近距離煤層聯合開采的通風阻力測試及圍巖破壞規律研究

徐云龍 楊 棟 康志勤

(太原理工大學采礦工藝研究所，山西 太原 030024)

近距離煤層聯合開采的通風阻力測試及圍巖破壞規律研究

徐云龍 楊 棟 康志勤

(太原理工大學采礦工藝研究所，山西 太原 030024)

近年來，隨著煤層開采深度的增加，深部的煤層組正在逐漸成為各煤礦的主產煤層。與單一煤層開采不同，由于部分煤層的厚度較小，且各煤層之間的間距也較小，因此多采用多煤層聯合開采的方式布置。本研究通過對某礦井近距離煤層開采條件下的通風阻力參數的測試結果進行理論分析，確定該煤礦在工作面回風巷與上部已采封閉工作面存在嚴重漏風現象。通過數值模擬技術，對該礦地質條件下近距離煤層礦壓規律進行數值分析，經分析發現近距離煤層應力互相影響造成的破壞區主要集中在巷道端頭附近的位置，由于破壞區的存在必然會出現漏風現象，通過數值模擬所得到的結果與現場實測的情況相符。通過對圍巖的破壞規律的分析，認識到近距離煤層開采時出現的問題，為類似地質條件下的安全生產提供了可靠地參考依據。

近距離 通風阻力 數值分析 圍巖破壞

近年來，隨著煤層開采深度的增加，深部的煤層組正在逐漸成為各煤礦的主產煤層。與單一煤層開采不同，由于部分煤層的厚度較小，且各煤層之間的間距也較小，因此多采用多煤層聯合開采的方式布置；下部煤層開采時，其圍巖是在上部煤層開采擾動后的巖層，頂板圍巖和側幫已經經歷了一次壓力顯現作用，局部應力集中區出現張拉破壞，從而造成通風阻力增加，漏風嚴重的現象出現[1]。當這些煤層為易燃煤層時，更是增加了該類礦井的煤自燃的風險。因此，對這類礦井的通風阻力進行觀測，結合頂底板礦山壓力的分析，可以揭示該類條件下的頂底板破壞規律，為這類礦井的安全生產和正常的通風提供理論指導。

1 概 況

孫家溝煤礦位于河東煤田北段，區內穩定可采煤層為11#煤和13#煤。11#煤層位厚度最大2.46 m,最小1.75 m，平均2.19 m。13#煤層上距11#煤層14 m左右,煤層厚度最大15.45 m，最小7.35 m，平均13.05 m。采煤方法11#煤為綜采一次采全高，13#煤為綜采放頂煤采煤法，其中開采高度為3 m。工作面布置方式為雙層煤重疊布置，即11#煤的順槽位于13#煤層的正上部，2個工作面聯合開采。11#煤開采時開始掘進13#煤工作面順槽，11#煤采完后即進入下部13#開采。目前主采面為11#煤層的11101工作面和13#煤層13307的工作面，通風巷道采用交錯布置，即11101的進風巷位于13307回風巷上方， 11101工作面的回風巷位于13307工作面進風巷上方。在11101工作面采完進行封閉轉入13307工作面的過程中，發現13307工作面通風阻力驟增，通風困難，為此，對該礦井的通風阻力進行了測試，并對其頂底板的巖層破壞規律采用數值模擬方法進行了研究。

2 通風阻力測試及分析

根據現場情況，選擇12個測試點進行通風參數的測試，分別為11101進風順槽管口，11101進風順槽口，11101回風順槽管口，11101回風順槽管口，13307進風順槽960 m，13307進風順槽660 m，13307進風順槽330 m，13307進風端頭，13307回風順槽70 m，13307回風順槽360 m，13307回風順槽690 m，13307回風順槽口。分別測試各測點的靜壓，溫度，濕度以及該點斷面處的風速，結合孫家溝煤礦地質資料、測點標高進行數據的分析整理。測試所用設備為CZC5通風阻力參數測試儀，精密氣壓計，高、中、微速風表和U型管。

將第1 d測試結果匯總整理得到各測點的全壓柱狀圖，見圖1。

圖1 第1 d全壓柱狀圖

由于工作面向前推進，8號，9號2個測點第2 d后不再觀察，接下來幾天，余下測點的全壓曲線依次如圖2～圖4。

正常情況下,礦井巷道的空氣在重力作用下,由入口到出口逐漸降低。

圖2 第2 d全壓柱狀圖

圖3 第3 d全壓柱狀圖

圖4 第4 d全壓柱狀圖

(1)比較全壓柱狀圖1～圖4可以清晰地看出目前13307工作面通風系統存在異常，分析其原因，主要是由于11101工作面與13307工作面僅相隔20 m左右，在11#煤開采完成后，底板已經存在一定的破壞，在下部13#煤開采時，勢必造成沿頂板的漏風，所以，在下部13#煤開采時，除了后部采空區的漏風外，還需要重視頂板的漏風監測與治理[3]。

