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煤炭技术 Coal Technology Vol.36 No.02 Feb. 2017 第36卷第02期 2017年02月 doi10.13301/ki.ct.2017.02.021 1工程概况 磁窑沟煤矿10-2煤层平均3.01 m，坚固性系数 f3.5，为稳定中厚煤层，顶、底板均为泥岩。13煤层 平均5.95 m，顶板岩性为泥岩、中粗砂岩，底板为泥 岩，两煤层平均间距32.34 m，具体顶、底板岩性如 图1所示。10-2、13煤层均采用一次采全高综采，10-2 煤层采高3.0 m，13煤层采高5.95 m， 顶板管理均 采用全部垮落法。 煤层群下行开采，由于煤层间距 较小，13煤层采高较大，顶板难以形成铰接结构，采 动空间易与10-2煤层采空区导通，使采空区积水、废 气进入13煤层开采空间。 图1煤层顶、底板岩性特征图 2采场覆岩结构与运移 煤层采出打破了原有的地应力平衡，应力重新 分布，直至达到二次平衡状态。 采空区顶板也将破 坏和弯曲下沉，使上覆岩层发生变形，达到破坏状 态，当变形破坏发生时，产生大量的采动裂隙。 前人 在现场观测的基础上，认为采场围岩应力重新分 布，可形成明显的几个分区，包括原始应力区A、煤 壁支撑区B、离层区C、重新压实区D及稳定区E。 沿竖直方向分为冒落带Ⅰ、裂隙带Ⅱ、弯曲下沉带 Ⅲ，划分情况如图2所示。 覆岩垮落过程中，岩层发 生断裂，从煤壁支撑区到重新压实区内，在断裂岩 石的下沉过程中，断裂的岩块相互挤压、咬合形成 了一定的岩层结构。 在支架、采空区冒落矸石支撑 作用下，可形成支架与围岩相互平衡体系，阻止上 覆岩层大范围内的台阶错动，使平衡结构以上的岩 层保持一定的整体性。 图2一般采场上覆岩层结构 对于煤层群下行开采的情形，当上部煤层采空 区位于下部煤层采动形成的平衡岩层之上时，下部 煤层开采时覆岩运移同一般工作面类似，由于上煤 层开采卸压作用，其来压强度较小，但若上部煤层 煤层群下行开采的覆岩运移规律研究 祝凌甫 （天地科技股份有限公司 开采设计事业部， 北京100013） 摘要 煤层群下行开采时，当上煤层采空区处于下煤层采场的平衡结构范围内时，下煤层开 采易导致覆岩的整体性破坏，导致铰接岩块产生台阶滑动。 以磁窑沟煤矿开采10-2、13煤层为背 景，运用UDEC软件研究了10-2煤层开采后，下部13煤层回采时采场覆岩的运移规律，分析了煤 层间裂隙的发育特征，提出了裂隙封堵方案。 关键词 煤层群； 覆岩； 运移规律； 数值模拟 中图分类号TD823.4 文献标志码A文章编号1008 － 8725（2017）02 － 0054 － 03 Movement Regular of Overburden of Coal Seams Mining Downward ZHU Ling-fu （Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science and Technology Company Limited, Beijing 100013, China） Abstract In condition of coal seams mining downward, when the upper coal seam within the area of structural balance of lower coal seam, it is easier to damage the overlying strata completely, which will lead to the hinged rock sliding step by step. Based on the No. 10-2, 13seam of Ciyaogou mine, the UDEC software is used to research movement regular of overburden of No. 13 seam, which will be mined after No. 10-2seam. The