近距離煤層群開采下煤層開切眼合理位置的確定

近距離煤層群開采下煤層開切眼合理位置的確定

樊永山，張勝云

(中國礦業(yè)大學 資源與安全工程學院，北京 100083)

摘要：近距離煤層群在我國煤炭資源分布中占較大比重，為確定近距離煤層群開采過程中下煤層開切眼的合理位置，基于木瓜礦10-110首采工作面的實際工程背景，采用數(shù)值軟件UDEC對該礦10煤開采過程進行模擬，分析了10煤覆巖運移形態(tài)，得到了近距離煤層群下行開采下煤層開切眼的合理位置，結(jié)果表明：上部煤層開采后在距切眼5 m的采空區(qū)邊緣出現(xiàn)應力集中峰值，距切眼15 m位置應力最低，宜將下煤層切眼布置在此區(qū)域；下煤層開采至上煤層切眼與停采線位置時壓力較大，應采取特別支護措施。該研究為近距離煤層群開采下煤層切眼附近安全開采提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：近距離煤層群；下煤層；開切眼；數(shù)值模擬

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0205

文章編號：1672-9315(2015)02-0165-05

收稿日期：*2014-11-12責任編輯：劉潔

通訊作者：樊永山(1965-)，男，山西夏縣人，博士研究生，高級經(jīng)濟師，E-mail:475851434@qq.com

中圖分類號：TD 32文獻標志碼： A

Determination of reasonable position of cut open for lower layer in mining of the close coal seams

FAN Yong-shan，ZHANG Sheng-yun

(SchoolofResourcesandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMining&Technology，Beijing100083，China)

Abstract：In China，close distance seams group take up great percentage in coal resource distribution.To ensure reasonable position of cut open of lower layer in mining of the close coal seams，based on the work face 10-110 of MU-Gua mine，numerical UDEC was used to simulate the mining process of the 10 coal seam and analyze the movement form of overlying strata of 10 coal seam.We obtained the reasonable position of cut open of lower layer in mining of the close coal seams.The main conclusions are as follows:after the upper coal seam mined，at a distance of 5 m cut gob edge stress concentration peak position from open cut 15 m occurred the minimum stress，the open cut should be arranged in this area； the supremacy of coal seam occurs the larger pressure in where mines open cut and stopping line position，should take special support measures.The study provides technological support for safe mining of open cut in close coal seams.

Key words：close coal seams； lower layer； cut open； numerical simulation

0引言

我國近距離煤層群賦存比重大，同時由于多年的開采使得賦存條件比較“優(yōu)越”的煤層儲量越來越少，這將使得近距離煤層的開采問題越來越得到重視[1-3]。近距離煤層在開采過程中存在易自燃發(fā)火、巷道維護狀況差等問題，這些都受二次采動應力場和覆巖運移規(guī)律的影響[4-5]。

隨著煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，采煤技術(shù)更加的成熟，然而長時期以來，國內(nèi)外的學者對單一煤層開采的覆巖運移及礦壓規(guī)律進行了系統(tǒng)的研究，并取得了巨大的成就，而對近距離煤層群開采過程中下煤層開切眼合理位置的研究相對較少，遠沒有單一煤層開采研究的那樣成熟[6-8]。近距離煤層開采的礦山壓力顯現(xiàn)、覆巖運移規(guī)律和頂板控制等與單一煤層開采相比具有特殊性，現(xiàn)有的理論并不適用近距離煤層開采[9-12]。上煤層開采以后，下煤層開采將面臨采空區(qū)下或煤柱集中應力下掘進并維護回采巷道以及工作面安全開采的難題，然而，近距離煤層開采下煤層開切眼位置的選擇，對煤礦生產(chǎn)和井下施工人員的安全有重大的影響，如果選擇位置不合適，將會給煤礦帶來無法估量的損失。現(xiàn)有的研究表明，如果把下煤層的開切眼布置在上煤層的實體煤下，在下煤層出煤柱階段往往易發(fā)生動載礦壓[13]。把下煤層的開切眼布置在上煤層的老采空區(qū)下方，將會減輕對工作面的礦壓顯現(xiàn)，但是目前對于在采空區(qū)下方具體在哪個位置布置開切眼對下煤層開采最有利，卻鮮有研究[14]。

