中厚-厚煤層近距離高效同采礦壓控制研究

汪月偉，董淑文，樊俊鵬，成云海

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083；2.中煤集團(tuán)山西金海洋能源有限公司，山西 朔州036800；3.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南232001)

中煤集團(tuán)山西金海洋能源有限公司南陽坡煤礦主采煤層為3#煤和4#煤，3#煤層均厚2.10m，4#煤均厚7.11m，層間距23～26m。4105綜放工作面(開采4#煤)在30205綜采工作面(開采3#煤)下方同采，為中厚-厚煤層近距離開采。

根據(jù)研究[1]，開采時下部煤層開采前頂板的完整程度己受上部煤層開采損傷影響，其上又為上部煤層開采垮落的矸石，且上部煤層開采后殘留的區(qū)段煤柱在底板形成的集中壓力，導(dǎo)致下部煤層開采區(qū)域頂板結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化，因此兩工作面為近距離煤層開采。

30205綜采面可采儲量42.3萬t，4105綜放面為181.0萬t，為實現(xiàn)安全高效同采，顯然需要解決近距離煤層礦壓控制問題[2-3]，防止下煤層開采時，導(dǎo)致巷道變形劇烈等現(xiàn)象發(fā)生。

1 煤巖物理力學(xué)性質(zhì)測試

采用數(shù)值模擬軟件能快捷分析礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，其前提是需要準(zhǔn)確掌握煤巖物理力學(xué)性質(zhì)。為此。根據(jù)原煤炭工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗規(guī)程》要求進(jìn)行測試。部分試樣如圖1所示。對上述試驗數(shù)據(jù)整理，如表1所示。

圖1 煤巖樣

表1 巖石物理力學(xué)匯總表

2 近距離開采顯現(xiàn)特征與控制

2.1 中厚-厚煤層近距離開采支承壓力分布與傳遞的測量

30205綜采面巷道為矩形斷面，錨網(wǎng)索支護(hù)，掘進(jìn)斷面15.1m2；4105綜放面巷道為矩形斷面，錨網(wǎng)索支護(hù)，掘進(jìn)斷面16.5m2，采高3.4m。

2.1.1 觀測方案

30205綜采面順槽：在進(jìn)風(fēng)順槽煤柱側(cè)距開切眼650m位置安裝應(yīng)力計，一共打五個孔，孔深分別為4m、7m、12m、17m、22m；在回風(fēng)順槽實體煤側(cè)距開切眼同樣距離安裝應(yīng)力計，孔深同進(jìn)風(fēng)順槽。

4105綜放面順槽：在進(jìn)風(fēng)順槽煤柱側(cè)距開切眼650m位置打孔安裝應(yīng)力計，一共打五個孔，孔深分別為4m、7m、12m、17m、22m。工作面?zhèn)韧瑯游恢么?個孔，孔深分別為4m、7m、12m、17m。在回風(fēng)順槽工作面?zhèn)染嚅_切眼同樣距離安裝應(yīng)力計，孔深分別為4m、7m、12m、17m、22m。

監(jiān)測區(qū)段為采場前方100～30m。

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

2.1.2.1 30205綜采面進(jìn)風(fēng)順槽采場側(cè)側(cè)向應(yīng)力分布

疼痛評分采用視覺模擬評分進(jìn)行判定，其中0分表示患者無疼痛感、10分表示患者伴有劇烈疼痛感，即得分越高表明患者疼痛程度越重。

圖2、圖3為30205綜采面進(jìn)風(fēng)順槽在采場不同位置采場側(cè)側(cè)向應(yīng)力數(shù)據(jù)。觀測的4～7m之間讀數(shù)變化較大，進(jìn)風(fēng)順槽采場側(cè)側(cè)向支承壓力峰值在22m左右。

圖2 30205運輸順槽采場前方50m采場側(cè)側(cè)向應(yīng)力

應(yīng)力隨距采場距離的增大呈下降趨勢，17m和22m讀數(shù)較其他3個鉆孔較高，是由于受3#煤留設(shè)煤柱壓力增高區(qū)影響。

圖3 30205運輸順槽采場前方20m采場側(cè)側(cè)向應(yīng)力

2.1.2.2 4105進(jìn)風(fēng)順槽采場側(cè)應(yīng)力分布

圖4、圖5為4105綜采面進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽側(cè)向應(yīng)力數(shù)據(jù)。

圖4 4105進(jìn)風(fēng)順槽煤柱側(cè)應(yīng)力

圖5 4105回風(fēng)順槽工作面?zhèn)葢?yīng)力

回風(fēng)順槽側(cè)向支承壓力峰值位置在12m到22m之間，且受30205綜采面與30207工作面之間留設(shè)的煤柱的影響，30205回風(fēng)順槽煤柱側(cè)支承壓力峰值距回風(fēng)順槽22m左右。

以同在工作面前方30m位置孔深12m應(yīng)力讀數(shù)分析，4105運輸順槽是4105回風(fēng)順槽的10倍左右，說明3#煤開采對下煤層壓力影響顯著，如果下煤層巷道位置不合理，維護(hù)難度顯著增加。

2.2 近距離開采應(yīng)力分布規(guī)律的數(shù)值計算

如圖6所示，模型尺寸長×寬×高=545m×300m×248m，整個模型底邊界固定，模型總共437760個單元格，457317節(jié)點，考慮減小模型邊界效應(yīng)的影響，上部煤層沒有顯示出來的部分用外載荷代替，材料本構(gòu)模型為摩爾-庫侖模型。力學(xué)參數(shù)參見表1，表中Block5為3#煤，Block9為4#煤，其他與煤層頂?shù)装鍘r層順序相符。

