极近距离煤层同采工作面错距优化研究.pdf

工矿自动化 Ind ustry and Mi ne Auto mati o n 第46卷第7期 2020年7月 Vo l. 46 No . 7 Jul. 2020 文章编号1671-251X202007-0094-06DOI10. 13272/j. i ssn. 1671-251x. 2019110021 极近距离煤层同采工作面错距优化研究 彭志妍1, 查文华3 1.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室％ 安徽淮南232001 ； 2.安徽理工大学能源与安全学院％安徽淮南232001 ； 3.东华理工大学土木与建筑工程学院江西南昌330013 扫码移动阅读 摘要针对现有极近距离煤层联合开采研究方法获取开采错距存在较大误差的问题，以某煤矿9号和 10号煤层为工程背景，分析了极近距离同采工作面在30,36,44 m开采错距下的矿压规律，研究了 3种开采 错距下工作面支架工作阻力变化与支承压力的演化特征结果表明“00402综采工作面支架工作阻力随开 采错距增大呈现先减小后增大的特点，36 m开采错距下100402综采工作面倾斜方向支架工作阻力利用率 变化幅度最为平稳90402普采工作面超前支承压力峰值随开采错距增大呈现先减小后增大的演化特征, 其与支架工作阻力变化规律一致；开采错距为36 m时上下工作面两巷受超前支承压力影响，前顶板锚杆压 力变化平稳，顶板离层较小，离层量基本稳定在0. 6 mm以内，说明36 m开采错距合理，工作面两巷超前段 锚杆压力与顶板离层略有增大，需加强巷道支护 关键词煤炭开采；同采工作面；极近距离煤层；联合开采；开采错距；错距优化；支架工作阻力；超前 支承压力 中图分类号TD323 文献标志码A Researc h o n o pti mi zati o n o f staggered d i stanc e o n si multaneo us mi ni ng fc c es i n ultra-c lo se c o al seams PENG Zh i y an12 , ZHA Wenh ua3 1.Key Labo rato ry o f Mi ne Safety and Hi gh -effi c i enc y Mi ni ng Jo i ntly Bui lt by Pro vi nc e and Mi ni stry o f Ed uc ati o n, Anh ui Uni versi ty o f Sc i enc e and Tec h no lo gy , Huai nan 232001, Ch i na; 2. Sc h o o l o f Energy and Safety , Anh ui Uni versi ty o f Sc i enc e and Tec h no lo gy , Huai nan 232001, Ch i na; 3. Sc h o o l o f Ci vi l and Arc h i tec ture Engi neeri ng, East Ch i na Uni versi ty o f Tec h no lo gy , Nanc h ang 330013, Ch i na Abstract In vi ew o f pro blem th at usi ng exi sti ng ultra-c lo se c o al seam c o mbi ned mi ni ng researc h meth o d s to o btai n mi ni ng staggered d i stanc e h as bi gger erro rs, tak i ng No. 9 and No. 10 c o al seams o f a c o al mi ne as engi neeri ng bac k gro und , th e mi ni ng pressure law o f si multaneo us mi ni ng fac e i n ultra-c lo se c o al seamswasanaly zed und er th ree k 0nd s o f m0n0ngstaggered d 0stanc eso f30,36,44 m.Th eevo lut0o n c h arac ter0st0c so fwo rk 0ngres0stanc ec h