近距離煤層聯(lián)合開采的通風(fēng)阻力測試及圍巖破壞規(guī)律研究

徐云龍 楊 棟 康志勤

(太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西 太原 030024)

近距離煤層聯(lián)合開采的通風(fēng)阻力測試及圍巖破壞規(guī)律研究

徐云龍 楊 棟 康志勤

(太原理工大學(xué)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(chǎn)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(lián)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(fēng)阻力參數(shù)的測試結(jié)果進(jìn)行理論分析，確定該煤礦在工作面回風(fēng)巷與上部已采封閉工作面存在嚴(yán)重漏風(fēng)現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬技術(shù)，對該礦地質(zhì)條件下近距離煤層礦壓規(guī)律進(jìn)行數(shù)值分析，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)近距離煤層應(yīng)力互相影響造成的破壞區(qū)主要集中在巷道端頭附近的位置，由于破壞區(qū)的存在必然會出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象，通過數(shù)值模擬所得到的結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測的情況相符。通過對圍巖的破壞規(guī)律的分析，認(rèn)識到近距離煤層開采時(shí)出現(xiàn)的問題，為類似地質(zhì)條件下的安全生產(chǎn)提供了可靠地參考依據(jù)。

近距離 通風(fēng)阻力 數(shù)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(chǎn)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(lián)合開采的方式布置；下部煤層開采時(shí)，其圍巖是在上部煤層開采擾動后的巖層，頂板圍巖和側(cè)幫已經(jīng)經(jīng)歷了一次壓力顯現(xiàn)作用，局部應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)張拉破壞，從而造成通風(fēng)阻力增加，漏風(fēng)嚴(yán)重的現(xiàn)象出現(xiàn)[1]。當(dāng)這些煤層為易燃煤層時(shí)，更是增加了該類礦井的煤自燃的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對這類礦井的通風(fēng)阻力進(jìn)行觀測，結(jié)合頂?shù)装宓V山壓力的分析，可以揭示該類條件下的頂?shù)装迤茐囊?guī)律，為這類礦井的安全生產(chǎn)和正常的通風(fēng)提供理論指導(dǎo)。

1 概 況

孫家溝煤礦位于河?xùn)|煤田北段，區(qū)內(nèi)穩(wěn)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(gè)工作面聯(lián)合開采。11#煤開采時(shí)開始掘進(jìn)13#煤工作面順槽，11#煤采完后即進(jìn)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(fēng)巷道采用交錯(cuò)布置，即11101的進(jìn)風(fēng)巷位于13307回風(fēng)巷上方， 11101工作面的回風(fēng)巷位于13307工作面進(jìn)風(fēng)巷上方。在11101工作面采完進(jìn)行封閉轉(zhuǎn)入13307工作面的過程中，發(fā)現(xiàn)13307工作面通風(fēng)阻力驟增，通風(fēng)困難，為此，對該礦井的通風(fēng)阻力進(jìn)行了測試，并對其頂?shù)装宓膸r層破壞規(guī)律采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究。

2 通風(fēng)阻力測試及分析

根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇12個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行通風(fēng)參數(shù)的測試，分別為11101進(jìn)風(fēng)順槽管口，11101進(jìn)風(fēng)順槽口，11101回風(fēng)順槽管口，11101回風(fēng)順槽管口，13307進(jìn)風(fēng)順槽960 m，13307進(jìn)風(fēng)順槽660 m，13307進(jìn)風(fēng)順槽330 m，13307進(jìn)風(fēng)端頭，13307回風(fēng)順槽70 m，13307回風(fēng)順槽360 m，13307回風(fēng)順槽690 m，13307回風(fēng)順槽口。分別測試各測點(diǎn)的靜壓，溫度，濕度以及該點(diǎn)斷面處的風(fēng)速，結(jié)合孫家溝煤礦地質(zhì)資料、測點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析整理。測試所用設(shè)備為CZC5通風(fēng)阻力參數(shù)測試儀，精密氣壓計(jì)，高、中、微速風(fēng)表和U型管。

