近距離煤層群開采下層煤開切眼位置的確定

張國軍 馬亞仲 魏英楠

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)，100083)

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★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

近距離煤層群開采下層煤開切眼位置的確定

張國軍 馬亞仲 魏英楠

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)，100083)

為了確定近距離煤層群開采時(shí)下煤層開切眼的合理位置，本文在對(duì)木瓜礦9#煤層和10#煤層近距離煤層開采地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，對(duì)上層9#煤層開采后底板破壞深度及煤柱下方的支承壓力分布情況及影響范圍進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算，理論計(jì)算結(jié)果表明，10#煤層回采巷道與9#煤層巷道的內(nèi)錯(cuò)距需不小于15 m；此外，利用FLAC3D有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)9#煤層采后圍巖應(yīng)力與巖層移動(dòng)情況進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析其對(duì)下煤層礦壓的影響，通過對(duì)比研究最終確定10#煤層合理開切眼的位置，與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，該布置方式可為近距離煤層群下煤層開采開切眼位置的選擇提供一定的借鑒意義。

近距離煤層 底板破壞 圍巖應(yīng)力分布 開切眼 FLAC3D數(shù)值模擬

我國煤層賦存情況復(fù)雜多變，其中近距離煤層賦存和開采所占比重很大，多數(shù)礦區(qū)都存在開采近距離煤層群的問題。近距離煤層開采過程中，上下兩層煤之間的相互影響較大，由于煤層間的距離較近，上層煤開采后，會(huì)破壞其底板的完整性，同時(shí)在上煤層煤柱下方一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，該應(yīng)力集中的區(qū)域?qū)?huì)對(duì)下層煤的巷道布置產(chǎn)生較大的影響，往往會(huì)造成巷道急劇變形，眾多學(xué)者就近距離煤層下行開采條件工作面布置進(jìn)行了大量研究，其研究主要集中在開采技術(shù)、巷道布置、災(zāi)害防治等方面，下層工作面開切眼合理位置的研究相對(duì)較少，由于開切眼巷道斷面大，需要圍巖處在相對(duì)穩(wěn)定的地應(yīng)力環(huán)境，下層煤工作面開切眼位置的選擇將直接影響開切眼巷道掘巷與維護(hù)的難易程度，因此，本文以山西木瓜礦為工程背景對(duì)近距離煤層群開采時(shí)開切眼巷道合理位置的選擇進(jìn)行研究。

1 工程概況

本文以木瓜礦為研究背景，對(duì)木瓜礦10#煤層首采面開切眼的位置進(jìn)行研究，10#煤層位于已完成回采的9#煤層下部，兩煤層間距2～10 m，屬于近距離煤層，煤層頂?shù)装迩闆r見表1。上煤層9#煤層工作面長度為90 m，工作面煤柱為20 m，下層10#煤層工作面長度約為200 m，平均埋深約為300 m，10#煤層工作面開切眼將位于9#煤層采空區(qū)和煤柱應(yīng)力集中區(qū)域，開切眼空間尺寸大，巷道維護(hù)困難，開切眼位置的選擇將直接影響開切眼成巷的難易程度，因此，本文將主要研究10#煤層不同位置工作面開切眼周邊的應(yīng)力分布情況。

表1 9#煤層和10#煤層頂?shù)装迩闆r

2 理論分析

在煤層群下行開采的過程中，下部煤層的回采會(huì)受到上部煤層回采時(shí)留下的采空區(qū)以及煤柱的影響，尤其是在近距離煤層開采的過程中上煤層開采過程留下的煤柱以及煤柱下方底板的一定區(qū)域?qū)⑿纬蓱?yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱下方會(huì)形成一定范圍的應(yīng)力集中，其應(yīng)力集中程度及范圍將直接影響下煤層開采過程中工作面的布置，尤其是開切眼位置的選擇。