development characteristic of fissile between coal seams is analyzed. Measures are put forward to control the fissile. Key words coal seams；overburden；movement regular；numerical simulation 柱状 岩层描述 岩石 名称 粗砂岩 粉砂岩 泥岩 10-2煤 泥岩 细砂岩 粗砂岩 中砂岩 13煤 细砂岩 平均 厚度/m 20.41 9.04 5.33 3.01 2.65 5.95 17.37 6.37 5.95 18.95 多呈灰白色浅灰色，胶结良好致 密块状，层理一般不发育，有少 量斜波状与槽状交错斜层理 灰色，厚层状泥质结构，局部含植物 碎屑，岩石缺水后易碎，裂隙较发育 灰黑色，薄层状泥质结构，局部夹煤 线，岩石破碎且块状平坦状断口 煤黑褐色，弱沥青光泽，以暗煤为主 参差状断口间夹杂少量亮煤条带，暗 淡型煤都为条带状结构块状 深灰厚层状泥质结构不均 匀断口 灰白色，块状，以石英为主，长石 次之，空隙式胶结，十分坚硬，下 部含有少量炭屑 多呈浅灰色， 胶结良好致密块状， 胶结类型以基底式与孔隙式为主， 含黄铁矿呈星点状或条带状 以中、粗粒砂岩为主，颜色浅、呈 灰色或灰白色，细碎屑岩为深灰 色、灰黑色的泥岩及砂质泥岩 弱沥青光泽，以暗煤为主参差状 断口，为条带状结构块状 白色细粒砂岩，泥质胶结，层内 见石膏团块。 颗粒呈次棱角状， 层内见黄铁矿晶体及钙质膜 AB C DE ⅠⅡⅢ 54 处于下部煤层的采动裂隙带范围内时，由于下部煤 层工作面导通上部煤层采空区，回采仍出现安全隐 患。 上部煤层采空区位于下部煤层采动形成的平衡 岩层范围内时，下煤层开采将导致覆岩的整体性破 坏，岩体产生破坏，易导致铰接岩块产生台阶滑动。 随工作面继续推进，裂隙逐渐向上部发展，直至贯 通上煤层采空区，产生一系列安全隐患。 基于以上对岩层移动的认识，本文以磁窑沟煤 矿为背景，考虑煤层间距为30 m时，下部煤层开采 引起的岩层移动，以探究科学的应对方案。 3煤层群下组煤覆岩运移规律数值模拟 3.1模型与参数 根据磁窑沟煤矿地层特征，建立沿工作面走向 的平面二维数值UDEC模型，模型长高200m105m， 地层水平。 根据现场观测，13煤层直接顶随采随 冒，高度约6 m，周期来压步距10 m左右，结合13 煤层顶板岩层特征， 确定13煤层顶板块体结构大 小。 通过分步每2.0 m开挖一次模拟采动过程，先开 挖10-2煤层，后开挖13煤层。 模型采用摩尔-库伦 准则，节理材料采用面接触库仑滑移模型。 各岩层 物理力学参数如表1所示。 表1岩层物理力学参数 3.2下组煤覆岩运移与采动裂隙分布 由图3可以看出，10-2煤层开挖后其覆岩产生 丰富的裂隙，其中，深色区域为岩块滑移或张开产 生的裂隙。 重新压实后采空区中部裂隙闭合，在采 空区边缘覆岩形成弧形板式结构，仍保留有宏观的 裂隙。13煤层开挖20 m时，直接顶随采随落，下组 煤顶板中裂隙发展范围较小，下煤层采空区与上组 煤采空区完全不影响。 推进到40 m位置时，上位岩 层受重力作用产生一定弯曲变形，但未破断，覆岩 中裂隙发展范围增大，覆岩中部已出现联通上组煤 采空区的滑动裂隙，但未出现张开的宏观裂隙。 下组13煤开采至72 m位置时，采场上位顶板 发生断裂，老顶初次来压，顶板在切眼上方形成铰 接结构，采空区顶板中部折断，上方岩层明显弯曲 变形，能够看出上组10-2煤采空区处于13煤层采 场裂隙带范围内，裂隙发展至10-2煤采空区。 由于 采空区在13煤采空区平衡结构上部， 两煤层中间 岩体并未产生宏观裂缝。 另外，由于10-2煤底板弯 曲下沉，采空区上方顶板出现离层，说明13煤层的 覆岩运移波及到10-2煤层的上部覆岩。 （a）工作面推进20 m（b）工作面推进40 m （c）工作面推进72 m（d）工作面推进80 m （e）工作面推进100 m（f）工作面推进120 m 图3回采过程中覆岩运移及裂隙分布 开采至80 m时，13煤层顶板发生周期来压， 直接顶随采随冒，老顶呈铰接结构回转，表明煤层 间距30 m时，老顶能形成正常铰接结构，工作面来 压强度同一般工作面类似。 