近距煤层无煤柱协调开采布局研究与应用.pdf

Vo O. 16 No . 8 Au g . 2020 第16卷第8期 2020年8月 中国安全生产科学技术 Jo u r n a l o f Sa f eit Sc ien c e a n d Tec hn o l o g y d o i 10. 11731/j. is s n . 1673-193x . 2020. 08. 021 近距煤层无煤柱协调开采布局研究与应用 赵云佩 冀中能源邢台矿业集团有限责任公司，河北邢台054000 摘 要为了解决老母矿近距煤层的开采难题，通过理论分析并利用FLAC3D数值模拟软件进行模拟，分析出煤层前后推进150 m是最合理的步距,侧向采动支撑压力在15 -50 m内存在影响0基于这些理论数据，确定回采巷道的合理位置，进而确定以内 错距离范围为30 -60 m的内错式布置方式布置巷道和无煤柱协调开采布局，并进行井下工程应用最后把无煤柱协调开采布 局与双巷掘进开采布局对比，得出无煤柱协调开采布局的先进性和优势，研究结果可为同类条件下的工程应用提供借鉴 关键词近距离煤层;无煤柱协调开采；回采巷道位置;煤层错距 中图分类号X936 ；TD822 文献标志码A 文章编号1673 - 193X 2020 -08 -0131 -06 Researc h and applic atio n o f c o o rdmated mining layo ut witho ut c o al pillars t c lo se c o al seams ZHAO Yu n p ei Jizho n y En er g y Xin yt a i Min in g In d u st iy Gr o u p Co . , Lt d . , Xin yt a i Hebei 054000, Chin a Abst r a c t In o r d er t e so l v e t he d it ic u Ot p r o bl em o f c l o se c a v t sesms min in y in La o mu c a v t min e, t hr o u g h t he t heOTet ic el a n a O- ysis a n d t he simu l a t io n by FLAC 3 D n u mer ic a t simu l a t io n so f t w a r e, it w ss c en c l u d ed t hst t he mo st r ea so n a bl e st ep d ist a n c e w ss 150 m a d v en c ed f o r w a r d a n d bsc k w a r d t he c a v t sesm, a n d t he in f l u en c e r a n ye o f l a t er v t min in y su p p o r t p r essu r e w ss 15 m - 50 m. Ba sed o n t hese 1116X01011 d a t a, t he r ea so n a bt e l a c a t io n o f min in g r o a d w sy w ss d et er min ed , t hu s t he l a yo u t o f t he r o a d w sy a n d t he c a o r d in a t ed min in y w it ho u t c a v O p g l v r w ss d et er min ed v s t he in n er st a yyew d l a yo u t mo d e w it h t he in n er st a y- yer ed d ist a n c e r a n ye o f 30 - 60 m, a n d t he u n d er g w u n d u n d er g w u n d en yin eer in y p r sc t ic e w ss c a r r ied o u t . Fin a l l y, by c emp s- r in g t heo a yo u t o eeo o r d in a t ed min in g w it ho u t eo a o p i oa r s a n d t heo a yo u t o ed o u bo e-r o a d w a yex ea ea t io n min in g, t he a d e a n e e - men t a n d a d ea n t a g es o et he o a yo u t o eeo o r d in a t ed min in g w it ho u t