极近距离下位煤层开切眼合理位置探讨.pdf

江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 极近距离下位煤层开切眼合理位置探讨 潘瑞峰 （霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西方山033100） 摘要木瓜煤矿为极近距离煤层群开采；本文以10-102工作面切眼巷道位置选择为实例，对下层煤10-102工作面切眼 巷道应选择在上层煤9-104工作面遗留煤柱影响范围的低应力区内进行探讨；通过理论计算与Flac3D模拟软件建立模型进 行分析，当10-102工作面切眼与上煤层9-104工作面遗留煤柱错距为0 m、4 m、8 m、12 m时，探讨切眼受遗留煤柱影响 的围岩变形及塑性区分布情况，其中煤柱错距为4 m时，切眼受上层煤影响的程度降到最低；通过煤矿现场验证，10-102工 作面切眼掘进后，围岩变形控制在有效范围内，围岩状况良好，能满足综采设备安装要求；实践表明，遗留煤柱错距选择4 m较为合理。 关键词极近煤层群；底板破坏深度；遗留煤柱；煤柱错距 中图分类号TD823.81文献标识码B文章编号1006-2572（2020）02-0123-04 Discussion on Rational Position of Open-off Cut in Ultra-close Underlying Coal Seam Pan Ruifeng Mugua Colliery, Lvliangshan Coal floor damage depth; left-over coal pillar; pillar distance 木瓜煤矿10煤层埋深约200m，为均厚2.95m 的近水平煤层，无伪顶，直接顶泥岩的单轴抗压强 度为43MPa、厚度为1.1m，直接底泥岩的单轴抗 压强度为33MPa、厚度为0.8m，老顶砂质泥岩的 单轴抗压强度为37MPa、厚度为1.4m，老底石灰 岩的单轴 抗 压 强 度 为51MPa、 厚 度 为2.84m。 10-102工作面位于一采区准备巷道左翼，其上方为 9煤层9-104、9-106采空区，与本煤层工作面的平均 层间距仅为4.5m，巷道位置关系见图1。 由于9煤 层采空区与待开采的10煤层间距极近，上煤层采空 区充分垮落后造成的应力的重新分布会使其底板 破坏，从而影响下煤层巷道的掘进及回采，因此需 要将10-102工作面切眼布置在合理位置来降低上 层煤采空区对本煤层回采的影响。 图1巷道位置关系 123 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 2.1应力分布规律分析 充分垮落是指工作面回采结束后，煤层覆岩冒 落的岩石与矸石逐渐垮落稳定、压实，对未冒落的 覆岩形成有效支撑。 大量理论分析和现场数据［2］表 明综采工作面前方距煤壁约2～3.5倍采高的距离 处会出现受采动影响形成的超前峰值支承压力；工 作面方向上会在距煤壁15～20m处出现侧向峰值 支承压力，因此相邻采空区所形成的侧向支承压力 会在某一区域叠加，叠加后可产生的应力约为5～7 倍的原岩应力。 煤壁极限平衡区边缘至内部支承压力由零增 长至极值，又从极限平衡区内部至弹性区深处逐渐 递减至原岩应力，支撑压力集度q1p由式（1）计算得 到 q1p ［（1k）L1-L2］ γH 2L1 （1） 式中k为应力集中系数，取2.6；γ为覆岩体积力，取 0.025MN/m3；L1为受支撑压力影响范围至煤壁距 离， 取25m；H为埋深， 取20m；L2为极限平衡区宽 度。 L为煤壁所产生的塑性区宽度［3］，见式（2） （） kHγ C1 tanφ1 C1 tanφ1 Px λ L2 Mλ 2tanφ1 ln （2） 式中λ为侧压系数，取1.2；φ1为煤层界面内摩擦角， 取12；c1为煤层界面内聚力，取0.2MPa；Px为支护 阻力，取0；M为回采煤层厚度，取3.5m。 