angesand suppo rtpressureo fth ewo rk 0ngfac esuppo rtsund erth e th reem0n0ngstaggered d 0stanc ewerestud 0ed .Th eresultssh o wth atth ewo rk 0ngres0stanc eo fth esuppo rt o n100402 fuly mec h an0zed wo rk 0ng fac e d ec reases frst and th en0nc reases w0th 0nc rease o f m0n0ng staggered d 0stanc e.Th eutlzato nrateo fth ewo rk 0ngres0stanc eo fth esuppo rt0nth e0nc lned d 0rec t0o no f 收稿日期收稿日期2019-11-11；修回日期修回日期 2020-04-10；责任编辑责任编辑张强。 基金项目基金项目国家自然科学基金项目“1964002,51474005安徽省重点研究和开发计划资助项目lF04b06020361。 作者简介作者简介彭志妍1994-,女，辽宁本溪人，硕士研究生，研究方向为地下空间资源开发与利用理论和技术,E-mai l1368307278qq. c o m。通 信作者查文华1975-,男，安徽太湖人，教授，博士，主要从事矿山压力及岩层控制、岩石力学等方面的教学与研究工作,E-mai l wh zh a126. c o m。 引用格式引用格式彭志妍,查文华极近距离煤层同采工作面错距优化研究*工矿自动化，2020,46794-99. PENG Zh i y an,ZHA Wenh ua. Researc h o n o pti mi zati o n o f staggered d i stanc e o n si multaneo us mi ni ng fac es i n ultra-c lo se c o al seams Ind ustry and Mi ne Auto mati o n,2020,467 94-99. 2020 7 彭志妍等极近距离煤层同采工作面错距优化研究 ・95・ th e100402fuly mec h ani zed wo rk i ng fac e h as th e mo st stable vari ati o n range und er th e 36 m mi ni ng staggered d i stanc e.Th ead vanc esuppo rtpressurepeak valueo f090402c o nventi o nalmi ni ngfac ed ec reases i rstand th eni nc reaseswi th th ei nc reaseo fmi ni ngstaggered d i stanc e,wh i c h i sc o nsi stentwi th th ec h ange awo fwo rk i ngresi stanc eo fsuppo rt.Wh enth e mi ni ngstaggered d i stanc ei s36 m,th etwo ro ad way so f th eupperand lo wer wo rk i ngfac esareafec ted b y th ead vanc ed suppo rtpressure,th efro ntro o fb o lt pressurec h angesstead i ly ,th ero o fseparati o ni ssmal,and th eamo unto fseparati o nlay eri sb asi c aly stablewi th i n0.6 mm,i nd i c ati ngth atth e36 m mi ni ngstaggered d i stanc ei sreaso nab le,and th eb o lt pressureand ro o fseparati o ni nth ead vanc esec ti o n o fth etwo ro ad way so nth e wo rk i ngfac ei nc rease sli gh tly ,so th ero ad way suppo rtneed sto bestrength ened . Key words c o al mi ni ng ； si multaneo us mi ni ng fac e; ultra-c lo se c o al seams; c o mbi ned mi ni ng ； mi ni ng staggered d i stanc e; staggered d i stanc e o pti mi zati o n； wo rk i ng resi stanc e o f suppo rts; ad vanc ed suppo rt pressure 0引言 近年来，随着煤矿开采强度不断增大，越来越多 矿井中开采条件较好的煤层在短时间内已近枯竭％ 许多矿井开始回采复杂难采煤层，其中极近距离煤 层即是复杂难采煤层之一目前极近距离煤层 联合开采需解决的难题就是上下煤层联合开采条件 下工作面错距的确定“6*,合理的错距可以减小上下 煤层间开采的影响。 许多专家学者针对极近距离煤层联合开采做了 大量研究。杨伟等基于弹性半无限体理论，给出 煤层 开采 下工 理 选取方法，确定了上下工作面的合理错距值。 孙春东等9基于岩层移动理论，研究了上煤层工作 面走向稳压区与减压区的范围，获得了极近距离煤 层联合开采的最佳错距范围。王月星［10］基于常规 错距理论和“砌体梁”理论，分析了极近距离煤层不 同错距同采的可行性，得出了极近距离煤层同采工 作面错距的合理范围。王路军等［11］（查文华等 建立了相似物理模型，研究了极近距离煤层同采工 作面覆岩垮落规律，揭示了上下工作面周期来压特 征’袁安营等采用物理模拟方法研究了极近距 离煤层重复采动采场围岩力学特性，提出了系列工 作面强动压防治措施’严国超等采用物理模拟 方法研究了极近距离薄煤层联合开采覆岩联动垮落 规律，揭示了极近距离煤层联合开采下煤层回采过 程中应力叠加机制。任艳芳）15*采用数值模拟原理 分析了极近距离煤层矿压及覆岩运移特点，得出了 内错巷道布置在矿压控制中的作用机理’ 康健等）16*通过建立数值模型，分析了极近距离煤层 同采工作面多物理场耦合特征，揭示了其应力传递 机制，获得了上下工作面合理错距的计算公式’ 石澈等采用数值模拟方法，分析了联合开采工作 面不同开采错距工作面覆岩应力传递规律，得出了 同采工作面联合开采错距。 上述研究针对上层煤采动应力对下层煤应力的 影响程度进行了系统分析，但受限于理论计算的过 多假设条件，同时数值模拟与物理模拟中岩体力学 参数与现场实际的围岩力学特性存在较大差异，且 上述研究方法获得的开采错距缺乏有效的现场验 证，致使得出的同采工作面开采错距亦有较大误差 为此，笔者以山西灵石集广煤矿9号和10号煤层为 工程背景，设计了 30,36,44 m开采错距的现场对 照试验，并结合数值模拟方法,研究了极近距离同采 工作面3种走向开采错距下工作面支架工作阻力变 化与支承压力演化特征。研究成果为极近距离煤层 同采工作面开采错距的留设提供了理论指导。 1工程概况 1.1 山西灵石集广煤矿9号煤层和10号煤层平均 间距为3.8 m,属于极近距离煤层。两煤层标高为 -343〜一350 m,煤层平均倾角为6 ,9号煤层平 均厚度为1. 1 m, 10号煤层平均厚度为4. 1 m。 9号煤层直接顶为5. 1 m厚的K石灰岩，基本顶为 5. 2 m厚的砂质泥岩。10号煤层直接底为3. 0 m 厚的泥岩，夹层为砂质泥岩。煤层及顶底板岩性特 征见表1。 表1煤层及顶底板岩性特征 Table 1 Ch arac teri sti c s o f c o al seam and ro o f and flo o r li th o lo gy 名称岩性厚度/m岩性特征 基本顶砂质泥岩 5.2 深灰色、含植物化石、底部为页岩 直接顶K2石灰岩 5.1 灰色、致密坚硬、节理发育 煤层9号煤层 1.1 全区稳定、不含夹秆 夹层砂质泥 3.8 灰 、 为 、 、 煤层10 号煤层 4.1 全区稳定、一般不含夹秆 直接底泥 3.0 、 灰 -灰 砂质泥 层 ・96・ 工矿自动化 第46卷 1.2 开采布置 090402 高 采工 和 100402 采 工 为上下同采工作面。090402普采工作面布置在9号 煤层中，走向长度为1 480 m,倾向长度为135 m； 100402综采工作面布置在10号煤层中，走向长度 为1 560 m,倾向长度为159 m。100402综采工作面 运输巷外错090402普采工作面运输巷3 m。两工 相 置关系如图1所示。