混合残采区复采上覆岩层应力时空演变特征研究.pdf

第29卷第5期 2020年5月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE Vol. 29 , No. 5 Ma y 2020 混合残采区复采上覆岩层应力时空演变特征研究 王 昆】，唐海波1,刘大鹏2,徐忠和3 （1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024； 2.承德石油高等专科学校，河北承德067000； 3 .煤炭工业太原设计研究院，山西 太原030001） 摘要本文结合三维相似模拟和数值模拟的方法对复采工作面斜交过混合残采区引起的覆岩应力演变 特征进行了系统研究其次，当通过同样的开采方式过巷式残采区时，采场上部0〜5 m层位顶板对覆岩有明 显应力支撑作用；最后，无论过房式还是巷式残采区，复采工作面斜交过残采区方案都是合理可行的 2. Chengde Petroleum College, Chengde 067000, China； 3. Ta iyua n Design Resea rch Institute for Coa l Industry, Ta iyua n 030001, China Abstract In this pa per, the cha ra cteristics of overburden stress evolution ca used by oblique crossing of compound mining fa ce over mixed residua l mining a rea a re systema tica lly studied by using the s of three-dimensiona l simila rity simula tion a nd numerica l simula tion. Firstly, in the process of oblique crossing of compound mining fa ce over room residua l mining a rea , the stress va lue of roof in front of working fa ce increa ses ra pidly before a nd a fter the direct roof spa n fa lling. Under the disturba nce loa d, the edge of coa l pilla r will be fra ctured, a nd rea sona ble support dista nce a nd roof control dista nce should be selected in the process of re-mining of room residua l mining a rea . Then, when the sa me mining pa sses through the roa dwa y-type residua l mining a rea , the roof of 0-5 m stra tum in the upper pa rt of the stope ha s obvious stress support effect on the overburden. Fina lly, whether through the room-type or roa dwa y-type residua l mining a rea ,the scheme of oblique crossing over the residua l mining a rea of the duplica te mining fa ce is rea sona blea ndfea s4ble. Keywords mixed residua l a rea； simila r simula tion； reta ined coa l pilla r； numerica l simula tion 大部分乡镇煤炭企业在2009年煤企兼并组合 政策出台之前都是独立生产作业的，其采掘设备的 收稿日期201904-26 责任编辑赵奎涛 基金项目国家自然科学基金资助项目资助（编号U1261102） 第一作者简介王昆（1989-）,男，山西应县人，博士，主要从事残煤 复采方面的研究，E-ma il cuinnwong 126. com。 引用格式王昆，唐海波，刘大鹏，等.混合残采区复采上覆岩层应力 时空演变特征研究中国矿业，2020,29 （5） 157-161. doi 10. 12075/j. issn. 1004-4051. 2020. 05. 011 先进性远远落后于国有煤矿，这些矿井主要通过房 式和巷式方法进行采煤，造成煤炭剩余资源过大，也 导致煤企整合后无法布置长壁工作面进行机械化采 煤旧采工作面埋深较浅，如果不对旧采形成的 采空区进行有效处理，则地表水以及工作面覆岩含 水层容易通过采动引起的裂隙群渗流到采空区，从 而引起更为强烈的地质灾害旧式采煤法开采 形成的资源煤质优良，经济价值高[67],残煤复采对 提高煤企经济效益以及煤炭回收率均具有重要意 158 中国矿业第29卷 义。