上煤层工作面采空后，冒落的矸石随覆岩活动 稳定而被压实，此时应力作用在底板上的载荷集度 qcp，见式（3） qcpγ（H-M）（3） 通过计算得到上层煤采空区煤壁的支撑压力 集度q1p0.9104kN/m2，应力作用在上层煤采空区 底板上的载荷集度为qcp3104kN/m2，说明上层煤 回采过后残留煤柱仍具备一定承载能力，但作用于 底板的应力使其承受着接近底板泥岩单轴抗压强 度的支承压力，会造成底板泥岩的破坏。 2.2底板破坏深度计算 当煤层底板的极限承载强度小于叠加应力作 用产生的力时，底板一定范围内的岩层会鼓起，进 入塑性状态，这一部分底板岩层会由于持续应力作 用而形成连续的向后方采空区移动的滑移面，见图 2。 当采空区下较近距离内有下层煤工作面时，上煤 层叠加的应力可能会影响下煤层工作面的应力分 布。 图2受支承压力影响底板应力分布 图2中r0为ab的长度，D为底板破坏深度，底板泥 岩内摩擦角为φ，α为r与r0夹角，根据图2可以计算出 底板破坏深度Dr0eα αtanφ cos（α φ 2 - π 4 ）， 其中r0 L2 2cos（ π 4 φ 2 ） ，联立上述方程式即可求得上层煤回 采导致底板产生破坏的最大深度Dmax，见式（4） Dmax Mλ 4tanφ1cos（ π 4 φ 2 ） ln kHγ C1 tanφ1 C1 tanφ1 Px λ （π 4 φ 2 ） tanφ cosφe （4） 可以计算出上层煤9煤回采导致底板产生破坏 的最大深度Dmax为5.6m，破坏深度大于9煤与10煤 的煤层间距，因此需要对下煤层开切眼位置与上煤 层煤柱的相对位置关系进行分析，以期将切眼布置 在上煤层煤柱影响下的低应力区［1］，避免上煤层采 空区对下煤层工作面切眼造成巨大扰动。 3.1理论计算 由上分析可知，上煤层9工作面充分垮落后，冒 落的矸石与覆岩将影响其顶板的应力分布，结合应 力传递影响范围与上文计算得到的上层煤回采导 致底板产生破坏的最大深度，考虑到下煤层巷道布 置的现场情况与安全系数，将应力传播影响角确定 为30。 合理错距由由式（5）［4］计算得到 L′（H1H2）tanψ（5） 式中ψ为应力传播影响角， 取30；H2为10煤层的 平均厚度，取2.95m；H1为上下两层煤的平均层间 距，取4.5m。计算得到10煤层10-102工作面切眼与 上层煤煤柱的合理错距为3.7m，即将10-102工作 面切眼布置在上层煤煤柱影响范围3.7m外时，切 眼受遗留煤柱影响较小。 3.2数值模拟 通过Flac3D软件结合木瓜煤矿9煤层9-104工作 面与10煤层10-102工作面的相对位置关系及围岩 力学参数，忽略岩层倾角影响，长度方向上取9煤层 124 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 煤柱宽度20m，并取其两侧各50m，建立长125m、 宽30m、 高60m的模型并固定边界位移来研究 10-102工作面切眼与上煤层9-104工作面遗留煤柱 错距为0m、4m、8m、12m时切眼受遗留煤柱影响 的围岩变形及塑性区分布情况，得到受遗留煤柱影 响下层煤切眼布置时的最佳错距。 10-102工作面切眼与上层煤遗留煤柱不同错 距下切眼内塑性区分布情况，见图3。 （a）0m （b）4m （c）8m （d）12m 图3切眼不同位置塑性区分布情况 由图3可以得出，10-102工作面切眼与上层煤 遗留煤柱的错距为0m时，整体看围岩较大范围进 入塑性状态，其中切眼左帮只有小部分进入塑性状 态，明显小于右帮进入塑性区的范围，右帮只受剪 切破坏，底板只受拉破坏，顶板与左帮同时受拉破 坏与剪破坏，表明切眼在遗留煤柱应力集中影响范 围内；10-102工作面切眼与上层煤遗留煤柱的错距 为4m时，切眼内塑性区范围较图3（a）明显减少，并 且顶板只有较小范围出现二次破坏现象，表明此时 切眼受遗留煤柱影响较小；10-102工作面切眼与上 层煤遗留煤柱的错距为8m及12m时， 顶板与巷帮 塑性区范围较大，且错距12m时塑性区大于8m的 塑性区范围，这是由于切眼距遗留煤柱较远时，上 层煤采空区充分压实，应力较大，受到切眼开挖的 扰动，便会发生较大的破坏。 因此10-102工作面切 眼与上层煤遗留煤柱的错距为4m时，可使其围岩 承受较低的应力。 10-102工作面切眼与上层煤遗留煤柱不同错 距时切眼围岩变形情况，见图4。 