根據(jù)巖土力學(xué)原理(如圖1所示)，集中力P對(duì)地下點(diǎn)M產(chǎn)生影響垂直應(yīng)力σz計(jì)算見公式：

(1)

式中：P——作用于地表的集中力，MPa；

Z——點(diǎn)M距集中力作用點(diǎn)的垂直距離，m；

r——點(diǎn)M距集中力作用點(diǎn)的水平距離，m；

K——系數(shù)；

R——點(diǎn)M距集中力作用點(diǎn)的距離，m。

圖1 集中力作用于地表

運(yùn)用疊加原理，長度為b的范圍內(nèi)的集中應(yīng)力P對(duì)底板垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行計(jì)算，得出在均布載荷P的作用下，底板垂直應(yīng)力等值線分布情況，如圖2所示。

圖2 均布載荷作用底板應(yīng)力等值線圖等壓分布圖

由圖2可知，在垂直方向上，作用在底板上的垂直應(yīng)力由淺部向深部逐漸降低；在水平方向上，作用在底板上垂直應(yīng)力由中間向兩端逐漸降低。通常認(rèn)為當(dāng)垂直應(yīng)力小于作用在地表的應(yīng)力的10%可以忽略不計(jì)，因此圖2中等值線0.1P所包圍的區(qū)域?yàn)榧袘?yīng)力影響區(qū)。進(jìn)一步分析可知，在垂直方向上煤柱支承壓力影響深度約為煤柱寬度的6.25倍，在水平方向上煤柱支承壓力影響范圍約為煤柱寬度的1.5倍。為了更好地分析煤柱在水平和垂直方向的影響范圍，可以將其應(yīng)力的影響范圍進(jìn)行簡化，如圖3所示。

圖3 煤柱集中應(yīng)力影響邊界線

在極近距離煤層群開采中，受上煤層留設(shè)的煤柱影響，下煤層開切眼的布置很大程度上盡量避開上層煤開采過程中所留煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)。對(duì)于下行近距離煤層開采開切眼的位置主要有內(nèi)錯(cuò)、外錯(cuò)以及垂直布置3種，一般內(nèi)錯(cuò)式開切眼巷道處于上層煤的采空區(qū)下，處于應(yīng)力降低區(qū)，有利于巷道掘進(jìn)。

依據(jù)木瓜礦的實(shí)際開采情況，分析9#煤層所留煤柱對(duì)下煤層10#煤層的影響，如圖4所示，10#煤層的開切眼不能布置在9#煤層所留煤柱的影響范圍內(nèi)，煤層群開采時(shí)下層煤開切眼與上層所留煤柱的水平距離公式為：

L0≥(h1+h2)tanθ

(2)

式中：L0——9#煤層柱與10#煤層開切眼的水平間距，m；

θ——壓力傳遞影響角，取40°；

h1——10#煤層頂板巖層厚度，2～14 m，取最大值14 m；

h2——10#煤層開切眼高度，取2.8 m。

經(jīng)計(jì)算得L0≥14.2 m。

圖4 9#煤層煤柱支承壓力邊界線及邊界角

由于9#煤層工作面開切眼掘進(jìn)沿頂板起底掘進(jìn)，9#煤層開切眼與10#煤層開切眼的內(nèi)錯(cuò)距計(jì)算見式：

Ln=L0-B

(3)

式中：Ln——10#煤層開切眼的內(nèi)錯(cuò)距，m；

B——9#煤層開切眼寬度，取3.6 m。

經(jīng)計(jì)算得Ln≥10.6 m。

因此，10#煤層開切眼與9#煤層開切眼的最小內(nèi)錯(cuò)距離為10.6 m，同時(shí)要留有一定的安全系數(shù)保證回采安全，初步將錯(cuò)距定為15 m。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

