近距離薄煤層群聯(lián)合開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

黃躍明

（太原煤氣化股份有限公司嘉樂(lè)泉煤礦，山西 古交 030200）

近距離薄煤層群聯(lián)合開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

黃躍明

（太原煤氣化股份有限公司嘉樂(lè)泉煤礦，山西 古交 030200）

以潞安集團(tuán)漳村礦下組15-1號(hào)與15-2號(hào)煤層聯(lián)合開(kāi)采為背景，應(yīng)用離散元軟件UDEC對(duì)近距離薄煤層群聯(lián)合開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行模擬分析，得出了聯(lián)合開(kāi)采中頂板破壞程度和垮落高度變化較大，而頂、底板各應(yīng)力沒(méi)有較大變化，說(shuō)明了近距離聯(lián)合開(kāi)采是可行的。

聯(lián)合開(kāi)采；采場(chǎng)圍巖應(yīng)力；數(shù)值模擬

1 引言

我國(guó)礦井賦存有薄及極薄煤層的可采儲(chǔ)量52.9億t，占全國(guó)統(tǒng)配煤礦可采儲(chǔ)量的20.86%左右，特別是南方地區(qū)所占比重較大，煤質(zhì)較好；在北方，薄煤層分布范圍廣，儲(chǔ)量穩(wěn)定[1-3]。然而薄煤層的產(chǎn)量只占10%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其儲(chǔ)量所占比例。而且伴隨著大批煤礦中厚煤層資源的枯竭，煤礦開(kāi)采的趨勢(shì)正在向薄煤層和極薄煤層發(fā)展。我國(guó)大多礦區(qū)薄煤層大都是以群賦存在一起，煤層間距比較近。存在著近距離薄煤層群開(kāi)采的問(wèn)題，如潞安礦區(qū)、大同礦區(qū)、西山礦區(qū)、新汶礦區(qū)、平頂山礦區(qū)、淮南礦區(qū)等。

目前山西省內(nèi)情況看，開(kāi)采條件較好的3號(hào)煤層資源面臨枯竭，下一步將進(jìn)入太原組薄煤層群開(kāi)采，而薄煤層群?jiǎn)螌娱_(kāi)采生產(chǎn)能力相對(duì)有限，不能滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)整合后煤礦生產(chǎn)能力的要求。從上世紀(jì)60年代開(kāi)始中國(guó)就進(jìn)行薄煤層開(kāi)采，經(jīng)過(guò)幾十年不懈的努力，在薄煤層的開(kāi)采技術(shù)上積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[4-8]。然而薄煤層大都是以群賦存在一起，煤層間距又小，這種近距離薄煤層群的聯(lián)合開(kāi)采技術(shù)在全國(guó)外處于探索階段。綜合各方面因素的分析，近距離薄煤層群聯(lián)合開(kāi)采技術(shù)被提出并進(jìn)行研究是非常有必要的。

2 工程概況

以潞安集團(tuán)漳村礦下組15-1號(hào)與15-2號(hào)煤聯(lián)合開(kāi)采為依據(jù)，15號(hào)煤組俗稱(chēng)“臭煤組”，亦稱(chēng)“下組煤”。位于太原組底部，為太原組主要可采煤層，也是本區(qū)主要可采煤層。平均開(kāi)采深度為370 m，煤組分為三個(gè)獨(dú)立的自然分層。從上而下編號(hào)為15-1號(hào)、15-2號(hào)和15-3號(hào)，現(xiàn)將其主要特征詳述如下：

15-1號(hào)煤層：俗稱(chēng)“二節(jié)煤”，為15號(hào)煤組最上一層，上距K2灰?guī)r底部約4.38 m，距14號(hào)煤層4.19 m。煤厚為0～1.55 m，平均厚度為0.95 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，偶具夾矸，為本區(qū)主要可采煤層之一。

15-2號(hào)煤層：平均厚度為0.56 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬極不穩(wěn)定煤層。

15-3號(hào)煤層：俗稱(chēng)“四節(jié)煤”，是全區(qū)主要可采煤層之一。屬15號(hào)煤組最下一層，上距15-2號(hào)煤層1.67 m。煤厚0～2.4 m，平均厚為1.59 m，煤層夾矸0～3層，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，屬較穩(wěn)定煤層。

直接頂板以泥巖為主，局部為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚1.15 m～4.91 m，平均厚3.31 m。老頂為K2石灰?guī)r，厚度為5.09 m～11.76 m，平均厚7.12 m。

直接底板以泥巖為主，局部為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚0.30 m～7.08 m，平均厚3.82 m。老底僅局部發(fā)育，為粉砂巖—中砂巖，厚度為0.20 m～3.76 m，平均厚1.91 m。

