大采高综采面顶煤合理高度的分析研究

王尧尧

（山西焦煤霍州煤电临汾宏大公司胜利煤业，山西 临汾 041000）

0 引言

目前，中厚煤层开采先后有分层、综放以及大采高综采[1]等采煤工艺，其中，分层综采存在工序多、开采成本高、劳动强度大；综放开采相比于分层开采，地质适应性强、生产成本低、巷道掘进率低[2-3]；而大采高综采回采工艺简单、回采成本低、资源回收率偏低[4]等特点。且经过多年大采高发现，大采高综采工作面容易出现端面冒顶，煤壁片帮，支架稳定性事故率高，这些都对大采高综采工作面开采造成影响[5]。因此，为提高大采高综采工作面的煤炭回收率，本文主要研究不同割煤高度对大采高综采面顶煤的位移和应力分布规律，实现对顶煤留设厚度的合理确定提供参考依据。

1 模型建立及分析

以某大采高工作面为对象，该采区煤层平均厚度6 m，采深423 m，采煤方法选择走向长壁后退式综合机械化，模拟不同采高3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6 m。设立水平纵向模型，具体分析端面顶煤位移和应力的控制效果。

选取工作面推进方向为模型的X 轴，y 轴为竖直方向。其中，y 轴上，直接顶、老顶厚度14.5 m 和18 m，煤层6 m，底板岩层厚度10.8 m；x 轴上，模型150 m，共挖40 m，左右各留有55 m。

以端面顶煤和煤壁为研究对象，老顶、直接顶模拟块度是1 m×2 m 和1 m×0.5 m。为更好地对煤壁片帮模拟，划分垂直裂隙，块度0.25 m×0.25 m，倾角90°。

边界条件以模型范围基础。边界条件设定如下：上部边界，上方载荷和上覆岩重力（∑γh）相关，上部边界条件为应力边界条件[6]：q=∑γh=2 500×9.8×388=9.51 MPa。

下部边界为底板，在y 轴方向固定，即v=0，x 轴方向不固定；左右边界，均为实体煤和岩体，在y 轴方向上不固定，x 轴方向固定，即v=0。

2 综采面顶煤合理高度

2.1 割煤高度对塑性区的分布影响

在实际推进工作面中，不同位置的工作面顶板所受应力会不同，且不同时段相同位置的受力也会有差异[7]。依据顶板受应力和应变特征，可分为弹性区、塑性区及破坏区三个区域[8]，其中，塑性区为支架顶梁上部、煤壁前方一定区间内的顶煤，此范围内原煤岩体新产生的裂隙处于扩展状态，受支架、上覆岩层压力影响，出现塑性变形；弹性区为煤壁前方一定区间以外的顶板，此区间煤岩垂直、水平位移较小，三向应力受力状态；破坏区为支架顶梁尾梁和后部范围的顶煤。先是在支架支撑力、矿压影响下，顶煤向采空区做水平运动，其次受自身重力、上覆岩压力影响，产生裂隙扩展，造成冒落破碎。因此，塑性区属于顶煤从完整到破坏过渡的重要阶段，塑性区变形对顶板控制有着重要影响。不同割煤高度塑性区的变化情况，如图1所示。

图1 不同割煤高度塑性区的变化情况

顶煤塑性区域大小主要是通过变形最大区间一级弹塑性分界线距煤壁的最大距离表征[9]，可显示出顶板产生冒落失稳的最大区间。该图中，当割煤高度不断增加时，两者也随之增加。当割煤高度≤5 m 时，两者与割煤高度成正比变化关系，且变化趋势一致。此外，均在割煤高度5.5 m，塑性区达到最大；当高度是6 m 时，因顶板上方无顶煤，支架上部即是直接顶，使塑性区区间减小。

对于破坏区，增大割煤高度，会减小塑性区煤岩的内摩擦角、摩擦力，扩大塑性破坏范围。依据弹力学，受压破坏单元内部出现剪切破坏，内部受压单元剪切力、张拉力叠加，造成煤壁的严重破坏。

2.2 割煤高度对顶板垂直应力最大值和下沉量的影响

大采高综采工作面端头垂直方向主要为压应力，不同割煤高度垂直应力最大值的变化情况，如图2所示。图2 中，当割煤高度是3.5 m 时，垂直应力是14 MPa；当高度是3.5～4.5 m 时，垂直应力变化较小；当高度是4.5～5.5 m 时，垂直应力变化较大。

图2 不同割煤高度垂直应力最大值的变化情况

采用模拟软件udec，观测线设为水平方向，如图3所示。深入对当距煤壁为0.25、0.75、1.25 m 时，分析顶板垂直应力最大值和下沉量的变化规律，如图4、图5 所示。

图3 水平测点布置示意图

图4 不同割煤高度顶板下沉量变化曲线

图5 不同割煤高度顶板垂直应力最大值变化曲线

图4、图5 中，当割煤高度是3.5 m，上述距煤壁三处位置对应的顶板下沉量依次是1.18、1.21、1.30 m，当距煤壁越大时，会不断增大顶板垂直应力最大值和下沉量，且中部区域一直都是拉伸破坏最严重的位置。当增大割煤高度时，顶板垂直应力最大值和下沉量也不断增大，且变化趋势大致相同，即当割煤高度是3.5～4.5 m 时，顶板垂直应力和下沉量较小，当高度是5.5～6 m 时，顶板垂直应力和下沉量达到最大值。

综述，当增大割煤高度时，减少顶煤留设厚度，当6 m 采高开采时，留设厚度＜1 m，此时深部应力集中点和顶板相距较远，塑性破坏区较小，主要位于顶煤区间内，顶板下沉量也较小；当5.5 m 采高时，留设厚度1.2～1.5 m，此时顶煤严重破碎，应力集中区和顶板相距较近，增大塑性破坏范围，从而也增大顶板下沉量；当5 m 采高时，留设厚度2 m，增加顶煤厚度和承载力，减小破坏区域；当3.5 m 采高时，顶煤产生塑性区，同时，明显降低了冒顶片帮。主要是因为留设厚度是1.5 m 左右时，整体顶煤强度同于上覆岩层压力，达到对顶煤破坏厚度的最大极限，所以，当割煤高度是5～5.5 m 时，冒顶片帮破坏最严重。

因此，当割煤高度是3.5 m 时，顶煤稳定性好，且综采面最大塑性范围为4 m，也就是说顶煤达到塑性区但是无破坏。

3 结论

本文以某大采高工作面为对象，采煤方法选择走向长壁后退式综合机械化，模拟不同采高3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6 m，顶煤的应力和位移分布规律，为合理确定顶煤留设厚度提供参考依据，结论如下：

1）当增加割煤高度时，会减少顶煤留设厚度。当割煤高度是5～5.5 m 时，冒顶片帮较严重，当割煤高度＜4.5 m 或＞5.5 m 时，降低冒顶片帮；当割煤高度是3.5 m 时，显著降低冒顶片帮出现的概率

2）当割煤高度是3.5 m 时，顶煤稳定性好，且综采面塑性区最大范围达到4 m，即顶煤达到塑性区但是无破坏，不仅能够提高煤炭回收率，且降低综采面冒顶片帮事故发生的概率。