矿井设计之初，同 采工作面开采错距为18 m,在该开采错距下, 100402综采工作面支架载荷升高，安全阀开启，高 压力 下工 煤 , 工 安全 开采。 图1工 相 置关系 Fi g. 1 Relati ve po si ti o n relati o n o f wo rk i ng fac e 2现场试验现场试验 为了优化同采工作面开采错距，现场设计了 30,36,44 m的开采错距,并监测了 3种开采错距下 100402综采工作面上部、中部、下部在2次周期来 压 支架压力数据，纟 数工 i完 成落煤、拉架、推溜为 为 标的支架工 作阻力 ，并 支架 工作阻力辅助 如 图2所示。分别用绿色、蓝色、红色虚线表示开采错 距为30,36,44 m时的平均工作阻力。 图2 下结论 1 开采错距为30 m时，作面上、中、下部支架 在来压和 压期 工作阻力分别为21.4, 18.2,14.3 MPa,工作面倾斜方向支架工作阻力利 变 大 现 工 部 支 架 工 阻力大、向工作面下部逐渐减小的趋势。 2 开采错距为36 m时，工作面上、中、下部支 架在2次周期来压期间平均工作阻力分别为12. 0, 11. 7,11. 9 MPa,工作面倾斜方向支架工作阻力利 用率变化幅度较平缓，工作阻力较30 m开采错距 时明显减小。 3 开采错距为44 m时，工作面上、中、下部支 架在来压和非来压期 工作阻力分别为15. 3, e d s -RI e H e d s -RI e H b 中部支架 c 下部支架 图2工作面不同区域支架工作阻力曲线 Fi g. 2 Curves o f wo rk i ng resi stanc e o f suppo rts i n d i fferent areas o f wo rk i ng fc c e 17. 1,14. 5 MPa,工作面倾斜方向支架工作阻力利 用率变化幅度再次变大，呈现工 中部 支架 工作阻力大、向工 ，且工作 循环数 a上部支架 -18.2 MPa [17.1 MPa -i--11.7MPa 阻力较36 m开采错距时增大。 综合分析可知，开采错距为36 m时，100402综 采工 支架工作阻力 ，工 方向支架 工作阻力 变 。两工 向开 采 布置为36 m较为合理。 3数值模拟数值模拟 31 为研究同采工作面3种开采错距下支承压力演 化规律，建立了三维尺寸为250 m走向X 260 m 倾向X110 m高度的FLAG数值计算模型，如 图3所示。模型采用M-C本构和大应变变形模 应力边界 图3数值计算模型 Fi g. 3 Numeri c al c alc ulati o n mo d el 2020年第7期彭志妍等极近距离煤层同采工作面错距优化研究・97・ 式，模型四边和底部采用位移边界，顶部为自由边 界。模型顶部施加8. 2 MPa载荷，用以补偿未模拟 的上覆岩层重力载荷。采用弱化材料滞后15 m充 填工作面采空区。 为减小模型边界效应，同采工作面两侧各留 50 m保护煤柱。模拟过程中煤层每5 m为一开挖 步距，且每一开挖步距计算稳定后，再开挖下一步 距。为比较真实反映煤岩体赋存状况，共模拟9层 岩层。煤岩物理力学参数见表2。 3.2 结果分析 为了分析3种开采错距下同采工作面走向支承 压力分布特征，截取了工作面走向支承压力云图，并 提取了两工作面夹层间支承压力数据，如图4所示。 表2煤岩物理力学参数 Table 2 Ph y si c al and mec h ani c al parameters o f c o al and ro c k 岩性 厚度/ m / k g ・ m-3 弹性模 量/GPa 黏聚 力/MPa 内摩擦 角/ 泊松比 砂质泥5.2 2384 5. 221. 18 340.17 K2石灰岩5.1 2580 15. 86 4.00450.08 9号煤层1.1 1425 2. 180. 50 280.23 砂质泥3.8 23845.22 1. 18 340.17 10 号煤层 4114252. 180. 50280.23 泥30 2230 4. 350. 70 300.20 砂质泥31 23845.221. 18340.17 25 20 15 测线 10 5 测线 错距3 6 m 40 巨面 血普采血普采工作审工作审 综采工作面 测线 错距30 m 20 0 -20 距工作面距离/m 图4不同开采错距下夹层支承压力 Fi g. 4 Interlay er suppo rt pressure at d i fferent mi ni ng staggered d i stanc e 由图4可得到如下结论 1 开采错距为30 m时，090402普采工作面 超前支承压力与100402综采工作面超前支承压力 叠加，支承压力峰值升高，为21. 