煤矿综放开采停采线位置确定探究.pdf

2020 年第 5 期2020 年 5 月 与其他开采工艺生产工作面有所不同，综采工作 面走向支承压力分布规律具有特殊性[1-2]。在传统确定 综采工作面停采位置的过程中，往往存在一定的盲目 性，而且随着开采地质条件的日益复杂，传统方法在 确定综采停采线合理位置时存在缺陷，会给矿井安全 生产和经济效益带来负面影响。特别是在近距离开采 过程中，下层面开采将受到上部煤层保护煤柱和停采 位置的影响，工作面停采位置确定需要考虑上覆采空 区的作用，综合分析煤柱受力变形破坏和煤柱超前支 承压力显现，以确定最合理的停采线位置。 1工作面概况 A 矿井煤炭地质条件较为复杂，现阶段正回采 9 煤层和 10煤层，二者属于近距离开采煤层，上层 9 煤层开采已经结束，10煤层工作面处于上层煤采空区 之下，上层煤遗留煤柱及其停采位置对 10煤层开采有 较大的影响，包括煤柱尺寸留设、巷道支护、周期来 压、支承压力等，这些因素相互作用，最终影响工作 面停采线的确定。10煤层倾角为 4毅耀10毅。现阶段正回 采 10105 工作面，该工作面位于 10煤层轨道大巷的右 侧，上部为 9101、9103、9201、9203 和 9205 工作面采 空区，东部和北部均为实体煤层，南部有轨道大巷、 一采区回风大巷、胶带大巷，西部与 10109 工作面间 隔接近 300 m。 2数值计算模型建立及计算方案 结合矿井实际条件建立 10105 工作面数值模型，选 择库仑-摩尔模型，采空区为 null。模型长、宽、高分 别为 280 m、200 m、100 m，埋深取 260 m，岩层分 布及参数设置如表 1 所示。模拟工作面推进过程中煤柱 变形特征及超前支撑压力分布情况，采用分步计算开挖 的方式，采空区选用 null 单元，冒落矸石采用相似材料 替代。每间隔 2 m 设置一个监测点，检测工作面推进 过程中工作面超前支承压力和巷道围岩最大垂直压力 的变化情况。 表 1模型岩层分布及参数设置 3数值模拟结果分析 3.1工作面前方煤柱超前支承压力 模拟得到，工作面推进过程中，工作面前方煤柱应 力曲线将同步前移，靠近工作面煤壁约 8.5 m 形成应力 峰值，最高超前支承压力值为 14.65 MPa，应力集中系 数在 2.2 左右[3-4]。在工作面煤壁前方约 22 m 处出现支 收稿日期2020-03-09 作者简介荆燕敏，1988年生，男，山西阳泉人，2013年毕业于河 北工程大学采矿工程专业，助理工程师。 煤矿综放开采停采线位置确定探究 荆燕敏 （ 阳煤集团二矿，山西 阳泉 045000 ） 摘要 复杂地质条件下，确定近距离煤层下层煤开采时合理的停采线位置难度比较大。结合工程实际，运用数值模 拟手段分析了工作面支撑压力分布和煤柱变形特征，深入研究了采动影响下的巷道围岩应力分布特征，以确定最佳的停 采线位置。模拟得到，最佳停采线位置为 76 m，此时对采区其他巷道或硐室影响最小，回采安全性最好。 关键词 综采工作面；停采线位置；数值模拟；超前支撑压力；煤柱宽度 中图分类号 TD823.97文献标识码 A文章编号 2095-0802-202005-0080-02 Research on the Position of Stop-mining Line in Coal Mine Fully Mechanized Caving JING Yanmin No.2 Coal Mine, Yangquan Coal Industry Group, Yangquan 045000, Shanxi, China Abstract Under the complex geological conditions, it is difficult to determine the reasonable stop-mining line position of the lower seam of the close distance coal seams. Combined with engineering practice, this paper analyzed the distribution of support pressure and the deation characteristics of coal pillar in the working face by means of numerical simulation, and studied the distribution characteristics of surrounding rock stress under the influence of mining to determine the best stop-mining line posi- tion. Simulation results show that the best stop-mining line position is 76 m, which has the least impact on other roadways or chambers in the mining area and the best mining safety. Key words fully mechanized coal mining face; stop-mining line position; numerical simulation; advanced support pressure; width of coal pillar （总第 176 期） 技术研究 名称厚度/m 泊松比 内聚 力/MPa 内摩擦 角/毅 抗拉强 度/MPa 弹性模 量/GPa 密度/ t m-3 中砂岩2.690.226.1835.005.90472.57 细砂岩5.400.228.1835.006.70392.57 泥岩0.160.193.3526.552.58122.60 10煤层3.150.240.8630.853.29151.42 泥岩3.150.192.3529.552.58122.61 细粉砂岩2.250.247.1538.081.38432.57 泥岩3.400.203.6528.982.65112.59 80 2020 年 5 月2020 年第 5 期 承压力剧烈变形的情况，当工作面顶板下沉时，此区 域煤体出现严重的压裂变形破坏，支承压力高，巷道 变形大。