(2)由于11101工作面的回風巷在13307工作面進風巷上方，11101工作面進風巷在13307工作面回風巷上方，且11101工作面已封閉，為了預防11101工作面殘煤自燃，需要盡量減少13307工作面向11101工作面漏風。由煤的自燃條件可知沒有足夠的氧氣煤是不能自燃的[4]。由于壓差決定風流的流向，因此利用均壓原理，只需要保證13307工作面最高壓力不大于11101工作面就可以，即13307進風巷口處的壓力不大于11101工作面回風巷口處的壓力，由全壓曲線可知，11101工作面回風巷比13307工作面進風巷的壓差最大高20 Pa，而且由于孫家溝煤礦自燃發火期相對較短，故需要采取一定的措施防止已采完的11101工作面發生自燃。

3 采場破壞情況數值模擬

為了解在11101工作面采完后，13307工作面采場圍巖的破壞情況，對現場采場布置條件下的采場應力分布及周邊圍巖的破壞形態，利用數值模擬的方法進行了研究。

根據現場情況，采用FLAC3D軟件進行模擬，主要分析在采動影響下圍巖的破壞-屈服破壞[5-9]情況。數值模型如圖5所示。共模擬了260 m×103.6 m×4 m范圍內的巖層，剖分了8 820個單元。

圖5 數值模型

圖5中不同灰度分別代表不同的巖層。其巖石力學參數按照孫家溝煤礦地質報告選取。圖6和圖7分別為采區范圍內的垂直應力分布圖和巷道開挖塑性區分布。

由圖6可見，在11#煤開采過程中，13#煤順槽頂板的應力逐漸增高,由于應力持續增高使巖石裂隙增多并且形成透氣通道，存在漏風現象與現場實測結果相符。

由圖7可見，在13#煤層開采前，由于11#煤層的采動使其與13#煤層間的巖石受到拉應力和剪切應力的作用，當13#煤層開挖時出現新的拉應力，隨著開采的繼續，在11#煤層與13#煤層之間巖石裂隙逐漸增多，形成氣體通道，導致臨近煤層之間存在漏風現象。

4 結 論

(1)近距離煤層聯合開采條件下，上部煤開采過程中，會對下部煤的頂板進行一次擾動，從而導致下部煤開采時通風阻力增大，漏風情況的出現。

(a)11#煤開挖后應力分布圖

(b)13#煤巷道開挖后應力分布圖

(c)13#煤巷道周圍應力分布圖局部放大

(a)11#煤開挖后應力分布圖

(b)13#煤巷道開挖后屈服區分布圖

(c)13#煤巷道開挖后塑性屈服區分布圖

(2)根據數值模擬，對孫家溝地質條件下，應力互相影響造成的破壞區主要集中在巷道端頭附近的位置，這與現場實測的情況。

(3)由于孫家溝煤礦為改擴建礦井，在開采方案設計時，未對臨近煤層聯合開采的相互影響進行考慮，導致后期通風的困難。因此，對類似條件的近距離多煤層聯合開采，在設計時就應該考慮到上下煤層開采的相互影響，并采取相應的措施，保證生產的安全進行。

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(責任編輯 石海林)

Ventilation Resistance Test of Joint Mining of Close Distance Coal Seams and Failure Rule of Surrounding Rock

Xu Yunlong Yang Dong Kang Zhiqin

(CollegeofMiningEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan030024，China)

In recent years，with increasing depth of coal mining，deep coal seam groups are gradually becoming the main producing seam in various coal mines.Differing from the single seam mining，more and more mining joint of coal seams are adopted due to low thickness in parts of coal seam and small space among each seam.Through the theoretical analysis on the test results of the ventilation resistance parameters under mining conditions of close distance coal seams in a mine，it is found that serious leakage phenomenon exists in the place between the airway and the upper closed work face.The numerical analysis on strata behavior regularity of close distance coal seams under the geological conditions indicates that the damage zones caused by the stress of close coal seams mainly concentrate near the end of roadway.The presence of the damage zone inevitably cause leakage phenomenon.The numerical analysis result conforms to that of the field test.Through the analysis on failure law of surrounding rock，that the problems appearing in mining of close distance coal seam is found out，provides a reliable reference for safe production of mines with similar geological conditions.

Close-up，Ventilation resistance，Numerical analysis，Damage of surrounding rock

2014-03-05

國家自然科學基金(編號:U1261102)。

徐云龍(1988-)，男，碩士研究生。

TD823

A

1001-1250(2014)-08-166-04