將第1 d測試結(jié)果匯總整理得到各測點(diǎn)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(jìn)，8號，9號2個(gè)測點(diǎn)第2 d后不再觀察，接下來幾天，余下測點(diǎn)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(fēng)系統(tǒng)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(jīng)存在一定的破壞，在下部13#煤開采時(shí)，勢必造成沿頂板的漏風(fēng)，所以，在下部13#煤開采時(shí)，除了后部采空區(qū)的漏風(fēng)外，還需要重視頂板的漏風(fēng)監(jiān)測與治理[3]。

(2)由于11101工作面的回風(fēng)巷在13307工作面進(jìn)風(fēng)巷上方，11101工作面進(jìn)風(fēng)巷在13307工作面回風(fēng)巷上方，且11101工作面已封閉，為了預(yù)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(fēng)。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(fēng)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(jìn)風(fēng)巷口處的壓力不大于11101工作面回風(fēng)巷口處的壓力，由全壓曲線可知，11101工作面回風(fēng)巷比13307工作面進(jìn)風(fēng)巷的壓差最大高20 Pa，而且由于孫家溝煤礦自燃發(fā)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(fā)生自燃。

3 采場破壞情況數(shù)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(xiàn)場采場布置條件下的采場應(yīng)力分布及周邊圍巖的破壞形態(tài)，利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了研究。

根據(jù)現(xiàn)場情況，采用FLAC3D軟件進(jìn)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(shù)值模型如圖5所示。共模擬了260 m×103.6 m×4 m范圍內(nèi)的巖層，剖分了8 820個(gè)單元。

圖5 數(shù)值模型

圖5中不同灰度分別代表不同的巖層。其巖石力學(xué)參數(shù)按照孫家溝煤礦地質(zhì)報(bào)告選取。圖6和圖7分別為采區(qū)范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力分布圖和巷道開挖塑性區(qū)分布。

由圖6可見，在11#煤開采過程中，13#煤順槽頂板的應(yīng)力逐漸增高,由于應(yīng)力持續(xù)增高使巖石裂隙增多并且形成透氣通道，存在漏風(fēng)現(xiàn)象與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)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(yīng)力和剪切應(yīng)力的作用，當(dāng)13#煤層開挖時(shí)出現(xiàn)新的拉應(yīng)力，隨著開采的繼續(xù)，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(dǎo)致臨近煤層之間存在漏風(fēng)現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

(1)近距離煤層聯(lián)合開采條件下，上部煤開采過程中，會對下部煤的頂板進(jìn)行一次擾動，從而導(dǎo)致下部煤開采時(shí)通風(fēng)阻力增大，漏風(fēng)情況的出現(xiàn)。

(a)11#煤開挖后應(yīng)力分布圖

(b)13#煤巷道開挖后應(yīng)力分布圖

(c)13#煤巷道周圍應(yīng)力分布圖局部放大

(a)11#煤開挖后應(yīng)力分布圖

(b)13#煤巷道開挖后屈服區(qū)分布圖

(c)13#煤巷道開挖后塑性屈服區(qū)分布圖

(2)根據(jù)數(shù)值模擬，對孫家溝地質(zhì)條件下，應(yīng)力互相影響造成的破壞區(qū)主要集中在巷道端頭附近的位置，這與現(xiàn)場實(shí)測的情況。

(3)由于孫家溝煤礦為改擴(kuò)建礦井，在開采方案設(shè)計(jì)時(shí)，未對臨近煤層聯(lián)合開采的相互影響進(jìn)行考慮，導(dǎo)致后期通風(fēng)的困難。因此，對類似條件的近距離多煤層聯(lián)合開采，在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該考慮到上下煤層開采的相互影響，并采取相應(yīng)的措施，保證生產(chǎn)的安全進(jìn)行。

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(責(zé)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(xué)基金(編號:U1261102)。

徐云龍(1988-)，男，碩士研究生。

TD823

A

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