在工作面煤壁前方约 74 m 处，煤体支承压力 开始接近原岩应力，可判断工作面回采影响最远距离 为 74 m。因此，综采工作面保护煤柱宽度不得小于 74 m，也就是停采线位置与 10煤层轨道大巷距离不小 于 74 m。 3.2煤柱尺寸对轨道大巷的应力影响 在工作面推进过程中，10105 工作面与轨道大巷间 的煤柱宽度越来越小，大巷受超前支承压力的影响越 来越大。结合矿井围岩实际条件，将轨道大巷围岩最 大垂直应力与原岩应力的 1.1 倍作为安全标准，模拟出 最佳煤柱宽度范围。未受 10105 工作面采动影响前，轨 道大巷两帮出现应力集中现象，顶底板以卸压为主， 最大垂直和水平应力分别为 6.47 MPa、2.25 MPa。 模拟得到，当煤柱宽度为 120 m 时，轨道大巷最 大垂直应力为 6.46 MPa，接近原岩应力；当煤柱宽度 为 76 m 时，轨道大巷最大垂直应力与原岩应力比值为 1.09，在安全标准值范围内；当煤柱宽度为 68 m 时， 轨道大巷最大垂直应力与原岩应力比值为 1.13，超过 安全标准值范围；当煤柱宽度分别为 64 m、40 m 时， 轨道大巷最大垂直应力与原岩应力比值为 1.31、1.70， 均超过安全标准值范围。由此可知，轨道大巷受采动 影响较大，变形破坏情况严重。随着煤柱宽度的增加， 10煤层轨道大巷最大垂直应力系数变化情况如图 1 所 示。分析图 1 可知，煤柱宽度与最大垂直应力系数呈 负相关，煤柱宽度越大，应力系数越小。当煤柱宽度 为 72耀76 m 时，垂直应力系数小于 1.1，对轨道大巷围 岩影响较小。因此，比较合理的停采线位置应距离轨 道大巷 72耀76 m。 图 1随煤柱宽度增加的轨道大巷垂直应力系数变化情况 3.3煤柱变形特征 当工作面接近停采线位置时，即停采线位置距离 10煤层轨道大巷约 76 m 时，观测上覆岩层下沉及相 邻硐室变形情况，以确保巷道硐室的安全[5]。图 2 为接 近停采线位置时巷道硐室应力分布情况。分析图 2 可 知，当工作面接近停采线位置时，煤体上方岩层下沉 变形比较严重，煤壁前方 76 m 范围内煤体出现压缩变 形的情况，顶底板受变形影响，区边界近似为弧形曲 线。合理的巷道布置位置应在弧形曲线以外，即 76 m 范围外，以最大程度减小巷道受采动作用的影响。 图 2接近停采线位置时巷道硐室应力分布情况 注图中的数字代表应力分布线。 距离 10105 工作面最近的巷道有 2 条，即 9煤层 变电所和 10煤层轨道大巷。随着工作面的推进，2 条 巷道或硐室的顶底板水平位移量逐渐增加，两帮变形 量尤为明显。同时，在工作面推进过程中，轨道大巷 围岩变形速率也在逐渐增加，与工作面推进距离呈正 相关，巷道两帮变形破坏严重。2 条巷道或硐室的变形 量较为接近，但变形速率有较大差异。9煤层变电所 速率先由小变大、再由大变小，表明工作面推进一定 距离后，变电所处于应力降低区。为最大程度保证巷 道安全，其设置时应尽可能布设在回采影响弧形圈以 外，此时停采线距离轨道大巷约 76 m。 4结语 综采工作面停采线位置的确定需要综合考虑各方 面因素，包括支承压力、巷道煤柱等。通过传统方式 确定停采线位置具有一定的盲目性，尤其对于近距离 下层煤开采情况，运用数值模拟手段可以最大程度掌 握支承压力分布规律，以确定最合理的停采线位置。 通过煤柱支承压力分布规律，可初步确定停采线距离 轨道大巷 74 m。而当停采线附近煤柱宽度超过 76 m 时，轨道大巷垂直应力系数接近 1.1，此时合理的停采 线位置应在 72耀76 m。工作面推进过程中，工作面采动 作用会影响 9煤层变电所和 10煤层轨道大巷，巷道应 布设在回采影响弧形圈以外。结合矿井实际情况，综 采工作面停采线距离轨道大巷应为 76 m。 参考文献 ［1］ 张毅， 王鑫.综放工作面停采线位置的优化设计 ［J］ .煤炭与化 工， 2019， 4210 33-35. ［2］ 陈科， 柏建彪， 胡忠超， 等.超前支承压力对下山的影响分析及 合理停采线位置确定 ［J］ .煤矿开采， 2010， 151 35-37. ［3］ 柳阳.综放工作面停采线位置确定研究 ［J］ .自动化应用， 20198 105-106. ［4］ 张龙飞.综放工作面停采线位置确定研究 ［J］ .山东煤炭科技， 20192 33-35. ［5］ 荆俊杰.基于关键层理论的停采线位置确定方法研究 ［J］ .煤 炭技术， 2013， 3211 27-29. （ 责任编辑白洁 ） 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 140 120 100 8076 72 68 64605652484440 煤柱宽度/m 变电所 10轨道大巷 76 m 荆燕敏 煤矿综放开采停采线位置确定探究 81