eo a o p i oa r s w er e o bt a in ed . It a o so p r o eid es r eeer en ee eo r t he en g in eer in g a p p oi ea t io n u n d er simi o a r eo n d it io n s. Key w o r d s c l o se c esO sea ms； c a o r d in a t ed min in y w it ho u t c esO p g l sr ； l o c a t io n o f min in g r o a d w sy ； st a syer ed d ist a n c e o f c esO sea m 0引言 我国拥有十分丰富的煤炭资源,其始终在我国能源 供给体系中占有很大比例。但随着开采技术的不断进 步和高强度的开采,便于开采且安全性高、效益大的中 厚优质煤层已经接近枯竭“在这个大环境下,近距离煤 层开采成为今后煤炭行业急需研究和解决的问题［“ 由于上下煤层相互之间的距离较小,近距离煤层在 开采过程中，上下煤层应力相互作用,且这种作用极大 地增加了开采难度“开采过程产生的采动应力以中间 岩石层为介质，向远处传播,进而引起下煤层周围应力 的变化，应力进行重新分布，矿压、覆盖岩层结构和围岩 应力发生改变“所以在近距离煤层开采过程中，必须要 采用一定的技术手段，最大程度地减少上下煤层间采动 过程中的相互影响“上下煤层的合理错距和回采巷的 位置摆放将直接关系到回采巷的稳定性及生产过程中 的安全性［3「5“ 山西古县老母坡矿2煤层平均厚度0.98 m，3煤 层平均厚度1.62叫均为薄煤层，且2，3煤层间距为4 11 m，如果按照联合布置交替开采原则进行开采，2煤 层工作面的推进速度将直接限制3煤层的推进度由 于无底柱协调开采技术的回采率比较高、掘进工作量较 收稿日期收稿日期2020 -05 -22 *基金项目基金项目国家重点研发计划项目2016YFC0801800 ；国家自然科学基金项目51804311 ；河北省博士后择优项目B2019005005 作者简介作者简介赵云佩，硕士，高级工程师，主要研究方向为采矿工程、矿山压力与控制。 ・・132・中国安全生产科学技术第16卷 少，降低地压冲击和后期巷道维修费用也比较少，因此 无底柱协调开采技术成了老母矿的首要选择⑹。通过 增大2和3煤层的错距,确定合适回采巷道位置和布 置形式，可使沿空留巷技术成功运用于老母矿⑺。本文 以此为研究背景,对如何在其2和3煤层运用无底柱 协调开采技术进行研究。 1回采过程中工作面侧向应力传递规律理论 研究 在近距离煤层环境下,开采上部煤层,直接破坏了 周围岩层的结构,其内部存在的原始应力场直接被扰 动，应力发生二次稳定。应力聚集现象出现在其侧向煤 体上。这部分聚集应力的分布特征是影响下部煤层如 何布置回采巷道的关键;上煤层开采过程产生的采动进 程中出现的应力重新分布使得下部巷道的围岩应力特 征变得较为特殊,不同于以往的单煤层[8-11 o 当上部煤层回采后,工作面侧向煤壁应力发生积 聚，可以用应力增量表示应力变化,见式1[ 12 ““ 上覆岩层-原岩应力 - P 1 式中“ “为侧向应力增量,MPa；K为侧向应力集中 系数;P为原岩应力,MPoo 由式1可知,煤体侧应力增量最大值为K-1 P, 则采空区的应力增量为-Po工作面回采后,在工作面 长度方向取一个平面,把煤层底板岩层看成一个半无限 体。上覆岩层重力作为法向应力作用在采空区侧向的 煤体上。工作面的侧向支承压力分布规律如图1所示, 图中G点为支撑应力恢复到原岩应力的位置,E点为支 撑应力峰值处,C点为工作面煤壁。垂直应力表达式为 式2 5 6 2 式中讥为距离坐标原点。为处的垂直应力, 图1工作面侧向支承压力分布 Fig . 1 Dia g r a m o f l a t er a l bea r in g p r esssr e d n st r n bu t no n o f w o r k nng f a c e 按照力的平衡理论,应力如果能平衡,其增量需满 足式3 JxP 11 12 X 气 1P 3 式中L为回采工作面长度,m；P为原岩应力,MPa； 11为工作面煤壁到支承应力峰值处的距离,m； 12为支承 应力峰值到恢复至原岩应力处的距离,m；K为侧向应力 集中系数。 在半平面体内取一点,求点O处的应力,坐标轴如 图1所示,0点的坐标设为“, o在轴方向上距坐 标原点。为处地方取一小段 , d p pd,看作微小 的集中力,应用公式4 解。 1 2 pd “3 d 1“ 72 / 八 2 1 2 [“ - 4 1 _ 2p “ -2 d 71 「2 / 八 2_|2 由此可以算出2个式子的积分为式5 _ 2「 P“3 5“ _一 J 1 [ “2 -2 ]2 5 _ 2「P “ - 2d 1 [ “2 - 2 ]2 式4〜5 中“为0点水平应力,MPa；为0 点垂直应力,MPa；p为距离坐标原点。