放顶煤开采高抽巷层位确定的UDEC模拟.pdf

ＳｅｒｉａｌＮｏ．６１３Ｍａｙ２０２０现代矿业ＭＯＤＥＲＮＭＩＮＩＮＧ总第６１３期２０２０年５月第５期 国家重点研发计划项目（编号２０１７ＹＦＣ０８０４２０７），中国煤炭科工集团科技创新基金项目（编号２０１８ＱＮ０１１）。周立新（１９６７），男，工程师，７２１５９９陕西省宝鸡市麟游县招贤镇。放顶煤开采高抽巷层位确定的ＵＤＥＣ模拟 周立新１崔宏磊２，３（１．皖北煤电陕西金源招贤矿业有限公司；２．煤科集团沈阳研究院有限公司；３．煤矿安全技术国家重点实验室）摘要为得到综采顶板高位钻孔的合理层位，以某矿２６０１工作面为工程背景，采用数值计算软件ＵＤＥＣ对放顶煤开采进行了模拟，得到了顶板岩层移动过程中的膨胀变形演化规律，依据上述规律最终确定了顶板高位钻孔布置于２６０１工作面顶板上方１７～２２ｍ范围。现场验证表明，该层位抽采瓦斯浓度较高，且流量稳定。关键词合理层位膨胀变形高位钻孔浓度流量ＤＯＩ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４  ６０８２．２０２０．０５．０１４ＵＤＥＣＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＨｉｇｈＰｕｌｌｉｎｇＬａｎｅＬａｙｅｒｓｉｎＴｏｐＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＺｈｏｕＬｉｘｉｎ１ＣｕｉＨｏｎｇｌｅｉ２，３（１．ＳｈａａｎｘｉＪｉｎｙｕａｎＺｈａｏｘｉａｎＭｉｎｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＷａｎｂｅｉＣｏａｌａｎｄＰｏｗｅｒＧｒｏｕｐ；２．ＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＳｈｅｎｙａｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．；３．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌＭｉｎｅＳａｆｅｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｇｅｔｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈｈｏｌｅｉｎｔｈｅｔｏｐｐｌａｔｅｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍｉｎ  ｉｎｇｒｏｏｆ，ｕｓｉｎｇｔｈｅ２６０１ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｏｆａｃｅｒｔａｉｎｍｉｎｅａｓｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕ  ｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅＵＤＥＣｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｍｉｎｉｎｇｏｆｔｈｅｔｏｐｃｏａｌ，ａｎｄｔｈｅｅｘｐａｎｓｉｏｎａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｅ  ｖｏｌｕｔｉｏｎｌａｗｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｏｐｐｌａｔｅｒｏｃｋｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｂｏｖｅｌａｗｓ，ｉｔｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈａｔｔｈｅｔｏｐｐｌａｔｅｈｉｇｈｄｒｉｌｌｉｎｇａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｉｓｌｏｃａｔｅｄｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ１７～２２ｍａｂｏｖｅｔｈｅｔｏｐｐｌａｔｅｏｆｔｈｅ２６０１ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ．Ｔｈｅｆｉｅｌｄｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｓｈｉｇｈａｎｄｔｈｅｆｌｏｗｉｓｓｔａｂｌｅ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＲｅａｓｏｎａｂｌｅｌｅｖｅｌ，Ｅｘｐａｎｓｉｏｎａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｈｉｇｈｄｒｉｌｌｉｎｇ，Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，Ｆｌｏｗ合理的高抽巷层位不仅要保证抽采瓦斯浓度较高，同时在抽采过程中能够保证抽采的稳定性。高抽巷抽采稳定层位的选择与顶板垮落结构密不可分，在对采空区上覆岩层垮落特征进行大量研究的基础上，钱鸣高院士提出了顶板瓦斯富集的Ｏ型圈理论。该理论认为，在采空区上覆顶板一定区域内，存在裂隙富集的类似于圆角矩形的Ｏ型裂隙带。依据该理论，高抽巷布置走向层位及倾向内错距需要考虑顶板 “ 上三带” 的分布特征， “ 上三带” 经验公式在现场工程中得到了较广泛的使用［１］。同时国内学者依据采空区瓦斯运移规律，开展了层位分布于瓦斯流动关系的数值模拟［２  ５］。实验研究方面［６  ８］，主要通过相似模拟实验研究了顶板岩层垮落规律，通过分析岩层垮落结构得出最优高抽巷层位布置。数值计算分析顶板垮落结构具有可重复性强，节省时间，便于观测等优点，本研究基于数值计算分析了顶板垮落结构，进一步得到最优的高抽巷布置层位。１工程地质背景及计算模型建立２６０１工作面为西扩区初采工作面，该工作面所在３＃煤层为缓倾斜煤层，采煤方法为综采放顶煤采煤法，设计工作面开采高度为３．０ｍ，放煤高度为３ｍ，工作面走向长度为１７３０ｍ，倾向长度为２２５ｍ，日推进度为４．８ｍ。２６０１工作面顶板以中硬岩层为主。１．１数值模型建立１．１．１模型参数选取依据实验室测试得到的岩石物理力学参数，考虑到岩块和实际岩体有一定的差别，特别是岩层中一些节理裂隙的存在，并且其发育程度的不同更使得岩体的特性难以测定。因此，在模拟时，要将实验室测得的岩石力学参数加以修正，然后再用于模拟计算。具体的参数如表１所示。１５表１模拟的煤岩力学参数煤岩石名称密度／（ｇ／ｃｍ３）体积模量／ｋＧＰａ剪切模量／ＧＰａ黏聚力／ＭＰａ内摩擦角／（）抗拉强度／ＭＰａ法相刚度／ＧＰａ切向刚度／ＧＰａ中粒砂岩２．７５２７．２１６．３３３４５２２２４１５细粒砂岩１２．７２６．９１５．９３０４２１９２０１５泥岩１２．４１３．６７．８２５２８９１１６３＃煤１．４４．２２１２０１３０．２泥岩２２．５８．９４．５３０３２１０６１细粒砂岩２２．６５１８．７１１２７３３１８１３８１．１．２计算模型的建立根据现场实际生产情况，创建模型时主要考虑煤层赋存状况，煤层水平分布。模型建立尺寸为２００ｍ１３５ｍ（长高），开切眼未形成前，岩层处于原始应力场中，开切眼的开挖和工作面的推进是在原始应力场的基础上进行的，因此，开挖前需将计算模拟加至应力平衡。如图１所示。图１数值计算模型（单位ｍ）１．２顶板变形值的计算如图２，测线１与测线２为顶板相邻２组位移测线，工作面每开挖一步，依据各顶板测点的位移变化值计算两测线间的变形值。设测点１的位置值为ｘ，测点１ ′ 的位移值为ｘ ′ ，两测点初始间距为Ｓ，其变形值Ｍ采用下式计算Ｍ＝（ｘ ′ －ｘ）／Ｓ，（１）当Ｍ＞０时，该水平位置对应测线间岩层膨胀；当Ｍ＜０时，该水平位置对应测线间岩层压缩。图２顶板变形值计算依据式（１）对工作面开挖至不同位置时，图２各水平测线的变形值进行计算。采用绘图软件做等值线图，即可得到不同开挖距离时，工作面顶板各岩层的膨胀压缩变形演化过程，如图３～图８所示。２顶板岩层膨胀变形演化规律图３～图５表明，随着工作面推进顶板卸压膨胀的范围在逐渐增加。