極近距離中厚煤層下行開采可行性研究

曾 泰

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)泰山隆安煤業(yè)有限公司，山西省忻州市，036600)

近距離煤層群中下層煤開釆時的采場礦壓顯現(xiàn)的時空關(guān)系復(fù)雜。目前，國內(nèi)已存的研究工作主要局限在簡單的礦壓觀測或?qū)μ囟ǖV區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究成果仍沒有廣泛適用性。本文是在經(jīng)典礦壓理論的指導(dǎo)下，深入煤礦現(xiàn)場實(shí)測煤巖物理力學(xué)參數(shù)后，應(yīng)用采場底板破壞深度理論、懸臂梁理論計(jì)算和數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合，得出可行的研究結(jié)論。

1 基本工程條件

泰山隆安煤業(yè)11#煤層分為上下兩層，其中11上煤層平均厚度為1.43 m，11下煤層平均厚度為1.95 m，層間巖層主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.41 m，煤層傾角平均5°，屬于近水平極近距離中厚煤層。煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層綜合柱狀圖

2 主要巖層物理力學(xué)參數(shù)測定

巖芯采集使用YAW-2008型微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)，巖石物理力學(xué)參數(shù)測定使用YAW-1000kN微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)得出試驗(yàn)結(jié)果，見表1。

表1 主要巖層物理力學(xué)參數(shù)

3 11#煤層安全開采最小間距理論計(jì)算

3.1 理論計(jì)算11上煤層開采對底板破壞深度

11上煤層的開采壓力引起底板塑性破壞的塑性極限力學(xué)理論模型如圖2所示。

圖2 塑性極限力學(xué)理論模型

分析圖2可知，底板破壞出現(xiàn)勺形曲線可以簡單的理解為：由于工作面前方頂板的破裂對前方的煤柱產(chǎn)生了超前支承壓力，煤柱主要起傳遞載荷的作用，集中應(yīng)力傳遞到底板后在豎直的方向產(chǎn)生了壓縮，即主動壓縮區(qū)(I區(qū))。巖體在受壓產(chǎn)生塑性破壞后體積增加，開始在水平方向移動，與向前方煤壁處于壓實(shí)狀態(tài)移動相比，后面的采空區(qū)處于膨脹卸壓的狀態(tài)更容易移動，這是由于頂板垮落卸壓，此時的頂板壓力值較小，對底板的作用力也較小，形成了過渡區(qū)(II區(qū))，此時也達(dá)到了最大的破壞深度，同時伴隨著向上方向的應(yīng)力傳遞，這也是可能出現(xiàn)底鼓的原因。當(dāng)?shù)搅烁舆h(yuǎn)離工作面的采空區(qū)時，破壞穩(wěn)定，載荷由前方的完全卸壓狀態(tài)上升到了原巖應(yīng)力值，對底板的壓力開始增大，出現(xiàn)的破壞輪廓線也逐漸地變小，趨向于閉合，由于這個區(qū)段出現(xiàn)的變形為被動的擠壓和讓壓變形，稱為被動區(qū)極限區(qū)(III區(qū))。

依據(jù)礦井地質(zhì)資料以及煤巖物理力學(xué)測定結(jié)果可知，泰山隆安煤業(yè)11上煤層埋深H=140.8 m(變化在35～251 m之間)，11上煤層采高M(jìn)=1.5 m，集中應(yīng)力系數(shù)K=3，上覆巖層的平均容重γ=0.026 MN/m3，煤層與頂?shù)装宓哪Σ料禂?shù)f=0.3，煤壁支護(hù)強(qiáng)度pi取0 MPa(采高不大，無護(hù)幫)，底板以泥巖為主，巖石的內(nèi)聚力C=1.92 MPa，內(nèi)摩擦角φ=23.4°，11#煤層的內(nèi)聚力Cm=0.97 MPa，內(nèi)摩擦角φm=30.2°,三軸應(yīng)力系數(shù)ξ=3.02。由此可以計(jì)算出11上煤層開采支承壓力峰值位置為0.423 m；11上煤層開采時，底板最大破壞深度為0.979 m。

3.2 理論計(jì)算11下煤層安全開采最小頂板厚度

極近距離煤層開采時，下煤層頂板的穩(wěn)定程度受層間巖層厚度、強(qiáng)度以及上煤層開采垮落的矸石重量等因素的影響。一般地，在上煤層開采后，垮落的矸石填滿采空區(qū)，形成如圖3所示的巖層結(jié)構(gòu)模型。

∑h-上煤層垮落矸石的厚度；hcj-層間頂板間距；M2-采厚；L-控頂距圖3 工作面巖層結(jié)構(gòu)模型

11下煤層開采時，上煤層垮落矸石厚度計(jì)算可知為4.3 m，巖層容重為26.09 kN/m3，層間泥巖頂板抗拉強(qiáng)度為2.43 MPa。若最小控頂距取4.55 m，則可計(jì)算出保證下煤層安全開采的最小層間頂板厚度為2.06 m；若最大控頂距取5.415 m，則可計(jì)算出下煤層保證安全開采所需要的頂板最小層間距(厚度)為2.54 m。

綜合上述保守預(yù)測，11上煤與11下煤的層間距在2.54 m以上時，既能保證下煤層有足夠厚(1.5 m)的完整頂板，又能使下煤層頂板在控頂距范圍內(nèi)不被拉斷，可以保證11下煤層的安全開采。