采动上部空间裂隙随工 作面推进向前、向上发展，覆岩仍未出现宏观裂缝。 开采至120 m时，13煤层采空区远离工作面侧重 新压实，裂隙呈闭合趋势，但工作面覆岩中的裂隙 仍然随推进而发展。 3.3下组煤开采覆岩塑性区分布特征 采用同样几何模型建立FLAC3D计算模型，计算 得13煤层推进40、80 m时围岩塑性区分布， 如图 4所示。 同覆岩裂隙分布规律一致，13煤层开采 40 m时，覆岩小范围产生破坏，顶板上部以拉伸破 坏为主，表明岩体中裂隙以张开为主；开采80 m 时，覆岩全部破坏，直至10-2煤层采空区，上部岩体 仍以拉伸破坏为主，且覆岩破坏超前工作面一定距离。 （a）工作面推进40 m（b）工作面推进80 m 图4不同推进距离时覆岩塑性区分布 综上分析，煤层间距为30 m时，13煤层开采引 起的覆岩运移不会出现贯穿的宏观裂缝，煤层间岩 体内部的裂隙以张开裂隙为主， 但13煤层开采引 起的覆岩移动仍导致裂隙贯通至10-2煤层采空区。 3.4下组煤顶板注浆加固 注浆常用于封堵、黏结煤岩体中的裂隙，通过 第36卷第02期Vol.36No.02煤层群下行开采的覆岩运移规律研究祝凌甫 岩性 煤层 泥岩 砂质泥岩 石灰岩 中粒砂岩 体积模量 B/GPa 2.6 4.5 6.9 13.2 12.5 剪切模量 S/GPa 2.4 3.8 6.3 11.7 10.5 抗压强度 σc/MPa 6.3 25.2 30.8 50.6 48.5 抗拉强度 σt/MPa 0.6 1.4 1.5 4.3 3.6 黏聚力 C/MPa 2.5 3.5 8.3 13.9 12.0 内摩擦角 φ/（） 23 31 34 33 33 密度 ρ/kgm－3 1 400 2 500 2 600 2 500 2 600 20 m 40 m 向上 发育 裂隙 发育 80 m 铰接 结构 72 m 弯曲 下沉 重新 压实 120 m100 m Block State Planeon None shear-nshear-p shear-nshear-ptension-p shear-p shear-ptension-p tension-nshear-ptension-p tension-ntension-p tension-p Block State Planeon None shear-nshear-p shear-nshear-ptension-p shear-p shear-ptension-p tension-nshear-p tension-ntension-p tension-p 55 一定黏结强度的液体，将煤岩体黏结成较为完整的 整体。 为防止10-2煤层采空区积水通过裂隙通道流 至工作面，回采期间采取注浆措施，向平衡结构上 部岩层注浆，提高岩层间黏结力，促使岩层形成整 体岩梁，阻止覆岩中裂隙进一步扩张及滑移，如图5 所示。 考虑到钻孔的注浆扩散半径，确定每两架支 架间设置1个注浆钻孔，孔深28 m，终孔位置为弯 曲下沉带范围内， 促进该范围内裂隙黏结闭合，确 保弯曲下沉带岩层形成较为完整的岩层。 图5工作面覆岩注浆示意图 4结语 （1）煤层群开采上煤层采空区位于距离下煤层 最近的平衡岩层范围内时，下煤层开采将导致覆岩 的整体性破坏，导致铰接岩块产生台阶滑动。 随工 作面继续推进，裂隙逐渐向上部发展，直至贯通上 煤层采空区，产生一系列安全隐患。 （2）磁窑沟矿13＃煤层开采老顶能形成铰接回 转结构，采场矿压规律同单一煤层工作面类似，覆岩 中裂隙以张开裂隙为主，弯曲下沉带移动导致裂隙 贯通至10-2＃煤层采空区，回采期间应采取顶板注浆 措施避免沟通采空区，影响工作面安全生产。 参考文献 ［1］许力峰,刘珂铭,张江利,等.近距离煤层群上行开采薄煤层覆岩移 动规律研究［J］.煤矿安全, 2012, 437 52-55. ［2］张勇,刘传安,张西斌,等.煤层群上行开采对上覆煤层运移的影响 ［J］.煤炭学报, 2011, 3612 1 990-1 995. ［3］黄汉富,闫志刚,姚邦华,等.