采用FLAC3D軟件模擬上層工作面回采后底板的應(yīng)力分布狀態(tài)，依據(jù)木瓜礦實(shí)際開采條件建立數(shù)值模型，依據(jù)關(guān)鍵層理論，在9#煤層開采完成后，進(jìn)一步模擬下層10#煤層開切眼不同位置的礦壓及巖層移動(dòng)規(guī)律。模型尺寸為200 m×200 m×118 m，具體巖石力學(xué)參數(shù)見表2，通過在模型上部施加法向應(yīng)力來模擬實(shí)際的埋深，由于工作面埋深僅為300 m左右，水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，所以在模型四周通過施加應(yīng)力邊界的方法來模擬水平應(yīng)力，這里取最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.5倍，所用的計(jì)算模型采用 Mohr-Coulomb模型。

模型大小及初始應(yīng)力平衡云圖如圖5所示。

表2 計(jì)算采用巖體力學(xué)參數(shù)

圖5 FLAC3D模型

3.2 模型結(jié)果分析

首先對(duì)9#煤層工作面開采進(jìn)行模擬，9#煤層的工作面長度設(shè)為90 m，工作面沿X軸正向推進(jìn)，沿工作面中部垂直于Y軸作切面，分析9#煤層在開采過程中垂直應(yīng)力變化情況，當(dāng)工作面開采到60 m后工作面前后出現(xiàn)的應(yīng)力增高區(qū)以及應(yīng)力集中系數(shù)基本穩(wěn)定，應(yīng)力集中程度最高的范圍在采空區(qū)邊緣附近的煤體內(nèi)，在9#煤層采空區(qū)下方出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)。9#煤層底板距煤柱邊緣5 m的范圍內(nèi)形成應(yīng)力集中，并向底板傳播，影響范圍大于與10#煤層平均間距，10#煤層距9#煤層煤柱水平

距離15 m的范圍處為低應(yīng)力區(qū)，如圖6所示。

通過分析9#煤層開采后垂直應(yīng)力的分布情況，確定了10#煤層應(yīng)力降低區(qū)以及增高區(qū)的范圍，進(jìn)一步對(duì)10#煤層開切眼布置在9#煤層工作面回采后采空區(qū)后方煤壁不同位置時(shí)垂直應(yīng)力變化情況進(jìn)行了分析，即10#煤層開切眼布置在9#煤層采空區(qū)后方煤壁邊緣15 m處的煤柱下方，如圖7(a)所示，10#煤層開切眼布置在9#煤層采空區(qū)后方煤壁邊緣正下方，如圖7(b)所示，10#煤層開切眼布置在9#煤層采空區(qū)后方煤壁邊緣15 m處的采空區(qū)下方，如圖7(c)所示。

圖7 10#煤層開切眼不同位置垂直應(yīng)力等值線云圖

由圖7可知，上下兩回采工作面開切眼在不同錯(cuò)距時(shí)煤壁前方應(yīng)力等值線均呈“勺把兒”形，隨著錯(cuò)距的不斷增大，即由圖7(a)到圖7(c)的過程中，9#煤層采空區(qū)后方煤柱支承壓力對(duì)10#煤層開切眼巷道的影響逐漸減小。由圖7(a)可知，10#煤層工作面開切眼處于9#煤層工作面采空區(qū)后方煤柱下方的應(yīng)力增高區(qū)，10#煤層工作面開切眼巷道頂板的垂直應(yīng)力約為6 MPa，兩幫約為10 MPa；由圖7(b)可知，10#煤層工作面開切眼處于9#煤層工作面采空區(qū)后方煤柱邊緣的正下方(即9#煤層開切眼的正下方)的應(yīng)力增高區(qū)，10#煤層工作面開切眼巷道頂板的垂直應(yīng)力約為4 MPa，10#煤層工作面開切眼兩幫在距9#煤層采空區(qū)后方煤柱較近一側(cè)約為8 MPa，較遠(yuǎn)一側(cè)約為4 MPa；由圖7c可知，10#煤層工作面開切眼處于9#煤層工作面采空區(qū)下方的應(yīng)力降低區(qū)，10#煤層工作面開切眼圍巖應(yīng)力約為0.25 MPa，其應(yīng)力值僅為9#煤層與10#煤層之間巖石自重，10#煤層工作面開切眼圍巖處于應(yīng)力地應(yīng)力條件下，此時(shí)開切眼巷道比較容易維護(hù)。

