隆德煤矿浅埋上下煤层协调同采技术研究.pdf

第52卷第8期 煤炭工程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 8 doi 10.11799/ce202008001 隆德煤矿浅埋上下煤层协调同釆技术研究 冉星仕 神 木 县 隆 德 矿 业 有 限 责 任 公 司 ，陕 西 榆 林719000 摘 要为了确定隆德煤矿浅埋深r1煤与2-2煤协调开采合理安全间距，采用CT探测技术及 钻孔应力监测系统两种测试方法开展了上下煤层同采应力实测研究。研究得出CT探测确定了 2_2 煤层大采高工作面超前采动应力范围最大为59.5m, I 1煤工作面顶板在采空区后方47.5m开始垮 落，并影响下方2_2 煤工作面应力分布；钻孔应力计实测确定了 t2 煤层工作面超前应力影响距离 最大50. 7m，应力峰值超前于工作面6m, 应力集中系数1.23,而煤层工作面不受间隔煤柱宽度 20m的相邻工作面以及间隔顶板岩层厚度54m的上覆r1煤回采影响；采用了 3 种方法综合确定了 隆德煤矿上下煤层协调同采合理滞后距离为138.4m。数值模拟研究表明，安全间距50m以内拉应 力贯穿整个层间距，从而验证了隆德煤矿上下煤层协调开采安全间距138.4m的安全性。 关键词浅埋煤层；上下煤层；协调开采；CT探测；采动应力；安全间距 中图分类号TD822 文献标识码A 文章编号167卜0959202008-000卜05 Co-mining of shallow-buried upper and lower coal seams in Longde Coal Mine RAN Xing-shi Shenmu Longde Mining Co. , Ltd. , Yulin 719000, China Abstract In order to determine reasonable lag safety distance of shallow buried 1 1 coal and 2_2 coal seams in Longde Coal Mine, CT detection technology and borehole stress monitoring system are used to measure the simultaneous mining stress distribution of upper and lower coal seams. According to the CT detection, the leading mining stress range of 22 coal seam for fully mechanized high-cutting face is 59. 5m, and roof of l _l coal seam began to collapse at about 47. 5m behind the goaf, and affect the stress distribution of 22 coal seam below. The borehole stress gauge has determined that the maximum distance affected by the leading stress on 22 coal seam is 50. 7m, the stress peak is 6m ahead of working face, and stress concentration coefficient is 1. 23, but working face of 22 coal seam are not affected by the adjacent working face with 20m coal pillar and the overlying coal mining with an interval of 54m roof layer thickness. Three calculation s are used, according to which the reasonable lag distance of upper and lower coal seams co mining is 138. 4m. The numerical simulation study shows that the tensile stress runs through the whole interval within 50m, thus verifying the safety of the coordinated safe interval of 138. 4m between upper and lower coal seams in Lxngde Coal Mine. Keywords shallow buried coal seams; upper and lower coal seams; co-mining; CT detection; mining stress; lag safety distance 随着我国西部浅埋矿区的持续开发，煤层群开 采所占的比重逐渐增大，改扩建或新建矿井为了延 长矿井服务年限和提高经济效益，也开始设计采用 多煤层同采，因此，煤层群协调开采技术越来越引 起行业的重视。