是处的垂直应 力,MPa。 图1所示的法向应力分别记作GE EC,设原岩应力 为1 MPa,根据老母坡矿工作面的工程地质条件和施工 过程中矿压规律可得,L 90 m, 11 7.5 m,S2 22.5 m, 利用数学分析软件Ma t hCAD分别对力E,EC区段进行求 解,求得 52. 5 m,； 75 m,； 45 m。由式 p 5 6 ,可以求得力E 段 51 -0.067,61 3.333 ；EC 段 51 2.5,61 -86.5。52.5 m处为侧向煤壁位置,0〜 52.5 m为采空区，52.5〜90 m为实体煤。 2煤回采附加应力场数值模拟研究 2. 3DEC数值模型的建立 为了研究老母坡矿2煤层回采附加应力场对3煤 层的影响,现针对老母坡矿2煤层和3煤层各项的工 程地质条件,建立相应的3DEC三维数值力学分析 模型。 模拟2煤层厚度为1.23 m,顶板岩层高42. 09 m,3 煤层厚度为1.62 m,3煤底板27.49 m,模型高80 m； 2109工作面实际长度为144 m,截取工作面长度70 m, 在工作面一侧留煤74 m,模型工作面长度144 m；取工 作面推进长度220 m,模型占工作面推进方向取220 m。 则模型几何尺寸长x宽x高为220 m x 144 m x 80 m,坐标[0 ,220 m] , [ 0,144 m] ,[ 0,80 m], 第8期中国安全生产科学技术-133 - 其中.轴为工作面推进方向,M轴为工作面长度方向,Z 轴为铅直方向,向上为正。模型上边界选用应力边界, 老母坡矿埋藏深度较浅,2煤层埋深约200 m,绝对铅直 应力约5 MPa。因此,模型中初始水平应力5 MPa,垂直 应力5 MPa。 根据矿压显现周期性和对称性的原则,取2109工 作面的长度为70 m,推进长度为200 m,每20 m开挖1 次,共分10次完成,以此模拟2109工作面逐步回采的 过程计算模型尺寸如图 2 所示。 144 1,23 j 1 o 1 顶板岩层 2号煤层 3号煤层7, 57 底板岩层 1,62 图2计算模型 Fig . 2 Ca l c u l a t io n mo d el 图4 21O9工作面回采4O m垂直位移云图 Fig . 4 21O9 w o r k r n g f a c e a f t er min in g f o r 4O m v er t t c a l d t sp l a c emen t n ep ho g r a m 位移/m 1.705 7x10」 1.500 0 x10 1 1.250 0 x10」 1.000 0 x 10 1 7.500 0 x10』 5.000 0 x10』 2.500 OHO』 -2.500 0 x 10 2 -5.000 0 x10』 -7.500 0 x10』 T.000 0 x10」 -1.250 0 x10」 -1.500 Ox W1 T.750 0 x10」 -1.839 0 x10」 图5 21O9工作面回采8O m垂直位移云图 Ft g .5“21O9 w o r k t n g f a c ea f t er mt n t n g f o r 8O m v er t t c a l d t sp l a c emen t n ep ho g r a m 2.模拟结果分析 2109工作面不同回采进度下,3煤层的垂直位移 场,如图3〜8所示。各个云图均为3煤层在2109工作 面不同回采时期对应的位移云图。 位移/m -5.000 0 x10」 -1.000 0 x10』 -1.500 0 x 10 2 -2.000 0 x10-2 -2.500 0 x10』 -3.000 0 x10』 -3.500 0 x10』 -4.000 0 x10』 -4.500 0 x10』 -5.000 0 x10』 -5.500 0 x10』 -6.000 0 x10』 -6.178 8x10』 1 位移/m 1.654 3x 10- 1.500 0 x10 1 1.250 0 x10」 1.000 0 x10」 7.500 0 x10』 5.000 0 x10』 2.500 0 x10』 -2.500 0 x10 -5.000 0 x10 -7.500 0 x10 -1.000 0 x10 -1.250 0 x10 -1.500 0 x10 -1.750 0 x10 -2.000 0 x10 -2.250 0 x10 -2.426 2x10 U m 图3 21O9工作面回采前垂直位移云图 Fig . 3 21O9 w o r k r n g f a c e bef o r e min in g v er t t c a l d t sp l a c emen t n ep ho g r a m 1）图3为2109工作面进风巷和开切眼开挖后3煤 图6 21O9工作面回采12O m垂直位移云图 Fig . 