近距离煤层协调开采侧向支承压力规律研究与应用.pdf

*国家自然科学基金（51174002，51274008） 煤炭技术 Coal Technology Vol.33No.06 Jun. 2014 第33卷第06期 2014年06月 分发挥，而锚杆所受到的横向剪切力变小，不易被 破坏。 因此，模型2中的巷道顶板较为完整，巷道变 形得到有效控制。 4结语 （1）综放沿空留巷具有顶板为煤层、一次采出 煤层厚、留巷断面大的特点，综放沿空留巷顶板变 形会更加严重，对传统锚杆支护方案设计中锚杆的 受力状态产生影响， 使锚杆受到很大的剪应力，发 生剪切变形。 （2）对比2组试验可以发现当巷道顶板锚杆按 传统方式垂直布置时，巷道顶板破碎，采空区矸石 涌入巷道，煤壁产生裂缝，巷道支护效果不理想；当 巷道顶板锚杆倾角为15时， 巷道顶板和巷旁充填 体完整，巷道变形较小，顶板和煤壁的裂隙较少，支 护达到预期效果。 （3）在综放沿空留巷围岩大变形情况下通过改 变锚杆支护设计方案可以改变锚杆的受力状态，因 此，适当调整顶板锚杆的倾角可以减小锚杆剪切受 力，更好地控制巷道围岩变形，提高了综放沿空留 巷巷内支护的稳定性，对综放沿空留巷工程实践具 有一定的指导意义。 参考文献 ［1］张东升,茅献彪,马文顶.综放沿空留巷围岩变形特征的试验研究 ［J］.岩石力学与工程学报,2002, 213 331-334. ［2］谢文兵,殷少举,史振凡.综放沿空留巷几个关键问题的研究［J］. 煤炭学报,2004，292146-149. ［3］华心祝,赵少华,朱昊，等.沿空留巷综合支护技术研究［J］.岩土 力学,2006,2712225-2 228． ［4］王继承,茅献彪,朱庆华，等.综放沿空留巷顶板锚杆剪切变形分 析与控制［J］.岩石力学与工程学报,2006,25134-39. ［5］李迎富,华心祝.沿空留巷围岩变形破坏影响因素分析及其稳定 性控制［J］.矿业安全与环保，2010,37680-83. ［6］李建辉，冯光明，宁帅，等.综采沿空留巷巷旁支护技术与应用 ［J］.中国矿业，2009，18377-79. ［7］朱川曲,张道兵,施式亮，等.综放沿空留巷支护结构的可靠性分 析［ J］.煤炭学报，2006，312141-144. ［8］王红胜.沿空巷道窄帮蠕变特性及其稳定性控制技术研究［D］.徐州 中国矿业大学,2011. ［9］马立强，张东升，陈 涛，等.综放巷内充填原位沿空留巷充填体支 护阻力研究［J］.岩石力学与工程学报,2007,263544-550. 作者简介 马一杰1988- ，山西运城人，硕士研究生在读，从事 矿山压力及采场支护方面的研究工作，电子信箱610961792. 责任编辑赵勤收稿日期2014－04－14 doi10.13301/ki.ct.2014.06.032 近距离煤层协调开采侧向支承压力规律研究与应用 * 樊俊鹏， 成云海， 冯飞胜， 孙振平， 白金超 （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） 摘要 为了有效控制近距离煤层开采时下层煤巷道变形严重的问题， 结合南阳坡煤矿具体 的生产技术条件，应用FLAC3D数值模拟软件，通过模拟区段留设煤柱的应力特征和3煤开采对下 层煤2条巷道的侧向压力影响，得出侧向支承压力峰值16 MPa，距煤柱边缘8 m，应力集中系数为 2.4。 采用现场矿压观测的方法，研究了上下煤层同采时的侧向支承压力特征，得出下层煤侧向支承 压力影响范围较大，在距工作面80 m之外，支护状态较好。 实践表明，上层煤超前80 m开采时，更 有利于综采工作面的协调开采和巷道的维护。 关键词 近距离煤层； 数值模拟； 矿压观测； 合理错距； 巷道布置 中图分类号TD323文献标志码A 文章编号1008 － 8725（2014）06 － 0081 － 03 Research and Application on Lateral Support Pressure Regularity of Contiguous Seams Coordinated Mining FAN Jun-peng，CHENG Yun-hai，FENG Fei-sheng，SUN Zhen-ping，BAI Jin-chao （Provincial and Ministry Cooperated Key Lab of Coal Mine Safety and High Efficient Mining, Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China） AbstractIn order to effectively control the serious roadway deation problem