綜合以上地質(zhì)條件，在15號(hào)煤組主要可采煤層15-1號(hào)和15-3號(hào)煤層厚度均較薄，層間距2 m～12 m，平均層間距為4 m，屬于近距離煤層群的開(kāi)采。

3 模型概述

參照目前相關(guān)研究成果[9-10]，本次模擬采用離散元軟件 UDEC（Universal Distinct Element Code），它是目前公認(rèn)的對(duì)節(jié)理巖體進(jìn)行數(shù)值模擬有效的方法之一。目前該軟件開(kāi)發(fā)得相當(dāng)成熟，功能強(qiáng)大，已經(jīng)在巖土工程、采礦工程、地質(zhì)工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)潞安漳村煤礦地質(zhì)資料，建立模型為150 m（長(zhǎng)）×96.56 m（高），模擬巖層包括從15-3號(hào)煤層底板泥巖及上覆81.8 m內(nèi)的巖層，各巖層層位分布節(jié)理模型圖，見(jiàn)圖1。

圖1 煤層賦存計(jì)算模型圖

4 聯(lián)合開(kāi)采模擬分析

將在15-1號(hào)煤層與15-3號(hào)煤層聯(lián)合開(kāi)采數(shù)值模擬中，兩煤層同時(shí)開(kāi)采，模型左右兩邊保留30m保護(hù)煤柱，上、下煤層開(kāi)采范圍是30 m～100 m，共計(jì)70 m，保留工作面前方20 m作為應(yīng)力觀測(cè)區(qū)域。

開(kāi)采之后各個(gè)應(yīng)力、應(yīng)變分析圖形詳見(jiàn)圖。圖2是15-1號(hào)煤層開(kāi)采70 m后巖層破壞圖，圖3是15-1號(hào)煤層開(kāi)采70 m后巖層垮落下沉圖，圖4是15-1號(hào)煤層開(kāi)采70 m后應(yīng)力σx分布圖，圖5是15-1號(hào)煤層開(kāi)采70 m后最大主應(yīng)力σ1分布圖。

圖2 煤層開(kāi)采70 m后巖層破壞圖

圖3 煤層開(kāi)采70 m后巖層垮落下沉圖

圖4 煤層開(kāi)采70 m后應(yīng)力分布云圖

圖5 煤層開(kāi)采70 m后最大主應(yīng)力分布圖

從圖2可以看出，15-1號(hào)煤層和15-3號(hào)煤層聯(lián)合開(kāi)采時(shí)頂板破壞和垮落相對(duì)明顯?？迓鋷Ц叨冗_(dá)到15 m，垮落帶上方也出現(xiàn)裂縫，隨著頂板越高裂縫寬度相對(duì)減小。通過(guò)圖3可以直觀看出上覆巖層下沉變化，垮落帶高度與圖2一致，頂板和夾層下沉高度比較明顯看出，聯(lián)合開(kāi)采頂板最大下沉量是2.5 m，夾層最大下沉量是1.5 m，與煤層開(kāi)采厚度基本吻合；裂縫帶在圖中不明顯，彎曲下沉帶高度直達(dá)模擬的最高巖層。圖4顯示了聯(lián)合開(kāi)采σx分布云圖，在整個(gè)模型中，σx應(yīng)力分布并沒(méi)有太大變化，開(kāi)采垮落大部分區(qū)域σx相對(duì)較小，在開(kāi)采的兩端應(yīng)力集中，達(dá)到20 MPa。在頂板上方約30 m處，也出現(xiàn)σx應(yīng)力集中區(qū)域，此處應(yīng)力范圍10 MPa～15 MPa。另外，對(duì)應(yīng)力 σy進(jìn)行模擬分析，得出上覆巖層垮落區(qū)域內(nèi)σy的范圍是0～5 MPa；σy高應(yīng)力分布區(qū)域是開(kāi)采煤層兩側(cè)煤柱區(qū)域，應(yīng)力一般在10 MPa～20 MPa，高應(yīng)力區(qū)域集中應(yīng)力甚至高達(dá)25 MPa～30 MPa。同時(shí)對(duì)τxy應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)模型左右兩部分應(yīng)力變化不同，實(shí)際是對(duì)稱(chēng)的，主要由于τxy方向的原因，變化范圍在5 MPa～10 MPa；在開(kāi)采煤層兩端上方覆巖中，出現(xiàn)應(yīng)力集中，容易造成工作面上方覆巖剪切滑移失穩(wěn)。圖5是最大主應(yīng)力σ1分布云圖，同時(shí)也對(duì)最小主應(yīng)力σ3進(jìn)行了模擬分析，在開(kāi)采煤層的頂板，都出現(xiàn)較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)。上覆巖層是存在有弱面，承受拉應(yīng)力即遭到破壞，那么頂板破壞發(fā)展主要是拉應(yīng)力。在開(kāi)采煤層的底板也出現(xiàn)有拉應(yīng)力區(qū)，但其發(fā)展的范圍和連續(xù)性比頂板方向要差得多，即底板穩(wěn)定性與頂板相比較好。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在開(kāi)采煤層兩端的上覆巖層上，形成最為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在這一最大和最小主應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，區(qū)域應(yīng)力比較集中，變化比較劇烈，此區(qū)域也容易形成剪切破壞，因此這些區(qū)域可能形成復(fù)雜的壓、剪復(fù)合破壞。最大主應(yīng)力在此區(qū)域應(yīng)力高達(dá)20 MPa～30 MPa，最高達(dá)到50 MPa。最小主應(yīng)力在煤體采出后分布有較大的影響，但不如最大主應(yīng)力那樣顯著，在最小主應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力8 MPa～12 MPa，最高達(dá)到20 MPa。最大和最小主應(yīng)力方向表示了巖層破壞的面產(chǎn)生的趨勢(shì)，從云圖分布來(lái)看，應(yīng)力分布與整個(gè)巖層下沉垮落情況是符合的。