4 數(shù)值模擬驗(yàn)證

4.1 建立模型

摩爾—庫倫模型是一個基于工程常用土體參數(shù)的非線性模型，但不包含土體的所有非線性特性，較適合本次研究的問題。具體建模遵循以下原則：

(1)模型單元格基本長度為2 m，研究對象周圍適當(dāng)細(xì)分單元格，總網(wǎng)格數(shù)控制在50萬以內(nèi)；

(2)層間巖層區(qū)域作為重點(diǎn)分析研究對象，在建立數(shù)值模型時，應(yīng)對該區(qū)域單元進(jìn)行細(xì)化；

(3)數(shù)值模型總體邊界范圍應(yīng)盡量大，巖石力學(xué)參數(shù)應(yīng)與實(shí)際相對應(yīng)，模型初始條件應(yīng)符合實(shí)際情況。

(4)由前述理論計(jì)算可知，11#煤層層間距大于2.54 m時，可以保證下煤層的安全開采，因此為驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，對層間距分別為2.0 m、2.6 m、3.8 m這3種情況下的下煤層頂板穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

模型寬300 m、長240 m、高度為變量(其中上覆巖層83.09 m，11上煤層1.41 m、層間巖層厚度為變量、11下煤層1.9 m、底板巖層深度11.12 m)，模型的巖性分類及力學(xué)參數(shù)見表1。

4.2 煤層間距2.0 m時的塑性變化區(qū)分析

當(dāng)11上煤層與11下煤層層間距為2.0 m時，記錄11下煤層工作面推進(jìn)5 m、10 m、15 m和20 m時的塑性破壞區(qū)圖如圖4所示。

圖4 層間距2.0 m時的塑性區(qū)分布圖

由圖4可以看出，當(dāng)11上煤層與11下煤層層間距為2.0 m時，11上煤層的底板破壞深度小于層間巖層厚度，11下煤層開采前，仍有部分完整頂板；但11下煤層開采過程中，下煤層頂板以拉伸破壞為主，且拉伸破壞區(qū)貫通至上煤層采空區(qū)，頂板穩(wěn)定性較差，隨著推進(jìn)直接破斷垮落。

4.3 煤層間距2.6 m時的塑性變化區(qū)分析

當(dāng)11上煤層與11下煤層層間距為2.6 m時，記錄11下煤層工作面推進(jìn)5 m、10 m、15 m和20 m時的塑性破壞區(qū)圖如圖5所示。

由圖5可以看出，當(dāng)11上煤層與11下煤層層間距為2.6 m時，11上煤層的底板破壞深度小于層間巖層厚度，11下煤層開采前，仍有部分完整頂板；11下煤層開采過程中，下煤層頂板既有拉伸破壞也有剪切，層間巖層在工作面上方主要受剪切破壞，在工作面后方1.0～1.5 m處受拉斷裂，且拉伸破壞區(qū)貫通至上煤層采空區(qū)；下煤層頂板穩(wěn)定性較好，工作面開采時直接頂基本可以保持穩(wěn)定。

4.4 煤層間距3.8 m時的塑性變化區(qū)分析

當(dāng)11上煤層與11下煤層層間距為3.8 m時，記錄11下煤層工作面推進(jìn)5 m、10 m、15 m和20 m時的塑性破壞區(qū)圖如圖6所示。 由圖6可以看出，當(dāng)11上煤層與11下煤層層間距為3.8m時，11上煤層的底板破壞深度小于層間巖層厚度，11下煤層開采前，有比較完整的完整頂板；11下煤層開采過程中，下煤層頂板既有拉伸破壞也有剪切，層間巖層在工作面上方主要受剪切破壞，在工作面后方3.0～3.5m處受拉斷裂，且拉伸破壞區(qū)貫通至上煤層采空區(qū)；下煤層頂板穩(wěn)定性較好，工作面開采時直接頂基本可以保持穩(wěn)定。

圖5 層間距2.6 m時的塑性區(qū)分布圖

圖6 層間距3.8 m時的塑性區(qū)分布圖

4.5 數(shù)值模擬分析結(jié)論

根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果，研究分析了不同層間距對層間巖層穩(wěn)定性的影響，研究發(fā)現(xiàn)：

(1)煤層間距小于2.6 m時，層間巖層在工作面開采過程中便被拉伸破斷。

(2)煤層間距大于2.6 m時，層間巖層在工作面開采過程中主要受到剪切破壞，頂板拉伸破斷位置滯后于工作面。

(3)從數(shù)值模擬角度驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果，即煤層間距大于2.54 m時，不采取任何技術(shù)措施，即可確保11下煤層的安全開采。

5 結(jié)論

本文基于泰山隆安煤業(yè)極近距離煤層實(shí)測煤巖體物理力學(xué)參數(shù)，在經(jīng)典礦山壓力理論指導(dǎo)下，計(jì)算11上煤層安全開采底板破壞深度和11下煤層安全開采煤層頂板厚度，得到煤層間距大于2.54 m時，下煤層頂板穩(wěn)定性符合安全開采要求。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立M-C數(shù)值模擬模型，驗(yàn)證11#煤層下行開采理論計(jì)算的可行性。

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