近距離薄煤層群聯(lián)合開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

黃躍明

（太原煤氣化股份有限公司嘉樂泉煤礦，山西 古交 030200）

近距離薄煤層群聯(lián)合開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

黃躍明

（太原煤氣化股份有限公司嘉樂泉煤礦，山西 古交 030200）

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

聯(lián)合開采；采場圍巖應(yīng)力；數(shù)值模擬

1 引言

我國礦井賦存有薄及極薄煤層的可采儲量52.9億t，占全國統(tǒng)配煤礦可采儲量的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，煤礦開采的趨勢正在向薄煤層和極薄煤層發(fā)展。我國大多礦區(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采的問題，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，開采條件較好的3號煤層資源面臨枯竭，下一步將進(jìn)入太原組薄煤層群開采，而薄煤層群單層開采生產(chǎn)能力相對有限，不能滿足國家對整合后煤礦生產(chǎn)能力的要求。從上世紀(jì)60年代開始中國就進(jìn)行薄煤層開采，經(jīng)過幾十年不懈的努力，在薄煤層的開采技術(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)合開采技術(shù)在全國外處于探索階段。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號與15-2號煤聯(lián)合開采為依據(jù)，15號煤組俗稱“臭煤組”，亦稱“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。平均開采深度為370 m，煤組分為三個獨(dú)立的自然分層。從上而下編號為15-1號、15-2號和15-3號，現(xiàn)將其主要特征詳述如下：

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

15-2號煤層：平均厚度為0.56 m，結(jié)構(gòu)簡單，屬極不穩(wěn)定煤層。

15-3號煤層：俗稱“四節(jié)煤”，是全區(qū)主要可采煤層之一。屬15號煤組最下一層，上距15-2號煤層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號煤組主要可采煤層15-1號和15-3號煤層厚度均較薄，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）×96.56 m（高），模擬巖層包括從15-3號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，見圖1。

圖1 煤層賦存計(jì)算模型圖

4 聯(lián)合開采模擬分析

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

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

圖2 煤層開采70 m后巖層破壞圖

圖3 煤層開采70 m后巖層垮落下沉圖

圖4 煤層開采70 m后應(yīng)力分布云圖

圖5 煤層開采70 m后最大主應(yīng)力分布圖

從圖2可以看出，15-1號煤層和15-3號煤層聯(lián)合開采時頂板破壞和垮落相對明顯?？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減小。通過圖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)合開采σx分布云圖，在整個模型中，σx應(yīng)力分布并沒有太大變化，開采垮落大部分區(qū)域σx相對較小，在開采的兩端應(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。同時對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)際是對稱的，主要由于τxy方向的原因，變化范圍在5 MPa～10 MPa；在開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，同時也對最小主應(yīng)力σ3進(jìn)行了模擬分析，在開采煤層的頂板，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，從云圖分布來看，應(yīng)力分布與整個巖層下沉垮落情況是符合的。

5 結(jié)論

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

若采用上、下兩層單獨(dú)開采，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)上沒有較好的優(yōu)越性，所以采用上、下兩煤層聯(lián)合開采布置的形式進(jìn)行回采。聯(lián)合開采可以使巷道采用集中布置，運(yùn)輸系統(tǒng)得到簡化，在經(jīng)濟(jì)上具有較好的優(yōu)越性，加之聯(lián)合開采中上、下兩煤層同時回采，煤礦的生產(chǎn)能力得到加強(qiáng)。

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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