工作面推进至４０ｍ时，变形值大于０的区域分布于２０ｍ＜ｘ＜４０ｍ，２０ｍ＜ｙ＜７０ｍ范围内；当工作面推进至８０ｍ时，膨胀变形范围在ｘ方向增加至８０ｍ，在ｙ方向上增加至８０ｍ。同时对图３工作面推进４０ｍ顶板变形值分布（单位ｍ）图４工作面推进５５ｍ顶板变形值分布（单位ｍ）图５工作面推进８０ｍ顶板变形值分布（单位ｍ）图６工作面推进１１０ｍ顶板变形值分布（单位ｍ）比各图中膨胀变形区内的等值线可知，在工作面推进２５总第６１３期现代矿业２０２０年５月第５期图７工作面推进１２０ｍ顶板变形值分布（单位ｍ）图８工作面推进１４０ｍ顶板变形值分布（单位ｍ）至８０ｍ的过程中，岩层膨胀变形量表现为靠近开采层顶板处的膨胀变形值大于远离开采层顶板的膨胀变形值。煤层顶板对应的纵坐标为ｙ＝５０ｍ。当工作面推进至１１０ｍ时，工作面顶板膨胀变形区域进一步增加，在ｘ方向增加至１０５ｍ附近，在ｙ方向增加至９０ｍ附近。同时发现在该膨胀变形区域内，膨胀变形量较大区域在工作面后方斜向上方向分布，如图６所示工作面后方深色区域，为后续表述方便，将此区域命名为高渗区。如图７所示，随着工作面继续推进至１２０ｍ，高渗区向采空区垮落岩层范围的中部转移，同时其分布层位逐渐趋于稳定。该现象可能是由于在开挖空间达到一定值时，压实逐渐增加导致。开挖初期岩层垮落范围较小，采空区下方垮落岩石未被压实，此时渗透性表现为靠近煤层顶板渗透性大，远离煤层顶板渗透性小的特征。随着开采空间的增加，在煤层顶板裂隙带内又形成了不同渗透性区域，下方垮落岩体被压实后渗透性下降，因此高渗区就向中部转移。开挖至１４０ｍ时，如图８。顶板高渗区最大位置相对开挖至１２０ｍ时未发生较大改变，表明此时高渗区位置已稳定。最终确定高渗区分布位置为７０ｍ＜ｙ＜８０ｍ。此区域距离工作面顶板高度为２０～３０ｍ。３现场验证３．１实验钻孔布置根据前述数值计算和实验研究得出的高抽巷较合理的布设高度范围，在２５０２工作面回风顺槽中布置高位钻孔进行现场抽采验证。在１５～３０ｍ高度范围内，布设高位钻孔，确定终孔位置距煤层顶板垂距分别为１５，１８，２１，２４，２７，３０ｍ不同层位抽采瓦斯浓度情况，钻孔的布置情况如图９所示，钻孔编号分别为１＃～６＃。图９高位钻场钻孔布置剖面３．２结果分析各钻孔瓦斯抽采浓度如图１０所示。图１０钻孔抽采浓度图１０（ａ）可以得出瓦斯抽采浓度平均为４％，钻孔层位于冒落带上部，由于冒落带中（下转第５９页）３５周立新崔宏磊放顶煤开采高抽巷层位确定的ＵＤＥＣ模拟２０２０年５月第５期全隐患的采场，除采取安全技术措施加强现场检查外，还应有相关人员跟班监护措施，以保证采场作业人员及设备的安全作业。实行“ 三检三撬” 顶板管理办法，应严格要求矿前检查和检撬、凿岩过程中检查和检撬、装药前检查和检撬。另外，也可制定有关标准，严格保持矿柱的尺寸、形状和直立度，并有专人检查和管理，以保证其在整个利用期间的稳定性。采场顶板管理规章制度和标准应根据矿山实际情况制定，要详细、具体，责任要落实部门、落实到人，并在矿山生产管理过程中，不断修改和完善。４结论（１）矿山西区采场顶板基本选用锚杆支护、长锚索支护及联合支护，其中大部分采用锚杆支护，有特殊地段可根据实际情况采用长锚索支护、锚网支护、锚喷支护及长锚索与锚杆联合支护。（２）由于似层状顶板在平行方向上岩层整体性较好，经综合考虑锚杆支护、长锚索支护、联合支护３种支护类型优缺点后，得出长锚索支护方式可利用似层状顶板整体性的结构特点进行支护。通过长锚索挤压加固，长锚索支护方式可以提高似层状顶板的整体性以及抗剪强度，实现对似层状顶板的安全支护。（３）对于采场顶板支护方式的选择应因地制宜，根据不同的地质条件，采取不同的支护方式，或以一种形式或几种形式的联合支护，充分利用岩层的自承能力。因此，采场的地质情况一定要清楚、完整，以便确定采用不同的支护方式。参考文献［１］张西斌，张勇，李春元，等．大断面薄层状顶板回采巷道支护技术［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１１，３９（７）５  ８，５６．［２］贾会会．爆破作用对层状顶板接触层面累积破坏效应分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１７，１３（Ｓ１）４２７  ４３２．