under close coal seam mining, combined with the specific Nan Yang -po Coal Mine production technology, FLAC3D numerical simulation software was used to analyze the stress characteristics of leaving pillar and lateral pressure effects on the lower two roadway. It was pointed out that the lateral pressure peak was 8 m from the edge of pillar，the size was 16 MPa，and the stress concentration factor was 2.4. Based on lateral support pressure characteristics under the condition of close coal seams mining simultaneously, in-site strata pressure observation results indicated that stress peak of upper coal face lagged behind stress peak of lower coal face, lower coal lateral support pressure had a large sphere of influence，and roadway deation was small outside 80 m away from working face. Practice shows that mechanized mining face was more conducive for coordination mining and the tunnels were better maintained under the condition that the upper coal mined 80m in advance. This study provided reference for other similar conditions coal seam mining. Key wordsclose coal seam; numerical simulation; strata behavior regularity; rational separation distance; layout of roadway 1地质条件 81 南阳坡煤矿位于山西省山阴县，上层3煤与下 层4煤层间距2326 m，属于近距离开采。如图1所 示， 3煤中30205综采工作面走向838 m，倾向180 m， 均厚2.2 m，为中厚煤层。 4煤中4105综采工作面走向1 066 m， 倾向 208 m，倾角13，属近水平煤层，均厚7.1 m。30205 综采工作面开切眼位置在4105综采工作面的正上 方布置，2个综采工作面均采用单一走向长壁采煤 法，一次采全高，全部垮落法处理顶板。 掌握上层煤 开采侧向支承压力分布与传递规律，有利于下煤层 巷道的维护。 图130205与4105工作面近距离煤层立体图 1. 30205工作面2. 30205进风顺槽3. 4105进风顺槽4. 30205回 风顺槽5. 4105回风顺槽6. 4 m钻孔7. 7 m钻孔8. 12 m钻孔 9. 17 m钻孔10. 22 m钻孔11. 4105工作面 2近距离煤层协调开采的数值模拟分析 2.1数值模拟模型 研究近距离煤层协调开采工作面覆岩运动规 律属于空间问题，因而采用FLAC3D软件进行数值模 拟研究，其围岩物理力学特征如表1所示。 表1围岩物理力学性质特征表 模型尺寸长宽高545 m300 m248 m，整个 模型底边界固定， 为减小模型边界效应的影响，模 型前后左右保留至少30 m以上煤柱， 上部煤层没 有显示出来的部分用外在载荷代替，结合南阳坡煤 矿地质条件，模型以水平煤层计算。 2.2数值模拟过程 模型中包含3煤和4煤2个煤层，3煤中主要 模拟30203工作面和30205工作面侧向支承压力 特征和煤柱应力特征等。采用FLAC3D即快速拉格朗 日连续介质分析，利用库仑-莫尔准则，从开切眼位 置开始到回采。 研究工作面两侧的侧向支承压力分布特征。 在 30203工作面和30205工作面开挖至170 m时，监 测 距 离 工 作 面0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、 100、110、120、130、140、150、160、170 m时工作面两 侧，每侧18条监测线共计36条监测的侧向支承压 力分布特征。 