近距離煤層條采工作面開采設(shè)計(jì)研究

張永鋼

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 河?xùn)|煤礦，山西 靈石031302）

1 煤層概況

礦區(qū)內(nèi)村莊密集，井田面積約22.2422km2，壓煤面積約7.66km2，村莊壓煤面積約占井田面積的34%。由于礦區(qū)內(nèi)村莊稠密，采用村莊搬遷解放儲(chǔ)量，經(jīng)濟(jì)上不合理。因此，應(yīng)大力開展特殊開采方法研究，探索建筑物下有效的采煤方法，降低噸煤成本，提高資源回收率。

16煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（局部含有一層夾矸），無分叉現(xiàn)象。煤層傾角最小3°，最大18°，一般在5°～11°左右。可采性指數(shù)100%，為穩(wěn)定可采煤層。本預(yù)計(jì)區(qū)域內(nèi)16煤層厚度0.9～1.02m，平均0.94m。16煤層頂板為十下灰?guī)r，厚度為4.37～5.47m，厚度較穩(wěn)定，裂隙較發(fā)育。16煤層直接底為灰白色粘土巖，平均厚度為1.3～1.4m左右，遇水易破碎，但是體積膨脹不明顯。

17煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（煤層沒有夾矸或只有一層夾矸），無分叉現(xiàn)象。煤層傾角最小3°，最大20°，一般在5°～11°左右?？刹尚灾笖?shù)100%，為穩(wěn)定可采煤層。本預(yù)計(jì)區(qū)域內(nèi)17煤層厚度0.8～1.02m，平均為0.9m。17煤層的直接頂為十一灰，厚度不穩(wěn)定，容易冒落。17煤層的底板為粘土巖，平均厚度為1.4m左右，遇水容易破碎。

由于該煤礦16煤與17煤間距僅為9m，若采用煤柱部分錯(cuò)開與全部錯(cuò)開方式，下部煤層采寬應(yīng)小于20m，這與該礦實(shí)際不符。

當(dāng)上下煤柱對(duì)齊時(shí)，上下煤柱的穩(wěn)定性可以采用單一煤層煤柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，即采用單一煤層條帶開采煤柱穩(wěn)定性研究方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。本次近距離煤層群條帶開采采用煤柱對(duì)齊的方式布置煤柱，上層煤（17煤）條帶開采采用下層煤（16煤）的開采方案即采40m，留30m。

2 下層煤條帶開采設(shè)計(jì)方案的校核

2.1 塑性區(qū)寬度及其垂直應(yīng)力分析

17煤開采后，煤柱所受的垂直應(yīng)力見圖1，最大垂直應(yīng)力為9MPa，鞍部的垂直應(yīng)力為8MPa，小于煤柱的抗壓強(qiáng)度（29.5～48.1MPa），滿足煤柱長(zhǎng)期穩(wěn)定的要求。

圖1 煤柱垂直應(yīng)力等值線

由UDEC模擬得到，17煤開采后，16煤所留煤柱塑性區(qū)寬度為4m，17煤所留煤柱塑性區(qū)寬度為6m。煤柱核區(qū)率為80%，滿足核區(qū)率需要大于60%的要求，塑性區(qū)寬度見圖2。

圖2 煤柱塑性區(qū)寬度

2.2 地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)

17煤開采后，根據(jù)下沉系數(shù)有關(guān)的公式〔4〕，可以確定采動(dòng)下沉系數(shù)為0.19；根據(jù)水平移動(dòng)系數(shù)有關(guān)的公式〔4〕，可以確定水平移動(dòng)系數(shù)為0.27；根據(jù)主要影響角正切有關(guān)的公式〔4〕，可以確定主要影響角正切為1.7。

可求得使用該方案時(shí)，三采區(qū)條帶開采地表移動(dòng)和變形的最大值（見表1）。

表1 地表移動(dòng)及變形最大值

通過模擬的該方案引起的最大地表下沉值，將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEL中，通過EXCEL自動(dòng)生成地表下沉曲線（見圖3）。滿足磚石結(jié)構(gòu)建筑物的破壞（保護(hù)）等級(jí)小于一級(jí)的要求。

圖3 17煤開采地表下沉曲線

3 下層煤條帶開采對(duì)上層煤已留煤柱穩(wěn)定性影響分析

本方案采用條帶下行式開采，上層煤開采留設(shè)的煤柱，受到本層開采的影響，還要受到下層煤開采的影響。通過UDEC模擬下層煤開采前后煤柱的最大垂直應(yīng)力、煤柱塑性區(qū)寬度，進(jìn)行對(duì)比分析，找出下行開采時(shí)下層煤開采對(duì)上層已留煤柱的作用規(guī)律。

通過對(duì)圖4～圖7的分析發(fā)現(xiàn)：

1）開采17煤后，上下層煤柱垂直應(yīng)力均為“鞍形”分布，上層煤柱的塑性區(qū)應(yīng)力較下層煤柱大，核區(qū)應(yīng)力較下層煤柱小。

2）開采17煤后，條帶煤柱的最大垂直應(yīng)力為14MPa，大于只開采16煤時(shí)的最大垂直應(yīng)力10MPa。

3）開采17煤后，16煤煤柱塑性區(qū)的寬度較開采17煤前增大2m。

上述差異說明，17煤開采對(duì)16煤已留煤柱的垂直應(yīng)力分布造成影響；16煤已留煤柱對(duì)17煤煤柱的應(yīng)力分布形式也有影響。17煤條帶開采的采動(dòng)影響使16煤煤柱的應(yīng)力集中程度增大，16煤煤柱的作用使17煤煤柱彈性核區(qū)的應(yīng)力較單一煤層條帶開采時(shí)增大。

圖4 僅采16煤時(shí)的煤柱垂直應(yīng)力

圖5 兩層煤均采后的垂直應(yīng)力

圖6 16煤開采后煤柱塑性區(qū)分布

圖7 兩層煤均采后煤柱塑性區(qū)分布

4 結(jié)語

1）運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)上下層煤柱對(duì)齊情況下的下煤層條帶開采關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行校核，得出下層煤條帶開采時(shí)煤柱塑性區(qū)寬度、煤柱垂直應(yīng)力分布、地表變形均在要求的范圍內(nèi)。

2）通過對(duì)下煤層開采前后的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究了下煤層條帶開采對(duì)上煤層已留煤柱穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)下煤層條帶開采的采動(dòng)影響使上煤層煤柱的應(yīng)力集中程度增大。

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