2 MPa。 2 开采错距为36 m时，090402普采工作面 受同采工作面超前支承压力叠加效应影响减弱，支 承压力峰值降低，为19.3 MPa。 3 开采错距为44 m时，090402普采工作面 受同采工作面超前支承压力叠加效应影响进一步减 弱，但支承压力峰值升高，为21. 1 MPa,说明随着开 采错距增大，覆岩结构对090402普采工作面超前支 承压力的影响增强。 综合分析可知，开采错距为36 m时，090402普 采工作面超前支承压力峰值最小，这与100402综采 工作面支架工作阻力变化规律相一致，进一步说明 了两工作面走向开采错距布置为36 m时较为 理。 4 工程验证 为了验证36 m开采错距的合理性，监测了 090402 采工 和 100402 采 工 采 过 程 中两巷运输巷和回风巷顶板锚杆压力变化速率及 顶板离层状况，如图5、图6所示。 2.0 1.5 1.0 0.5 10 20 运输巷顶板锚杆 --回风巷顶板锚杆 2.0 1.5 1.0 0.5 0 10 20 30 40 50 60 测点距工作面煤壁距离/m a 090402普采工作面 运输巷顶板锚杆 回风巷顶板锚杆 304050 测点距工作面煤壁距离/m b 100402 采工 6070 图5工作面两巷顶板锚杆压力变化速率曲线 Fi g. 5 Curves o f pressure c h ange rate o f ro o f bo lts o f two r o ad way s o n wo rk i ng fac e ・98・工矿自动化第46卷 0.6 0.4 0.2 、 运输巷顶板离层 _-i回风巷顶板离层 1020 30 40 50 测点距工作面煤壁距离/m 600 a 090402普采工作面 运输巷顶板离层 _.i回风巷顶板离层 0.6 0.4 0.2 0 10 20 30 40 50 60 70 测点距工作面煤壁距离/m b 100402 采 工 图6工作面两巷顶板离层量曲线 Fi g. 6 Curves o f ro o f separati o n o f two ro ad way s o n wo rk i ng fac e 由图5可知观测点距090402普采工作面煤壁 30 m以上时，两巷顶板锚杆压力变化速率波动幅度 范围为0〜0. 7 k N/d ,观测点距工作面煤壁30 m以 内时，锚杆压力变化速率呈增大趋势,但变化速率小 于2 k N/d；090402普采工作面回采后，顶板应力释 放，100402综采工作面煤壁超前支承压力影响范围 减小，为20 m左右，观测点距100402综采工作面煤 壁20 m以上时，两巷顶板锚杆压力变化速率波动 090402 采 工 巷 波 动 为 0〜0. 5 k N/do 由图6可知观测点距090402普采工作面煤壁 30 m以上时，两巷顶板离层值波动幅度较小，范围 为0〜0. 15 mm，观测点距工作面煤壁30 m以内 时，顶板离层值略微增大，整体小于0. 6 mm； 090402普采工作面回采后，顶板破断，完整性降低; 观测点距100402综采工作面煤壁20 m以上时，顶 板离层波动幅度较090402普采工作面增大，这与顶 板锚杆压力变化速率规律相对应，即100402综采工 作面位于应力释放区，巷道应力集中程度降低，但巷 道围岩破碎程度增强。 5结论结论 1结合3种开采错距下100402综采工作面 上、中、下部支架工作阻力数据，获得了工作面支架 工作阻力随开采错距增大呈现先减小后增大的特 点；36 m开采错距下，100402综采工作面倾斜方向 支架工作阻力利用率变化幅度最为平稳。 2 基于数值模型，揭示了工作面超前支承压 力峰值随开采错距增大呈现先减小后增大的演化特 征，090402普采工作面超前支承压力演化特征与 100402综采工作面支架工作阻力变化规律具有一 致性。 3 工作面两巷顶板锚杆压力变化速率与顶板 离层实验结果表明，开采错距优化后的工作面两巷 顶板锚杆压力变化速率平缓，顶板离层量基本稳定 在0.6 mm以内，说明36 m开采错距合理。 参考文献References 1 *张百胜.极近距离煤层开采围岩控制理论及技术研究 [D*.太原太原理工大学，2008. 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