万利矿区煤层群开采覆岩裂隙发育规 律研究［J］.采矿与安全工程学报, 2012, 295 619-624. ［4］樊永山,张胜云.近距离煤层群下行开采下煤层覆岩运移规律模 拟［ J］.辽宁工程技术大学学报自然科学版, 2015, 348 887-891. ［5］姬俊燕,邬剑明,周春山,等.煤层群覆岩采动裂隙演化规律及瓦斯 抽采技术［J］.煤炭科学技术, 2013, 41S2 189-191. ［6］赵红超,张晓雷,帕力旦努尔麦麦提.松散破碎煤岩层注浆加固 技术研究［J］.煤炭技术, 2015, 349 71-73. ［7］单叶民.模拟注浆材料加固散煤体实验效果分析［J］.煤炭技术, 2014,3311 170-172. 作者简介 祝凌甫（1984-），四川乐山人，助理研究员，现从事 煤炭开采技术工作，电子信箱zlftdkj. 责任编辑王秀丽收稿日期2016－06－03 煤炭技术 Coal Technology Vol.36 No.02 Feb. 2017 第36卷第02期 2017年02月 doi10.13301/ki.ct.2017.02.022 特厚易自燃煤层高抽巷合理布置层位参数分析 陈高峰， 李树刚， 丁洋， 双海清 （1．西安科技大学 安全科学与工程学院， 西安710054；2．西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室， 西安 710054） 摘要 基于某工作面开采技术条件， 综合分析了卸压瓦斯抽采和防止采空区遗煤自燃对高 抽巷布置层位的要求，理论确定了高抽巷需布置在回风巷侧冒落带中“O”形圈内。 采用UDEC2D4.0 数值模拟和物理相似模拟实验方法，分析了覆岩裂隙演化规律及移动特征。 关键词 特厚煤层； 高抽巷； 防灭火 中图分类号TD712文献标志码A 文章编号1008 － 8725（2017）02 － 0056 － 04 Analysis of Reasonable Horizon Parameters of High Drainage Roadway in Extra-thick and Easy Spontaneous Combustion Coal Seam CHEN Gao-feng, LI Shu-gang, DING Yang, SHUANG Hai-qing 1. College of Safety Science and Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China; 2. Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention with Ministry of Education, Xi′an 710054, China AbstractBased on the mining technology conditions at a working face，analyzed the effect of the layer parameters on the relief gas drainage and the coal spontaneous combustion in the goaf of the extra- thick and easy spontaneous combustion coal seam. It was determined that the high drainage roadway is arranged in the “O“ circle. Using the UEDC2D4.0 numerical simulation and physical similar simulation experiment analyzed the evolution of overlying strata fissures. Key words extra-thick coal seam; high drainage roadway; fire prevention and extinguishing 注浆 钻孔 采空 区 弯曲 下沉 平衡 结构 56