2.3模拟结果分析 如图2所示上层煤工作面开采后，上层煤留设 的68 m煤柱区域下侧向支承压力呈马鞍形分布， 煤柱边缘出现垂直应力集中现象，并在两侧逐渐降 低，两侧均低于原岩应力。 图268 m煤柱顶板应力曲线图 应力峰值出现在煤柱两侧距采空区边缘8 m 处，即煤柱内的塑性区范围是8 m，大小为16 MPa 左右， 约为煤柱体中部应力的2.4倍。 在一定范围 内，离煤柱越远，则应力分布状态更加稳定，受力趋 于平缓。 结合围岩性质和煤柱尺寸，将下层煤工作 面巷道布置在煤柱下方应力降低区， 现场观测发 现，巷道受采动压力影响较小，易于维护，合理的煤 柱尺寸提高了回采率，带来了经济效益。 图3所示，由于受3煤开采影响，4煤在3煤进 风顺槽靠近采空区侧普遍处于卸压区，将进风顺槽 布置在减压区，即错开3煤巷道5 m位置是合理的。 图33煤开采对4105进风顺槽压力影响图 图4所示，回风顺槽侧向支承压力峰值位置在 距煤壁18 m左右，影响范围为26 m，将回风顺槽布 置在稳压区更有利于巷道的维护。 采空区后方50 m 左右侧向支承压力趋于稳定，保持在原岩应力5 MPa， 说明此位置以外围岩基本稳定，上煤层工作面可超 前50 m进行回采。 图43煤开采对4105回风顺槽压力影响图 第33卷第06期Vol.33No.06近距离煤层协调开采侧向支承压力规律研究与应用樊俊鹏，等 内摩 擦角/ 32 30 31 32 25 30 43 32 25 32 体积模量 109/Pa 7.6 6.6 5.6 7.6 1.8 6.6 9.4 7.6 1.7 7.6 剪切模量 109/Pa 4.8 4.6 3.6 4.8 0.95 4.6 5.2 4.8 0.94 4.8 内聚力 106/Pa 4.1 2.5 2.5 4.1 1.1 2.5 4.8 4.1 1.1 4.1 密度 /kgm-3 2 682 2 547 2 438 2 619 1 473 2 500 2 639 2 576 1 480 2 706 中粒砂岩 砂质泥岩 泥岩 中粒砂岩 3煤 砂质泥岩 细粒砂岩 中粒砂岩 4煤 中粒砂岩 厚度 /m 40.0 8.0 3.2 7.6 2.2 8.5 4.6 14.2 7.1 10.0 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 205101530254035504560557065 距30205回风巷距离/m 应力值/Pa 1.80E07 1.60E07 1.40E07 1.20E07 1.00E07 8.00E06 6.00E06 4.00E06 2.00E06 0.00E00 170 m 160 m 150 m 140 m 130 m 120 m 110 m 100 m 90 m 80 m 70 m 60 m 50 m 40 m 30 m 20 m 10 m 0 m 应力值/Pa 8.00E06 7.00E06 6.00E06 5.00E06 4.00E06 3.00E06 2.00E06 1.00E06 0.00E00 170 m 160 m 150 m 140 m 130 m 120 m 110 m 100 m 90 m 80 m 70 m 60 m 50 m 40 m 30 m 20 m 10 m 0 m 采 空 区 采 空 区 -50 采空侧实体煤测 -42-34-26 -18-10-261422303846 3煤进风顺槽在 4煤的投影 应力值/Pa 7.00E06 6.00E06 5.00E06 4.00E06 3.00E06 2.00E06 1.00E06 0.00E00 170 m 160 m 150 m 140 m 130 m 120 m 110 m 100 m 90 m 80 m 70 m 60 m 50 m 40 m 30 m 20 m 10 m 0 m -50 采空侧实体煤测 -3846 3煤回风顺槽在 4煤的投影 -26-14-2102234 75 5870 岩 性 82 3矿压观测 3.1近距离煤层开采矿压显现的制约因素 （1）上区段遗留的煤柱下层煤巷道稳定性主 要取决于区段留设的煤柱，合理的煤柱宽度能更好 支承上覆围岩，减小煤柱载荷在底板中的应力传递 和分布规律； （2）围岩性质主要包括围岩的力学性质、矿 物组成、裂隙发育状况等等，不同的围岩强度和结 构,决定不同的支护形式和参数，更利于回采巷道的 维护； （3）煤层采高采高是影响矿压显现的重要因 素，采出的空间越大，工作面煤壁变形越严重，顶板 活动越剧烈。 