因此，文中以木瓜礦為工程背景，首先運用數(shù)值模擬軟件UDEC建立模型，然后模擬9煤開挖，得出最大應力和最小應力所處的位置，為下煤層開切眼的布置提供借鑒依據(jù)，分別離9煤開切眼位置不同距離布置下煤層開切眼，得出煤層群下行開采過程中下煤層開切眼的合理位置，這對于煤層群下煤層開采具有現(xiàn)實意義。

1工程背景

木瓜礦9煤與10煤層間距在西二盤區(qū)只有2～10 m，層間距較小，上部9煤已采空，工作面傾斜長度平均為150 m，各工作面之間留設(shè)20 m寬的煤柱。下部10煤工作面傾斜長度預計布置在200 m左右，10煤的開采首先面臨在采空區(qū)下或煤柱集中應力下掘進并維護回采巷道以及工作面安全開采的難題，而10煤110工作面開切眼與9煤采空區(qū)相對位置對本煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律有一定影響。

2模型的建立

UDEC模型巖層柱狀參見表1所示。圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulumb模型。節(jié)理特性考慮采動影響，進行了默認設(shè)置，材料屬性根據(jù)試驗室測得的參數(shù)進行設(shè)定。模擬計算模型邊界條件如下：模型的左右及下部邊界為位移邊界，左右邊界限制x方向的位移；下部邊界限制y方向的位移。整個模型為360 m×108.7 m，模型水平方向上坐標為-5～295 m，垂直方向為-8.4～90.3 m，模型中9煤為傾斜煤層，傾角為2°，10煤為水平煤層。為消除模型邊界影響，在左右兩側(cè)各留出65 m的煤柱。

表1　各煤巖層力學性質(zhì)

數(shù)值模擬分析中開挖一般分為一次開挖和分步開挖，而多數(shù)的巖石工程不是一次開挖完成的，而是多次開挖完成的，由于巖石材料的非線性，其受力后的應力狀態(tài)具有加載途徑性，因此前面的每次開挖都對后面的開挖產(chǎn)生影響，施工順序不同，開挖步驟不同，都有各自不同的最終力學效應，也即有不同的巖石工程穩(wěn)定性狀態(tài)。針對研究目的，選用分步開挖，以模擬工作面開采過程中，采場各巖層的應力和位移變化過程。模擬步驟如下

1)建立整體模型，模型原巖應力平衡計算；

2)開挖9煤層，模似原巖應力平衡計算；

3)分別從離9煤開切眼-15，0，15 m處開挖10煤，對比工作面壓力，覆巖位移，從而確定10煤開切眼的最佳位置；

4)開挖10煤層，經(jīng)過初步試運算，決定分步開挖工作面(開挖空間為5，10，15，20，30，50，100，150，200，230 m)，并進行分步模型應力平衡計算。為達到充分采動，最終開挖的工作面長度要大于1.4倍的埋深或模型覆巖厚度，即工作面開挖長度最終應大于200 m，本模型中的工作面最終總推進長度為230 m；

5)數(shù)據(jù)的提取與后處理。

3上煤層開采后模擬結(jié)果

本模型中，9煤的開挖范圍對應橫軸的0～230 m.9煤開采后(采高1.9 m)，模型垂直應力分布如圖1所示。9煤層開挖后，上覆巖層垮落，其垮落情況從圖1可以看出。最大垂直應力集中系數(shù)為1.81，位于距離切眼5 m的實體煤內(nèi)。應力最小的位置在離切眼15 m左右的采空區(qū)內(nèi)。