图4切眼与煤柱不同错距围岩变形曲线 上述数据表明，10-102工作面切眼布置在与上 层煤遗留煤柱一定错距范围内的围岩变形量小于 将切眼布置在遗留煤柱正下方的围岩变形量，但是 距离遗留煤柱的距离越远，切眼开挖扰动影响造成 围岩变形量越大，切眼布置在与遗留煤柱下方错距 为4m处时，切眼围岩变形量最小，围岩较稳定。 因 此 ，10-102工 作 面 切 眼 布 置 位 置 应 错 开 上 层 煤 9-104工作面遗留煤柱4m，可以将切眼受上层煤影 响的程度降到最低。 3.3现场验证 井下现场对10-102工作面切眼进行跟踪，从开 挖至稳定，并没有出现煤壁片帮、冒顶等情况，说明 切眼与上层煤遗留煤柱4m的错距较为合理，使切 眼位于遗留煤柱影响下的低应力区内。 切眼掘进后 对其围岩变形量进行为期30天的监测，发现围岩移 近速率随时间的增加而减小，切眼两帮及顶底板移 近量均控制在允许范围，分别为108mm和97mm。 围岩状况良好，能满足综采设备安装要求。 125 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 落有可能造成通风不畅的重大安全 隐患，要采取相应的补充安全措施。 柳塔煤矿采用提前布置回撤通道和先进的液 压支架装车搬运设备，较大程度地提高了综采工作 面设备回撤效率，提高了安全管理水平。 柳塔煤矿 综采工作面设备快速回撤工艺的探索与应用，具有 一定的推广借鉴价值。 参考文献 ［1］ 李保春、孟海波.综放工作面设备快速拆除经验.煤矿 机械，2003（9）. ［2］ 周威.煤矿综采工作面设备安装拆除现状及改进措 施.基层建设，2017（34）. ［3］ 杨峰.煤矿综采工作面设备安装拆除现状及改进方 法.内蒙古煤炭经济，2018（2）. ［4］ 程凯.煤矿综采工作面设备安装拆除现状及优化策 略研究.防护工程，2018（28）. 作者简介陈小刚（1975-），男，山西阳泉人，毕业于太原理 工大学采矿工程专业，工程师，现从事煤矿安全评价和技术 咨询工作。 收稿日期2019-12-20编 辑李永华 现场实测数据表明，水力冲孔造穴效果明显， 钻孔抽采瓦斯量提高了7到15倍，冲出的软煤达到 2～2.5t，使孔洞周围煤体得到不同程度的卸压。 因 此，穿层高压水力冲孔造穴技术对煤层瓦斯快速抽 采和煤层卸压消突可以起到显著效果。 参考文献 ［1］ 程远平.矿井瓦斯防治［M］.徐州中国矿业大学，2017. ［2］ 孙肖琦，郑欣.工作面煤与瓦斯突出预测方法综述 ［J］.煤炭技术，2019，38（10）111-114. ［3］ 杨正宇，闫本正.冲压一体化卸压增透技术在煤层区域瓦斯 治理中的应用［J］.煤矿安全，2019，50（9）144-146150. 作者简介赵建栋（1987-），男，本科学历，助理工程师，主 要从事矿井通风与安全方面的技术和管理工作。 收稿日期2019-11-04编 辑彭呈喜 本文通过对上层煤采空区充分垮落后的应力 分布规律进行分析探讨，得出木瓜煤矿上层煤9煤 回采将会产生大于4.5m层间距的底板破坏深度， 将对下层煤10-102工作面切眼掘进造成影响。 为了 将10-102切眼布置在上煤层遗留煤柱影响下的低 应力区内，运用理论计算和数值模拟的方法确定出 10-102工作面切眼布置位置错开上层煤9-104工作 面遗留煤柱4m时，可以将切眼受上层煤影响的程 度降到最低。 现场下层煤切眼掘进稳定后，围岩变 形控制在有效范围内，围岩状况良好，满足综采设 备安装要求，说明4m的遗留煤柱错距较为合理。 参考文献 ［1］ 张百胜.极近距离煤层开采围岩控制理论及技术研究 ［D］.博士学位论文，太原理工大学，2008. ［2］ 康红普，姜铁明，高富强.预应力锚杆支护参数的设计 ［J］.煤炭学报，2008，33（7）721-726. ［3］ 侯朝炯，郭励生，勾攀峰，等.煤巷锚杆支护［M］.徐州 中国矿业大学出版社，1999. ［4］ 张海韦，张农，阚甲广，等.采空区下软煤层回采巷道围岩 稳定性控制技术［J］.煤炭科学技术，2010，38（8）25-29. 作者简介潘瑞峰（1984-），男，2018年6月毕业于太原理工 大学采矿工程专业，工程师，现从事煤矿生产技术工作。 收稿日期2020-02-20编 辑李永华 （上接120页） （上接122页） 126