［３］张国锋，何满潮，金龙，等．煤巷倾斜层状顶板变形失稳机理及支护技术［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１１，３９（５）１  ５．［４］冯吉成，许海涛，郑，等．煤巷复合顶板岩层失稳判别方法与冒顶隐患分级［Ｊ］．煤炭工程，２０１９（８）７８  ８３．［５］熊仁钦．采场顶板大面积冒落的破坏性及防治原理［Ｊ］．矿山压力与顶板管理，１９９５（３）３３  ３８．［６］祁昌林，黄班玛．公路隧道施工采用管缝式锚杆的探讨［Ｊ］．公路交通科技（应用技术版），２０１９，１５２１２  ２１４．［７］李帅，李鹏，宋士康，等．梁式耦合加固技术在巷道顶板控制中的应用［Ｊ］．陕西煤炭，２０１９，３８（５）１０５  １０８．［８］朱天平．获各琦铜矿充填采场顶板支护实践［Ｊ］．有色金属矿山部分，２０１２，６４５１  ５３．［９］曹仁贵．青菜冲矿采场顶板支护方法及施工技术研究［Ｊ］．采矿技术，２０１３，１３３０  ３４．［１０］魏月霞，刘小明．注浆技术在破碎顶板支护管理中的应用［Ｊ］．河南科技，２０１９（１６）１０１  １０３．［１１］石求志，曾凡珍．阿舍勒铜矿采场顶板支护试验研究［Ｊ］．江西有色金属，２００６，２０（３）１８  ２０．（收稿日期２０２０  ０１  １６櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄）（上接第５３页）裂隙与采空区联通，在抽采负压作用下钻孔会抽入大量空气；图１０（ｃ）、（ｄ）分析，其抽采浓度的变化趋势为逐渐升高在降低，最大抽采浓度达到１８％～２２％，主要在工作面推进２５～４０ｍ范围内，然后逐渐下降到最低，达到６％。下降原因主要为钻孔施工存在一定仰角，随着工作面推进，终孔位置降低导致；图１０（ｅ）、（ｆ）所示，最大浓度为１５％，最低浓度为２％，浓度下降同样由于终孔位置下降引起。当采用高抽巷进行抽采时，巷道能够稳定在一定高度内，避免了终孔位置的下降。现场试验表明，２６０１工作面确定高抽巷的合理层位是距顶板上１８～３０ｍ范围内。４结论（１）采用顶板岩层的膨胀变形量得到了顶板卸压透气性随工作面回采的变化规律，回采过程中顶板高透高渗区域逐步远离煤层，但随着推进距离增加至一定值时，高透高渗区域与工作面的距离保持不变。（２）现场验证表明，顶板上方１８～３０ｍ范围为卸压膨胀区域，该区域内抽采瓦斯浓度较高。依据数值计算结果及现场验证，最终将顶板高抽巷层位确定为顶板上方１８～３０ｍ范围内。参考文献［１］许延春，李俊成，刘世奇，等．综放开采覆岩“ 两带” 高度的计算公式及适用性分析［Ｊ］．煤矿开采，２０１１，１６（２）４  ７，１１．［２］丁厚成，马超．走向高抽巷抽放采空区瓦斯数值模拟与试验分析［Ｊ］．中国安全生产科学技术，２０１２，８（５）５  １０．［３］武磊，毛桃良，戴广龙，等．黄岩汇煤矿高抽巷的最佳位置选择［Ｊ］．中国矿业，２０１２，２１（１０）１０５  １０８．［４］李一波，郑万成，王凤双．顶板走向高抽巷瓦斯抽采效果分析［Ｊ］．矿业安全与环保，２０１３，４０（３）７４  ７６．［５］梁运涛，张腾飞，王树刚，等．采空区孔隙率非均质模型及其流场分布模拟［Ｊ］．煤炭学报，２００９，３４（９）１２０３  １２０７．［６］康天合，柴肇云，李义宝，等．底层大采高综放全厚开采２０ｍ特厚中硬煤层的物理模拟研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，２６（５）１０６５  １０７２．［７］张凤杰，高召宁，孟祥瑞． “ 三软” 大采高综采工作面覆岩结构及运动规律分析［Ｊ］．矿业安全与环保，２０１２，３９（６）１０  １４．［８］王高利，涂敏，张向阳．大倾角综采面覆岩移动规律的相似材料模拟［Ｊ］．黑龙江科技学院学报，２００７，１７（６）１０  １４．（收稿日期２０２０  ０１  １６）９５吴才伍向海龙等某矿似层状顶板支护技术研究２０２０年５月第５期

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