6 21O9 w o r k r n g f a c e a f t er min in g f o r 12O m v er t t c a l d t sp l a c emen t n ep ho g r a m 层的垂直位移云图。由图3可得,3煤层整体略微下 沉，最大下沉量仅为61.8 mm,2109工作面进风巷和切 眼的开挖对3煤层的影响很小。 2）图4为2109工作面回采40 m后，3煤层的垂直 位移云图。工作面的推进长度是比其工作面整体长度 ・・134・中国安全生产科学技术第16卷 位移/m 1.777 9x10-1 1.750 0 x10」 1.500 0 x 10 1 1.250 0 x10」 1.000 0 x10」 7.500 0 x10』 5.000 0 x10』 2.500 0 x 10 2 -2.500 0 x10』 -5.000 Ox 10』 -7.500 0 x10』 1.000 0 x 10 1 -1.250 0 x 10 1 -1.500 0 x10」 1.750 0 x10」 -2.000 0 x10 1 -2.250 0 x 10 1 -2.500 0 x10」 2.593 8x10」 图7 21O9工作面回采160 m垂直位移云图 Fig . 7 2109 w o r k in g f a c c a f t er min in g f o r 160 m v er t ic a l d isp l a c emen t n ep ho g r a m 位移/m 4.113 1X10」 4.000 0 x10 1 3.500 0 x 10」 3.000 0 x10 1 2.500 0 x 10」 2.000 0 x 10」 1.500 Ox 10-1 1.000 Ox i。“ 5.000 0 x 10 2 -5.000 0 x10』 1.000 0 x 10」 -1.500 0 x 10」 -2.000 Ox IQ1 -2.500 0 x 10」 -2.562 6x 10」 图8 2109工作面回采200 m垂直位移云图 Fig . 8 2109 w o r k in g f a c c a f t er min in g f o r 200 m v er t ic a l d isp l a c emen t n ep ho g r a m 小的，从图4中可以得出，工作面推进后，后方采空区45 m范围内对应的3煤层出现了大范围的底鼓现象，同时 在相邻2111工作面对应的3煤区域,滞后工作面10〜 20 m范围内,出现侧向支承应力,跨度为9 m,最大下沉 量为94 mm。 3） 图5为2109工作面回采80 m后,3煤层的垂直 位移云图。这时工作面推进长度是比工作面长度小的, 从图中5可以得出,工作面后方采空区85 m范围内均 为底鼓区,工作面前方10〜50 m范围内出现超前应力； 相邻2111工作面后方侧向支承应力范围扩大,跨度增 至 35 mo 4） 图6为2109工作面回采120 m后,3煤层的垂 直位移云图。这时工作面推进长度几乎和工作面长度 相当,从图6中可以得出,后方采空区125 m范围内均 发生不同程度的底鼓,工作面前方1040 m范围内,下 沉现象比较明显。相邻2111工作面后方侧向支承应力 跨度约为30 m。 5） 图7为2109工作面回采160 m后,3煤层的垂 直位移云图。 此时工作面推进长度比工作面长度大, 工 作面后方采空区165 m范围内均发生不同程度的底鼓, 工作面前方1040 m范围内发生明显下沉,其最大量 达到200 mm。相邻2111工作面后方侧向支承应力跨 度约为 30 m。 6）图8为2109工作面回采200 m后,3煤层的垂 直位移云图。 此时工作面推进长度比工作面长度大, 工 作面后方采空区205 m范围内均发生不同程度的底鼓, 在工作面后方25 m范围内最严重,工作面后方25 m范 围以外底鼓较小,工作面推进后,其后方应变渐渐稳定, 采空区重新被压实。相邻2111工作面后方侧向支承应 力跨度约为20〜25 m,最大下沉量为250 mmo 由上述分析可知,随上部煤层工作面的推进,3煤 层垂直位移也在变化,工作面沉降量开始有明显变化, 在工作面前方的下沉量逐渐增高,工作面后方采空区底 鼓量逐渐增加。侧向支撑应力跨度先增大后变小,当工 作面推进长度和工作面相当时侧向支撑应力跨度最大。 从而得出近距离煤层前后推进的合理步距范围为140〜 160 m,取均值150 m,侧向采动支撑压力的影响范围为 15〜50 m。因此,下部煤层工作面进风巷为内错布置 时,应布置在距上部煤层侧向煤壁水平距离范围30〜 60 m。 3现场应用 3. 现场采动应力监测 为了监测2煤层采动过程中附近应力场的变化，在 老母矿2109工作面的隅角距离停采线以里5 m,距一采 区回风下山约65 m的位置设立监测站;钻孔应用直径 42 mm的钻头打孔，共布置6个孔，编号1 6,每个测 站钻孔深度分别为3,6,9,12,15,18 m,钻孔间隔5 m。 