3.2观测方案 根据目前已施工巷道矿压显现和维护状况，结 合围岩物理力学和埋深、近距离煤层协调开采的特 点、参考目前国内外理论进展等，针对南阳坡煤矿 具体的生产技术条件，在30205和41 052个综采工 作面的4条巷道打钻孔安装应力计， 并布置观测 站，确定采场侧向覆岩运动规律，实现2个煤层的 协调配采。 监控方案如图5、 图6所示， 分别在距开切眼 650 m位置垂直巷帮打孔， 采用套钎安装法安装应力 计，孔深分别为4、7、12、17、22 m，孔间距均为0.5 m。 图530205综采工作面钻孔布置图64105综放工作面钻孔布置 3.3数据分析 近距离煤层上、下两层煤同时采动时，现场矿 压观测所得的侧向支承压力如图7 、图 8所示，在整 个回采过程中，随着距煤壁距离的增加，侧向支承 压力逐渐升高。3煤在距工作面5 m应力急剧增长， 应力峰值距煤壁20 m，大小为12.5 MPa，影响范围 25m左右，4煤应力峰值距煤壁17m，大小为15.6MPa， 影响范围35 m左右，应力集中系数为3.1。 图73煤侧向应力分布图图84煤侧向应力分布图 1.7m 2.12m 3.17m 4.22m1.7m 2.12m 3.17m 4.22m 在距工作面65 m以外，应力值逐渐稳定，对比 上下两层煤侧向应力分布曲线可知，上层煤工作面 应力峰值滞后下层煤应力峰值，在近距离煤层协调 开采过程中，均受到2次支承压力波，将上、下层工 作面的错距定为65 m能更好实现近距离煤层协调 开采。 如图9所示，在动压影响下4煤巷道断面变形 不明显，顶板最大变形值为85 mm，离工作面越远， 变形越小，支护效果越好。 在距工作面80 m之外， 顶底板和巷道两帮的变形稳定，说明上层煤可超前 80 m进行回采。 图94煤巷道变形曲线 1.顶板下沉量2.底鼓量3.两帮移近量 4结语 （1）通过数值分析模拟，研究了区段留设煤柱 的应力特征和3煤开采对下层煤2条巷道的侧向 压力影响， 得出68 m煤柱区域下侧向支承压力分 布呈马鞍形，侧向支承压力峰值16 MPa，距煤柱边 缘8 m，应力集中系数2.4。 （2）通过现场矿压观测，得出上层煤工作面应 力峰值滞后下层煤应力峰值，下层煤支承压力影响 范围较大，在距工作面80 m之外，巷道变形小，支 护状态较好。 （3）实践表明，应采用错距80 m进行回采，既 提高了工作面生产的安全性，保证近距离煤层协调 开采的工作面平均单产和回采工效，同时缩小了支 护成本，提高了煤炭资源回收率和社会经济效益。 参考文献 ［1］张百胜，杨双锁，康立勋，等．极近距离煤层回采巷道合理位置确 定方法探讨［J］.岩石力学与工程学报，2008197-101． ［2］李全生，张忠温，南培珠．多煤层开采相互采动的影响规律［J］. 煤炭学报，2006，314425-428． ［3］朱涛，张百胜，冯国瑞，等．极近距离煤层下层煤采场顶板结构与 控制［J］.煤炭学报，2010，352190-193． ［4］ 韩磊．软煤、 厚硬顶板、 极近距离煤层合理开采关键技术研究 ［D］.淮南安徽理工大学，2008． ［5］严国超，胡耀青，宋选民，等．极近距离薄煤层群联合开采常规错 距理论与物理模拟［J］.岩石力学与工程学报，2009，283591- 597． ［6］孙春东，杨本生，刘超． 1.0 m极近距离煤层联合开采矿压规律 ［J］.煤炭学报，2011，3691423-1428． ［7］马全礼，耿献文，童培国．近距离煤层同采工作面合理错距研究 ［J］.煤炭工程，2006311-13． ［8］侯多茂.近距离煤层开采时矿压显现规律［J］.煤矿开采，2007，126 71-74． ［9］胡伟，崔道品．滞后支承压力研究在近距离煤层联合开采中的应 用［ J］.煤炭技术，20071141-42． 作者简介 樊俊鹏（1987-），山西大同人，硕士研究生，研究方 向矿山压力与岩层控制，电子信箱121419958. 责任编辑赵勤收稿日期2014－04－09 第33卷第06期Vol.33No.06近距离煤层协调开采侧向支承压力规律研究与应用樊俊鹏，等 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 m 7 m 12 m 17 m22 m 30205进风顺槽 30205回风顺槽 4 m 7 m 12 m 17 m22 m 4 m 7 m 12 m 17 m22 m 4105进风顺槽 4105回风顺槽 4 m 7 m12 m 17 m 22 m17 m 4 m7 m 12 m 距工作面距离/m 0 15 12 9 6 3 0 应力值/MPa 10203040506070 距工作面距离/m 010203040506070 16 12 8 4 0 应力值/MPa 距工作面距离/m 100 80 60 40 20 0 巷道变形量/mm 01020304050607080 83