山西某矿井旧采区为房式和巷式混合残采区 此为背景，进行了复采面与房式残采区斜交 布置房式开采的 似模拟研究，从而得到工作 面斜交 式残采区引起的覆岩矿压演变规律，评 布置的合理性，然后对工作面斜交 式残采 区引起的矿压分布特征进行 模拟研究，综合评 定混合残采区复采 应力 演变特征，为 合残采区合理开采方式研究 1房柱式残煤复采的 似模拟试验 1.1开采方案建立 该矿井3 是特厚煤层，厚度平均为4 . 2 m, 为稳定可采 泥岩和粉砂 为主, 主要为泥岩和细粒砂岩互层，底板岩 主要是粉砂岩 3 ，为全区稳定 可采 矿井整合前开采方式为 式和巷式, 其开采特点主要 为采 、采 ，开采范 规则造 的 资源浪费 等〔8切通 模拟和相似模拟结合的 方 研究 复采工作面 行 式 采区对 的 规律,研究得 复采工作面采用 方式布 采场 程中顶板 事 故发生的概率极大为 证 复采的安全可靠 程度 证 资源尽 高的 率，提出复 采工作面45斜交 式残采区的方案，房柱尺寸 为25 mh3 0 m,房宽为10 m本次试验应力测点 主要布置在待采 10 m和30 m 的顶 板处，分别用来监 和 的应力变 化情况。不同层位岩层应力测点布置方案见图1 12 应力演 规律 与正常综采 ，房式残采区复采过程中引起 的矿压分布特征更为复杂, 的 更为破碎, 而且在工作面推 程中 会发生 的垮 落，垮落步距在12〜17 m之间，同时伴随2〜5 m 的 。其垮落特征如图2所示 s1点在 两 程中应力变化特征 如图3所示 第一 ，作用在工作 面支撑煤柱上的应力从11. 5 MPa增加到12 MPa, 是因为s1点 工作面边缘, 老顶 裸露部分 * 第 ，应力从 12 MPa增加到13 MPa。由此可见，复采过程中直 ，工作面前方顶板应力 加迅速，由 两 步距较为接近，故认为应力 率和 与 呈现出线性正 系 100 p 800 20Q a 直接顶b基本顶 单位mm 图1应力测点布置方案示意图 Fig. 1 Schematic diagram of stress measuring point arrangement 图2 复采过程中直接顶垮落特征示意图 Fig. 2 Characteristic sketch of direct roof spanning and falling in the process of remining 图3 测 s1 应力 意图 Fig. 3 Characteristics sketch of stress changes at measuring point s1 在试验过程中还发现采场直接顶垮落并不会对 老 产生显著影响，由此可得，在 就与 老 发生 ，即对老 会形成 支撑 1.3完整的复采过程中顶板应力时空演化特征 复采面推 中 出 距 , 板 应力 明显，期 板共发生4 。结合 应力 特征对此过程进行分析，4 具体发 生的 图4所示。由图4 , 和 顶的 步距分别为17 m和56 m顶板垮落 第5期 王 昆，等混合残采区复采上覆岩层应力时空演变特征研究 159 图4顶板垮落的具体位置及尺寸示意图 Fig. 4 Drawing of the specific positions and sizes of roof fall 形态如图5所示 工作面推进中顶板测点s2和测点s3应力变化 特征如图6a所示。由图6a可知，当复采工作面 推 60 m时，测点s2应力值开始下降，由 14 MPa下降到13 . 5 MPa,此时煤层上方实际10 m 范围开始运移。当推进距离为65 m时，测点s2应 力值迅速从13 . 5 MPa减小至13 . 0 MPa,顶板第一 次垮落。在这个过程中测点s3的应力变化程度较小。 在顶板4 的过程中, 应力［化 曲线如图6b 所示。当复采工作面推 40 m的 过程中，测点s5的应力变化极小，几乎不受采动的干 扰，当推进距离在40〜55 m之间时，应力从15 MPa 13 MPa。在整个复采过程中，测点s 6的 应力 极小，从顶板 开采结束,应力才 呈极缓慢的 趋势，这是因为 点 采场隔 边 。 点s 7应力波动范围较大。在顶板发生2次 程中 , 点 7 应 力 为 的 特 征 , 最小为12. 5 MPa,最大为13 . 5 MPa。而顶板发生 2 和3 的间隔很小，复采工作面仅推 1 ,3 和 2 程 中 点 应 力 特征 。 在房式残采区复采过程中，旧采区留设煤柱从 边缘到内部可划分为松散区域、过渡区域和弹性区 域10。松散区域受采动引起的矿 力 为 显著，其失稳特征主要 为破断和 等,该区域 深度最大可达2 m,如图7所示。由图7可知，在接 近采场推进方向的一侧 方松 更为显 著，说明 的矿 力更为明显 图5顶板垮落形态示意图 Fig. 5 Sketch map of roof spanning and falling 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120 推进距离/m a 测点s2和测点s3 12 11 J- I------1------1-----1-----1-----1----」一 一_L - I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 推进距离/m b测点s5、测点s6和测点s7 图6测点应力变化特征示意图 Fig. 6 Characteristics diagram of stress changes at measured points 160中国矿业 第29卷 图7煤壁破坏特征示意图 Fig. 7 Characteristics sketch of coal wall failure 1.4复采过程中 定性演变特征研究 复采采动引起的矿 力对留 的主要影 响特征 为边 体 的 , 明显的应力集中作用，垮落特征如图8所示。 