圖1　9煤開采后垂直應力分布 Fig.1　Vertical stress distribution of 9 coal after mining

圖2　9煤開采后的垂直位移 Fig.2　Vertical displacement of 9 coal after mining

9煤開采后，上覆巖層垮落，其垂直位移如圖2所示。9煤采高為1.9 m，模型中最大垂直位移達到1.6 m，地表最大沉陷量1.6 m.從圖3可見，9煤開采后塑性區(qū)主要集中在9煤上方覆巖破斷邊界和9煤采空區(qū)中部覆巖內(nèi)。

圖3　9煤開采后的塑性區(qū)分布 Fig.3　Plastic zone distribution of 9 coal after mining

4下煤層開切眼方案比較

圖4　9煤開切眼下方開采10煤的頂板垮落情況 Fig.4　Roof collapse condition of 10 coal mining under the 9 coal open-off cut (a)工作面采出空間20 m　(b)工作面采出空間30 m (c)工作面采出空間50 m

分別從離9煤開切眼-15，0，15 m處開挖10煤(9煤開切眼-15 m意義為10煤開切眼位于9煤采空區(qū)邊緣實體煤下方，距9煤切眼水平距離為15 m；0 m指10煤開切眼位于9煤開切眼正下方；15 m指位于采空區(qū)內(nèi)距切眼15 m處)，對比工作面壓力，覆巖位移，從而確定10煤開切眼的最佳位置。

1)9煤開切眼下方開采10煤的模擬結(jié)果；

2)9煤開切眼后方15 m開采10煤的模擬結(jié)果。

圖5　9煤開切眼后方15 m開采10煤的頂板垮落情況 Fig.5　Roof collapse condition of 10 coal mining rear 15 m of 9 coal open-off cut (a)工作面采出空間10 m　(b)工作面采出空間20 m (c)工作面采出空間30 m

10煤開切眼在9煤開切眼下方時，10煤開采空間為30 m時10煤頂板局部垮落，當采出空間為50 m時覆巖垮落嚴重。對比圖4(b)，10煤開切眼在9煤前方15 m時頂板垮落程度較輕。當10煤開切眼設(shè)置在9煤開切眼后方(實體煤內(nèi))15 m時，從圖5所示，工作面開采10 m頂板局部垮落，開采至20 m時波及至9煤，開采至30 m時頂板垮落嚴重。相比之下確定10煤開切眼最佳位置為距9煤開切眼水平距離為15 m的采空區(qū)內(nèi)。

圖6　9煤開采后圍巖局部垂直應力分布 Fig.6　Partial vertical stress distribution of surrounding rock after 9 coal mining

從圖6可以看出，9煤開采以后，開切眼后方實體煤和9煤采空區(qū)中部產(chǎn)生應力集中，10煤開切眼設(shè)置在9煤開切眼后方15 m處或開切眼下方都要受到集中應力的影響。而兩應力集中區(qū)域中間則是應力降低區(qū)，應力降低區(qū)長度約為60 m.進一步說明將10煤開切眼位置設(shè)在此區(qū)域較為合適。由此初步確定10煤開切眼布置在9煤開切眼前方15 m處的采空區(qū)下部。

5結(jié)論

通過近距離煤層下煤層開采數(shù)值模擬試驗得到以下結(jié)論

1)9煤開采以后，9煤工作面采空區(qū)圍巖內(nèi)和采空區(qū)中部產(chǎn)生應力集中，開切眼一側(cè)實體煤內(nèi)應力集中系數(shù)1.81，最大集中應力在采空區(qū)邊緣實體煤內(nèi)，距離切眼5 m.兩應力集中區(qū)域中間則是應力降低區(qū)，應力降低區(qū)長度約為60 m，應力最小的位置在離切眼15 m左右的采空區(qū)內(nèi)。將10煤開切眼位置設(shè)在此區(qū)域較為恰當。10煤開切眼位置設(shè)在9煤采空區(qū)下水平距9煤切眼15 m處較合適；

2)當10煤剛開始回采時，上覆巖層就受到較大影響，9煤停采線和開切眼上方原未破壞的煤體產(chǎn)生裂隙并破壞，且工作面壓力較大，是9煤開采時工作面壓力1.8倍。表明上部9煤的開采給10煤的回采帶來了難度。

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