5 結(jié)論

通過(guò)聯(lián)合開(kāi)采在頂板破壞程度、垮落高度、以及各種應(yīng)力的分析。聯(lián)合開(kāi)采在頂板破壞程度和垮落高度方面變化較大，但是通過(guò)各種應(yīng)力分布云圖的分析，聯(lián)合開(kāi)采頂、底板各應(yīng)力沒(méi)有較大變化，說(shuō)明了近距離聯(lián)合開(kāi)采是可行的。

若采用上、下兩層單獨(dú)開(kāi)采，巷道布置以及運(yùn)輸系統(tǒng)將比較繁瑣，煤礦生產(chǎn)能力也受到限制，這種回采布置在經(jīng)濟(jì)上沒(méi)有較好的優(yōu)越性，所以采用上、下兩煤層聯(lián)合開(kāi)采布置的形式進(jìn)行回采。聯(lián)合開(kāi)采可以使巷道采用集中布置，運(yùn)輸系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，在經(jīng)濟(jì)上具有較好的優(yōu)越性，加之聯(lián)合開(kāi)采中上、下兩煤層同時(shí)回采，煤礦的生產(chǎn)能力得到加強(qiáng)。

[1]韓可琦，王玉浚.中國(guó)能源消費(fèi)的發(fā)展趨勢(shì)與前景展望[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33（1）：1-5.

[2]申寶宏.我國(guó)煤炭開(kāi)采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望，中國(guó)煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新型工業(yè)化之路一高效、安全、潔凈、結(jié)構(gòu)化[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2004，9：55-58.

[3]許家林.巖層移動(dòng)控制的關(guān)鍵層理論及其應(yīng)用[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，1999.

[4]汪理全.煤層(群)上行開(kāi)采技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1995.

[5]黃慶享.近距煤層上行開(kāi)采底板穩(wěn)定性分析[J].西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，16（4）：291-294.

[6]杜計(jì)平，汪理全.煤礦特殊開(kāi)采方法[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[7]張百勝，楊勁松，廉建軍.東山煤礦上行開(kāi)采實(shí)踐[J].中國(guó)煤炭，2007，33（2）：38-40.

[8]Zhang Baisheng，Kang Lixun，Zhai Yingda，Definition of ultra-close multiple-seams and its ground pressure behavior，In，Peng SS，The 24th Intemational Conferenee on Ground Control in Mining，ORGANTOWN W V，2005：110-113.

[9]嚴(yán)國(guó)超，胡耀青，宋選民，等.極近距離薄煤層群聯(lián)合開(kāi)采壓外式錯(cuò)距理論與物理模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（3）：591-597.

[10]嚴(yán)國(guó)超.近距離薄煤層群聯(lián)合開(kāi)采理論與工藝研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2009.

Study On Coal Pressure Appearance Rule In Combined Mining Of Close—Distance Thin Coal Seam Group

HUANG Yue Ming
（Jialequan Taiyuan Coal Gasification Co.,Ltd.Gujiao Shanxi 030200,China）

This paper takes Lu-an zhangcun mine as an example with combined minging in the No.15-1 coal seam and No.15-3 coal seam as the subject investigated.Analysis on coal pressure appearance rule in combined mining of close-distance thin coal seam group by the software UDEC.the destructiveness and collapse height of Roof are larger variety.but the pressure of roof and floor have less change,that show combined minging of close-distance thin coal seam group is feasible.

combined mining;surrounding rock stress;numerical simulation

TU459+.4

A

2009-11-20

黃躍明（1962—），男，山西原平人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，從事煤炭企業(yè)技術(shù)管理工作。

1672-5050（2010）02-0038-03

劉新光