的角度，测得顶煤垮落角约为90°。虽然垮落煤块整体偏大，但煤块内部裂隙发育在放煤过程容易破碎，其可放性较好。

4 正规循环作业围岩运移规律模拟

通过RFPA软件模拟初采工作面围岩运动规律确定煤层顶板的破坏范围和顶煤垮落角度，确定正规循环作业时采煤工作面与支架的围岩范围及几何尺寸，即弱化的工作面前方一定距离内煤、岩体的强度，并据此建立正规循环计算模型。图3为正规循环顶煤冒放数值模拟图。

由图3可以看出，回采至1.8m时，顶煤开始发生破坏，顶煤与顶板开始垮落。随着垮落的发展，顶煤破碎范围和程度逐渐扩大，并最终形成工作面支架上方及工作面前方3m范围内的顶煤发生充分破碎。工作面上方及前方3m处顶煤全部破碎，而支架前探梁和主顶梁的长度大于1.8m，支架主顶梁后方的顶煤可以正常放出，因此在支架后方没有悬顶，可以实现正规循环放煤，顶煤的冒放性较好。

图4是工作面顶煤中的应力分布图，可以明显地看出：工作面处于减压区，工作面前方煤壁30m处为增压区，远离30m处为稳压区，其规律符合工作面前方支撑压力的分布规律。分析移动规律可以发现最大主应力出现于在工作面前方4m处，其值为11.4 MPa，为原岩应力的2.2倍，因此应力集中系数2.2，而煤体的强度仅4.76 MPa，夹矸的强度最大7.9 MPa，可见最大主应力远远大于煤体本身和夹矸的强度。因此工作面前方的顶煤及夹矸在集中应力的作用下，呈破碎状态，后期顶煤及夹矸的垮落是前方集中应力压碎后的塑性流动。

5 结论

1）初次开采时，顶煤初次垮落步距9m，工作面推进到9m时顶煤全部垮落。考虑到已受上层煤采动影响，垮落步距应以7m为宜。虽然垮落煤块整体偏大，但煤块内部裂隙发育，在放煤过程容易破碎，其可放性较好。

2）顶板初次来压后的常规开采工作面支架上方及工作面前方3m范围内的顶煤发生充分破碎，支架主顶梁后方的顶煤可以正常放出，在支架后方没有悬顶，可以实现正规循环放煤。

3）工作面处为减压区，工作面前方煤壁30m处为增压区、远离30m处为稳压区，其规律符合工作面前方支撑压力的分布规律。最大主应力出现在工作面前方4m处，其值为11.4 MPa，应力集中系数2.2，而煤体的强度4.76 MPa，夹矸的强度7.9 MPa，集中应力远远大于煤体本身和夹矸的强度，顶煤的破碎性和冒放性较好，可以实现正规循环放煤。

[1]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社，2004.

[2]贾光胜.综放开采顶煤冒放性确定[J].煤炭科学技术，2001,29(7)：42-44.

[3]魏新旭.厚煤层综放开采顶煤冒放性评价的可拓模型建立[J].煤炭科学技术，2013，41(7)：28-31.

[4]毛德兵，姚建国.大采高综放开采适应性研究[J].煤炭学报，2010，35（11）：1937-1841.

[5]万峰，张洪清，韩振国，等.扎赉诺尔矿区Ⅱ3b2煤层顶煤冒放性评价[J].煤矿安全，2010，45(8)：207-209.

[6]李慧，田取珍.上湾煤矿后备区顶煤冒放性数值模拟研究[J].山西煤炭，2009，24(4)：8-10.

[7]王淑军.麻地沟矿开采煤层采煤方法的探讨[J].山西煤炭，2014，34(3)：57-59.

Study on Top Coal Caving of No.4-2+5 Coal Seam in Dangxin Mine of Shuozhou

LI Xiufeng1,2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; (2.Lishi Branch,Bureau of Land and Resources of Lvliang,Lvliang 033000,China)

Taking No.4-2+5 coal seam in Xiyi Dangxin Mine in Shuozhou as the research object, numerical simulation software RFPA was used tostudytop coal cavingofmerged seams.The top cal caving was studied by simulating themovement of surrounding rock of the firstmining face and of normal cycle operation.The results show that,in the geological condition of Dangxinmine,whenmining height is 3.0meters and caving height is 2.68meters with 0.83meters rock parting,the top coal caving has the better effect.

rock parting;top coal caving;numerical simulation;top coalmovement rule;destruction degree

TD823

A

1672-5050（2015）05-0061-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.020

（编辑：薄小玲）

2015-07-01

李秀峰（1970-），女，山西吕梁人，在读工程硕士，工程师，从事矿山压力数值模拟及分析的研究。