用于监测2109工作面回采过程中引起的采动附加应力 场的变化。 随着工作面的不断推进,采动应力发生变化,应力 先上升,后下降。采动过程中,3,6,9,12 m深度的钻孔 应力计有监测到应力的变化,而与12 m深度钻孔应力 计相邻的15 m深度的钻孔在整个全程中未监测到压力 增量，所以侧向采动影响范围为12〜15 m。这与数值模 拟的结果相符和。 3. 2,3煤层联合开采回采巷道的布置形式 根据上部煤层采动侧向应力在底板岩层中传递影 响下,采动过程中下部煤层顶板应变分布特征,并结合 现场采动应力监测的结果,确定了老母矿煤层上下工作 面之间回采巷道内错式布置的合理错距,下部煤层工作 面巷道为内错布置时,应布置在距上部煤层侧向煤壁水 平距离30〜60 m的范围内。这为2 ,3煤层联合回采 巷道的设计提供了内错距的参考范围。 第8期中国安全生产科学技术-135 - 老母坡矿2和3煤层工作面回采巷道布置形式采 用内错式布置,2煤层超前3煤层150 m,根据现场实 际情况,对上下工作面之间回采巷道的内错距进行设 计工作面2103与3103回采巷道的内错距为36.01 m, 工作面2105与3105回采巷道内错距为35.84 m,工作 面2107与3107回采巷道的内错距为57.31 m,工作面 2109与3109回采巷道的内错距为53.53 m,工作面 2111与3111回采巷道的内错距为57. 24 m,工作面 2113与3113回采巷道的内错距为45. 52 m,工作面 2115与3115的回采巷道的内错距为37.03 m,实现近煤 层工作面时间和空间的合理布置。 3.3无煤柱协调开采与双巷掘进开采布局对比分析 2煤层一采区北翼工作面布置示意如图9所示。2 煤层一采区北翼,采用无煤柱连续开采可布置2101 2115共8个工作面,若采用双巷掘进可布置2101〜2113 共7个工作面。相比之下,双巷掘进开采布局需要留设 6个煤柱进行保护工作面,其煤柱平均为20 m,损失煤 柱14.5万t左右,多掘巷道5条,掘巷增加成本982. 1 万元；沿空留巷的实施，2,3煤层一采区北翼总计多回 收煤炭资源约38.5万t,按照市场行情吨煤400元算, 其总收益为15 400万元。再减去消耗的留巷材料费用 和派发劳务费,其净收益为11 109万元。由此可见,沿 空留巷在2,3的实施所带来的利润是可观的。 通过以上对比,得出以下3点采用近距煤层无煤柱 协调开采布局优点 1 极大减少巷道掘进量。老母坡矿2和3煤层采 用无煤柱开采巷道掘进工程量减少了 9 100 m,按照正 常掘进计划6 m/d，将需要152 d的时间,巷道掘进时间 将缩短5个多月，明显加快了工程开展的进度。从现场 沿空留巷实施效果来看，整个留巷工作非常成功。 2 无需留设煤柱,间接地减少了煤炭资源的浪费o 如果采用双巷掘进开采布局开采工作面时,邻近工作面 之间要留设20 -25 m的保护煤柱,而留设的煤柱是无 法回收的,易造成煤炭资源的浪费。而实施沿空留巷 后，将多回收煤柱38.5万I,回采率增加,减少了煤炭资 源的浪费。 3 降低前期的投入成本,减少了修建巷道材料的消 耗。实施沿空留巷将给下一个工作面的开采留设了回 风巷,相应的巷道掘进量和巷道掘进投入就减少了。据 资料显示,沿空留巷设备材料消耗单位成本为2 640.3 元/m,人工费用为1 980元/m,注浆加固单位成本1 000 元/m。沿空留巷计消耗费用为5 114万元,相比巷道掘 进节省费用900万元，同时节省了 5个月的巷道掘进时 间。采用无煤柱协调开采布局开采给矿方带来可观的 经济效益和社会效益。 图9 2煤层一采区北翼工作面布置示意 Fig . 9 La yo u t o f w o r k in g f a c e o n n o r h w in g in No . 1 min in g a r r a o f 2 c o a l sea m 4结论 1 通过研究侧向应力传递规律,采用3DEC数值模 拟软件进行模拟,结合现场应力监测的情况,综合考虑 2和3煤层具体情况,确定超前距离为150 m,2个煤层 工作面回采巷道的内错距离范围为30〜60 m,实现了近 煤层工作面时间和空间的合理布置。 2 采用内错距为30〜60 m内错式开采布置巷,能 减少28的巷道掘进量,掘进成本节省14.9。 3 通过研究侧向应力传递规律,并采用3DEC软件 模拟,然后对回采巷道附近的应力进行监测,监测结果 验证了该数值模型的可靠性。该数值建模及分析过程 可为类似情况下的工程实际提供参考。 参考文献 1韩可琦,王玉浚.中国能源消费的发展趋势与前景展望J.中 国矿业大学学报,20041 4-8. 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