煤层群开采与单一煤层开采在矿压 显现及岩层控制上具有差异性[|4]，当上下煤层间 距较小时，上煤层开采导致底板破坏严重，增加下 煤层岩层控制的难度；当两煤层同采错距较小时, 围岩应力场相互叠加，产生应力集中区，不利于巷 道维护和工作面煤壁的稳定性。浅埋煤层协调开采 实践[ 12]表明，回采下部煤层时，上覆采空区遗留 煤柱在底板形成应力集中，下煤层应力影响区内的 收稿日期收稿日期2020-02-04 基金项目基金项目天 地 科 技 股 份 有 限 公 司 科 技 创 新 创 业 资 金 专 项 重 点 项 目 （2018-TD-ZD007 作者简介作者简介冉 星 仕 （1964） ，男 ，四 川 南 江 人 ，高 级 工 程 师 ，现 任 神 木 县 隆 德 矿 业 有 限 责 任 公 司 总 工 程 师 ，主 要 从 事 煤 矿 生 产 技 术 与 管 理 工 作 ，E-mail 2607835186。 引用格引用格式 冉 星 仕.隆 德 煤 矿 浅 埋 上 下 煤 层 协 调 同 采 技 术 研 究[ J ] .煤 炭 工 程 ，2020, 528 1 - 5. 1 设计技术煤炭工程2020年 第 8 期 顶板和煤层结构裂隙发育，极易发生冒顶、漏顶现 象 ，甚至出现煤柱失稳破坏导致的下煤层顶板大面 积突然垮落等现象，造成切顶压架事故，严重威胁 工作面安全生产[13_15]。 隆德煤矿r1煤 、2_2 煤同步开采，且 煤 工 作面推采速度较快，势必面临重叠开采问题，当上 下煤层工作面回采间距减小至某一值后，下煤层大 采高工作面围岩应力状况将更加复杂，围岩控制难 度加大，可能造成煤壁片帮漏顶、支架下缩量显著 增加、巷道严重变形等问题，给矿井生产带来较大 的安全隐患，而隆德煤矿尚缺乏该方面的研究工作， 因此，有必要基于隆德煤矿具体地质开采条件，对 上下煤层协调同采技术进行深人研究，以保障工作 面安全高效生产。 1 矿井概况 隆德煤矿目前主采r1煤 、2_2 煤，其中，r1煤 可采厚度1.502. 15m, 平 均 1.73m，埋深为92.91 153. 23m，平均 129.04m; 2_ 2 煤 可 采 厚 度 4.12 5.96m，平均 4.89m, 埋深为 40.68 211.42m，平 均 162. 27m。 r1煤 101综采工作面可采长度2529m，工作面长 度 288. 9m。伪顶为厚度0〜 0.5m的砂质泥岩、炭质泥 岩；直接顶为厚度4. 2 12. 5m的细粒砂岩、粉砂岩; 基本顶为厚度5. 5 13m的细-中粒砂岩；底板为厚度 为 1 . 24. 5m的粉砂岩、细粒砂岩。101工作面布置3 条回采巷道，即辅运巷、主运巷和回风巷，工作面采 用ZY10000/13/26D型两柱掩护式液压支架控顶。 2_2煤 209工作面可采长度3477m，工作面宽度 300m，伪顶为厚度0.20. 5m的泥岩，直接顶为厚度 2. 45. 6m的粉砂岩，基本顶为厚度7.314. 8m的细 砂岩、粉砂岩，底 板 为 厚 度 8.2-14. 3m的粉砂岩, 209工作面同样布置3 条回采巷道，采 用ZY12000/ 25/50D型两柱掩护式液压支架控顶。101工作面与 209工作面重叠，层间距平均54. 16m。 2上下煤层同采应力分布实测研究 2. 1 C T探 测 煤 层 工 作 面 应 力 分 布探 测 煤 层 工 作 面 应 力 分 布 2. 1 . 1探测方案 CT探测采用的设备为PASAT-M型便携式微震 探测系统，探测方案包含2 个测区，其中，测 区I 范围为209工作面煤壁前方200m实体煤，测区2 范 围为以正回采的广煤工作面为分界线，下方2_2煤 工作面前后l〇 〇m实体煤，如图1所示。激发端设计 在工作面主运巷回采帮，激发端炮孔间距为10.0m, 炮孔深度2.0m, 每孔装药量约150g，共 20组 ；接 收端检波器设计安装在回风巷回采帮锚杆上，检波 器间距18m, 共 12个。 2. 1 . 2 探测结果分析 采 用PASAT-RHA软件对探测所得的数据进行 分析，分析结果如图2 所示。根 据 图 2 可知，第 1 测区在209工作面前方59. 5m以外，无显著应力集 中区，表明超前采动应力范围不大于59.5m; 第 2 测区在工作面后方47.5m以外，211工作面应力开 始升高，表 明r1煤采空区顶板开始垮落。 209回风巷 209辅运往 a第1测区 1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 -0.25 -0.50 20*炮孔 50.731.4082_ lm。 3.2 C T探测确定安全间距探测确定安全间距 根据CT探测结果，第 1测区209工作面超前应 力范围第2 测区广煤层开采对2 - 2 煤 工作面滞后影响距离Z3 547. 5m, 考虑一定的安全距 离/2 31.4m，则 从CT探测角度，隆德煤矿上下煤 层同采安全间距[59. 531. 447. 5 138. 4m。 3 . 