如圖7所示，每條監(jiān)測線共分布50個測點，測點間隔2m，分析30203工作面和30205工作面開挖的18條監(jiān)測線的支承壓力分布。

圖8、圖9為3#煤開采對4105運輸及回風(fēng)順槽兩側(cè)壓力影響，分析上煤層開采壓力傳遞及下煤層礦壓顯現(xiàn)特征。

圖6 數(shù)值計算模型

圖7 開挖3煤監(jiān)測區(qū)域位置

圖8 3煤開采對4105運輸順槽兩側(cè)壓力影響

圖9 3煤開采對4105回風(fēng)順槽兩側(cè)壓力影響

分析認(rèn)為：①在采空區(qū)側(cè)，受3煤開采影響，4煤在3煤運輸順槽靠近采空區(qū)側(cè)處于卸壓區(qū)，4煤在3煤運輸順槽靠近煤柱側(cè)壓力升高→降低；②3煤開采對下煤層傳遞角為45°，顯著支承壓力增高區(qū)域傳遞角為31°；③4105進(jìn)風(fēng)順槽變形，明顯受3煤開采支承高壓力、區(qū)段煤柱尺寸不合理造成的側(cè)向壓力影響；④3煤開采后，滯后60m左右覆巖運動停止運動，4煤可滯后3煤工作面60m開始割煤。⑤礦壓觀測規(guī)律與數(shù)值計算得到的支承壓力分布基本一致。

3 錨桿(索)工作載荷隨機(jī)測試與分析

上述研究說明，4#煤開采受3#煤采動影響。為評價支護(hù)可靠性，需要對錨桿、錨索工作阻力進(jìn)行觀測，為調(diào)整和修改支護(hù)參數(shù)提供實測依據(jù)。

3#煤和4#煤工作面均采用錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。3#煤巷道錨桿規(guī)格為Φ18×2000mm，間排距為1000mm×1000mm；錨索規(guī)格為Φ17.8×6000mm，排距為2000mm×3000mm，金屬網(wǎng)規(guī)格均為2200mm×1200mm。4#煤錨桿間排距為800mm×1000mm，其他一致。

采用無損監(jiān)測儀監(jiān)測，能夠在不破壞錨桿(索)的錨固效果、預(yù)應(yīng)力及工作載荷的情況下，顯示出工作載荷值等測量數(shù)據(jù)。

3.1 30205運輸順槽錨桿(索)工作載荷隨機(jī)測試與分析

圖10為30205運輸順槽頂板錨索受超前壓力影響工作載荷圖。所有錨桿(索)在超前支承壓力影響下工作載荷基本處于偏高狀態(tài)，在15～28m之間為超前支承壓力增高區(qū)，但仍處于安全值范圍內(nèi)，30205運輸順槽整體支護(hù)較好，變形量小，支護(hù)安全。

圖10 30205運輸順槽錨索工作載荷圖

3.2 4105運輸順槽錨桿(索)工作載荷隨機(jī)測試與分析

距離開切眼100～300m變形量較大，采用架棚支護(hù)，但支護(hù)效果并不理想，幫部煤體松散，裂隙較發(fā)育，使得錨桿未達(dá)到理想工作載荷值，部分錨桿甚至失效。距開切眼140m后片幫嚴(yán)重，幫部錨桿全部失效。巷道支護(hù)總體不理想。

4105工作面從5月份開采，到7月底僅采了100m，究其原因是由于巷道布置不合理。

具體原因如下：①受3#煤工作面前方超前壓力的影響；②受3#煤工作面后方覆巖運動產(chǎn)生的力；③4#煤工作面前方超前壓力產(chǎn)生的力；④受4103與4105側(cè)向固定支承壓力影響。

4105回風(fēng)順槽受上煤層開采不明顯，盡管頂板煤體較破碎，但幫部變形量不大，支護(hù)良好。

4 結(jié)語

基于煤巖物理力學(xué)測試、在線應(yīng)力監(jiān)測、支護(hù)載荷無損監(jiān)測及數(shù)值計算，對中厚-厚煤層近距離開采研究，得出結(jié)論如下所示。

1)得出了監(jiān)測區(qū)域的側(cè)向應(yīng)力分布規(guī)律，對下煤層開采影響進(jìn)行了分析；3#煤開采對下煤層傳遞角為45°，顯著支承壓力增高區(qū)域傳遞角為31°。

2)監(jiān)測評價了沿空的30205運輸順槽整體支護(hù)較好，沿空的4105運輸順槽支護(hù)較差，并找出產(chǎn)生的原因。

3)4105進(jìn)風(fēng)順槽變形受3#煤開采支承高壓力、區(qū)段煤柱尺寸不合理造成的側(cè)向壓力影響，在下

區(qū)段的4107回風(fēng)順槽設(shè)計留設(shè)的區(qū)段煤柱為32m，能夠有效降低3#煤開采支承高壓力影響。

4)3#煤開采后，滯后60m左右覆巖運動停止運動，故4#煤可滯后3#煤工作面60m開始割煤。如果考慮構(gòu)造影響，需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

[1] 鞠金峰，許家林，朱衛(wèi)兵，等.近距離煤層工作面出傾向煤柱動載礦壓機(jī)理研究[J].煤炭學(xué)報，2010，35(1)：15-20.

[2] 王存權(quán).近距離煤層開采斜交過上覆采空區(qū)煤柱礦壓規(guī)律研究[J].中國煤炭，2006，32(2)：35-44.

[3] 朱濤，張百勝，馮國瑞，等.極近距離煤層下層煤采場頂板結(jié)構(gòu)與控制[J].煤炭學(xué)報，2010，35(2)：190-193.

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[5] 王剛，孫晉安，王海洋，等.基于Fluent對火區(qū)下近距離煤層工作面CO異常涌入的數(shù)值模擬[J].中國礦業(yè)，2013，22(6)：101-104.