从煤柱垮落的厚度来看，应力集中区域的范围与煤 边 致 。由此 得 边缘 破碎区域范围为边缘2 m范围、四角6 m范围。在 式残采区复采过程中要选择合理的支护距离和控 距，以避 的发生 2复采工作面与残采区合理斜交角度的研究复采工作面与残采区合理斜交角度的研究 似模拟主要进行了复采工作面45斜交 式 采区 应力 演 和 定性 特征 的研究，从结果来看，该布置方式有效避 复采过 采空区引起的 板 事故，采场上覆岩层表 为分步 的特征 umiumi 0 0 0 0 ⑴⑴ g.g. FlFl 图 8 8 8煤柱边边角处的应力集应力集中区域示意图 Schematic diagram of7tre7concentration area attheedgeandcornerofcoalpilar ⑶⑶ 120 110 100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 ・ 120 110 100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 ・ - - - - - - - - a 05 m顶板，推进距离51 m -100 □ -100〜90 ■ 90〜80 ■ _80 〜70 ■ -70〜60 ■ -60〜50 □ -5040 ■ 4030 □ -3020 □ -2010 ■ 100 ■ 0-10 顶板5-10 m 推进51 m 45 垂直应力 c 05 m顶板，推进距离54 m b 510 m顶板，推进距离51 m 100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 r 100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 r d 5〜10 m顶板，推进距离54 m 顶板510 m 扌隹进54 m 图图9不同推进距离下覆岩应力分布特征不同推进距离下覆岩应力分布特征 Fig. 9 Stress distribution characteristics of overburden rock under different propulsion distances 第5期 王 昆，等混合残采区复采上覆岩层应力时空演变特征研究161 从覆岩垮落特征角度来看，在整个残煤复采过 程中，顶板共出现了 4次垮落现象，前2次垮落范围 较小，破断位置处于复采工作面左右两侧，第3次垮 落的覆岩厚度较大，而最后一次垮落的覆岩层位更 高，顶板破断位置处于采场后方故认为采用该种 方式进行残煤复采时，旧采过程中已经使得直接顶 和基本顶岩层发生了一次垮落。 从覆岩应力演化特征角度分［，在复采过程中 煤体应力变化程度很小，这是由于在旧采房式开采 过程中覆岩应力释放已经较多复采工作面45。斜 交过房式残采区可以防止工作面过空巷引起的覆岩 大范围来压现象的发生复采工作面推进过一个留 设煤柱时形成的控顶距最大，此时覆岩垮落发生的 可能性也最高，所以在房式残煤复采时要特别加强 该时刻的顶板支护工作 在顶板垮落前覆岩的变形量较为显著，应力增 大明显，故在现场实际环境中要注意该现象的发生 同时，在复采采动引起的矿压作用下煤柱边缘破碎范 围会逐步增加，煤壁发生片帮的概率也会愈来愈大, 当复采临近采空区时更要加强煤壁防片帮的工作。 。 3复采工作面斜交过巷式残采区覆岩应力特征复采工作面斜交过巷式残采区覆岩应力特征 上述通过相似模拟试验得到复采工作面与房柱 式残煤巷道呈45。夹角布置的开采方案是合理的， ， 该矿井残采区为房式和巷式混合残采区，故此次对 复采工作面45。角斜交过巷式残采区的可行性进行 数值模拟研究。建立模型工作面推进方向14 7 m， ， 宽度宽度90 m,顶板顶板116. 0 m,底板底板14 . 0 m,模型四侧和 底部进行位移约束，顶部施加均布载荷 图9为复 采工作面推进至51 m和54 m位置时覆岩应力分 布特征 复采工作面 2 旧采 道 横跨了3条旧采巷道。由图9可知，应力降低区域 出 在复采和旧采采 区 交的 行开 采的三角区域内煤柱和顶板板对覆岩的支撑效果显 著，从而使得该范围应力显著增大 4结论结论 1） 复采过程中直接顶垮落前后，工作面前方顶 板应力值增加迅速，由于两次垮落步距较为接近，故 认为应力增加幅度和速度与直接顶垮落面积大小呈 正比关系 2） ） 复采工作面45。角斜交过房式残采区过程 中，煤柱边缘破碎区域范围为边缘2 m范围、四角 6 m范围。在房式残采区复采过程中要选择合理的 支护距离和控顶距，以避免冒顶现象的发生 3） ） 同样的开采方式过巷式残采区时，采场上部 0〜5 m层位顶板对覆岩有明显应力支撑作用，由此 可见,无论过房式还是巷式残采区， ，复采工作面斜交 过残采区方案都是合理可行的 ■ 参考文献参考文献 1赵培琨，王彦辉.基于计算机模拟的复采巷道系统优化研究 [J].矿业研究与开发，2017,3711 9093. 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