由于開切眼巷道斷面大，如果開切眼巷道處于應(yīng)力集中區(qū)，會(huì)造成巷道開掘與維護(hù)困難，因此10#煤層開切眼巷道應(yīng)該布置在應(yīng)力降低區(qū)，理論分析和數(shù)值模擬均得出10#煤層開切眼與9#煤層開切眼的內(nèi)錯(cuò)距離為15 m較為合理，即10#煤層開切眼布置在9#煤層采空區(qū)下方距煤柱邊緣15 m處。

4 結(jié)論

(1)9#煤層開采以后，9#煤層所留煤柱底板下方產(chǎn)生應(yīng)力集中，其最大集中應(yīng)力主要集中在煤柱下方距離煤柱邊緣5 m的范圍內(nèi)，應(yīng)力最小的位置為距離煤柱邊緣15 m范圍的采空區(qū)下方，10#煤層開切眼布置在9#煤層采空區(qū)下方距煤柱邊緣15 m時(shí)較為合理。

(2)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，下層10#煤層開切眼位置確定合理，開切眼巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，解決了巷道維護(hù)和安全生產(chǎn)的難題，更降低了成本，在木瓜礦取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

全球首套煤基乙醇工業(yè)示范項(xiàng)目投產(chǎn)

中國科學(xué)院日前舉行新聞發(fā)布會(huì)，宣布具有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)的全球首套煤基乙醇工業(yè)示范項(xiàng)目投產(chǎn)成功。這是我國新型煤化工產(chǎn)業(yè)化技術(shù)應(yīng)用的又一次重大突破，表明我國在該技術(shù)領(lǐng)域達(dá)到國際領(lǐng)先水平，使我國率先具有了設(shè)計(jì)和建設(shè)百萬噸級(jí)煤基乙醇大型工業(yè)裝置的能力。

Determination of open-off location in lower seam of close distance coal seam group

Zhang Guojun, Ma Yazhong, Wei Yingnan

(Beijing Key Laboratory for Precise Mining of Symbiotic and Associated Energy and Resources, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

To determine the rational position of open-off in lower seam of close distance coal seam group, based on analysis of mining geological conditions of close distance coal seam group (No. 9 coal seam and No. 10 coal seam) in Mugua Mine, the authors analyzed floor failure depth after the upper 9#coal seam mining and distribution law and influence range of support pressure under coal pillar by mechanical calculation, theoretical calculation result showed that staggered distance of mining roadways of No. 9 coal seam and No. 10 coal seam should be over 15 m; and through analyzing surrounding rock stress and rock strata movement after No. 9 seam mining and the influence on mine pressure by FLAC3D finite element numerical simulation software, the rational location of open-off in No. 10 seam was determined finally, which was basically agreed with the theoretical calculation result, the arrangement form provided a certain reference for open-off location selection in lower seam mining of close distance coal seam group.

close distance coal seam group, floor failure, surrounding rock stress distribution, open-off, FLAC3D numerical simulation

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0600708),大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃(C201601018)

張國軍，馬亞仲，魏英楠. 近距離煤層群開采下層煤開切眼位置的確定[J]. 中國煤炭，2017,43(4)：48-52. Zhang Guojun, Ma Yazhong, Wei Yingnan. Determination of open-off location in lower seam of close distance coal seam group [J]. China Coal, 2017,43(4)：48-52.

TD821.2

A

張國軍(1989-)，男，河北唐山人，博士研究生，從事礦山壓力與巖層控制的研究。