3 理论分析确定安全间距理论分析确定安全间距 根据隆德煤矿地表移动规律测试分析，2_2煤层 工作面超前影响角为68. 9，按r1煤 与 煤 层 间 3 设计技术煤炭工程2020年 第 8 期 距 54. 16m计算，得出厂2 煤开采对r1煤的水平影 响距离为20. 9m，如 图 4 所示，同样考虑安全距离 /2 31. 4m, 则从理论分析角度，隆德煤矿上下煤层 同采安全间距i 再从左侧 50m开 始 ，开 采 下 部 煤 层 ，分 别 开 挖 150m、 200m、250m、300m、350m、400m, 即滞后 1_ 1 煤工 作 面 水 平 距 离 分 别 为 250m、200m、150m、100m、 50m、0m, 分析对应的顶板应力变化特征。 表 2数值模拟岩层岩性及主要物理力学参数表 2数值模拟岩层岩性及主要物理力学参数 层位序号岩性实际厚度/m模拟厚度/m弹性模量/GPn泊松比密度/lcg-nT3内聚力/MPa内摩擦角/ 抗拉强度/MPa 17粉砂岩35.23513.250.2123901.4238.60. 75 16中砂岩12.95134.520. 1823100.5139.60. 24 15 r丨 煤 2.226. 580. 1713600.6138.50. 24 14粉砂岩4. 52515.590.224001.62380. 8 13中砂岩2. 125.630. 1823500.5140.20.32 12细砂岩7. 1711.950. 2323101.2638.70. 68 11煤线31. 1916.580. 1713600.6138.50.24 10细砂岩1.81217.580.2323601.82350.97 9煤线20. 5516. 580. 1713600.6138.50.24 8细砂岩7. 75814. 120. 2223801.5537.70.73 7中砂岩5. 38524. 580. 2224102. 6537.81.32 6煤 线10. 8616. 580. 1713600.6138.50.24 5粉砂岩14.261426.580.223802.838.71.46 4 泥岩2.32 20.0860. 3524300.7638.50.22 3细砂岩0.65119.760. 1821082. 0637.51.02 22-2煤3. 5446.580. 1713600.6138.50.24 1粉砂岩19.461035.470. 1523003.638.91.86 滞后距离 250m、200m、150m、100m、50m、 Om 所 对应的顶板应力分布情况如图5 所示，通常顶板以弯拉 破坏为主，本次以拉应力区表征顶板破坏发育范围。由 图 5 可知，2_2 煤工作面与广煤工作面水平间距由 250m缩小至Om过程中，拉应力区在垂直方向上呈逐 渐扩大趋势。水平间距250m至 100m过程中，拉应力 区没有发生贯通；水平间距50m至Om, 拉应力区基本 整体贯通2_2煤与I 1煤之间的岩层。2_2煤顶板拉应力 发育高度如图6 所示。水平间距250m至Om过程中， 拉应力区发育长度在顶板垂直方向上有波动’但整体呈 增大趋势，直至间距50m扩展至整个层间距。可见， 为了 煤层安全开采，其工作面滞后r1煤层工作面 的水平距离不应小于50m，上述确定的安全间距 138. 4m满足要求，且有较大的安全富余量。 4 2020年 第 8 期煤炭工程设计技术 250 200 150 100 50 0 22煤与丨1煤工作面滞后水平距离/m 图 6顶板拉应力区高度统计图 6顶板拉应力区高度统计 5结 论 1 采用2 种现场测试方法，研究了 r 1煤与2_2 煤开采相互影响关系，即 CT探测得出了 2_2 煤工作 面 超 前 应 力 影 响 范 围 不 大 于59.5m, 1_1煤推采 47. 5m采 空 区 顶 板 开 始 垮 落 对 煤 工 作 面 应 力 产 生 影响；钻孔应力计实测得出了 煤工作面超前应 力范围平均40. 8m,应力峰值位于工作面前方6m, 应力集中系数1.23,且厂2 煤层回采基本不受间隔 煤柱宽度20m 的相邻工作面以及间隔顶板岩层厚度 54m的广煤工作面 开 采影响。 2 通 过 CT探 测 、钻孔应力计实测以及理论计 算3种方法，确定了隆德煤矿上下煤层协调开采合 理安全间距为138.4m。 a与r 1煤水平间距250m d与r 1煤水平间距丨00m ⑷ 与r 1煤水平间距50m 0与r 1煤水平间距0m 图 5不同水平间距对应的顶板拉应力区图 5不同水平间距对应的顶板拉应力区 iH i iitjiiiiiu iiiu iiiH n in tiiiH n t A i.i. ltil；lllir | I .ihi;il|iu H iM U iiliiM lb lit c与r 1煤水平间距150m 3 采用数值模拟方法，研究了不同安全间距下 顶板拉应力区演化特征，得 出了安全间距50m 以内 拉应力贯穿整个层间距，验证了隆德煤矿上下煤层 协调开采安全间距138. 4m 的安全性。 参考文献 [1] 李福胜.浅埋薄基岩上下层同步开采技术研究[ D ] .北京 中国矿业大学（ 北京） ，2010. 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