近距離煤層群開采下層煤開切眼位置的確定

張國軍 馬亞仲 魏英楠

(中國礦業大學(北京)共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京市海淀區，100083)

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★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

近距離煤層群開采下層煤開切眼位置的確定

張國軍 馬亞仲 魏英楠

(中國礦業大學(北京)共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京市海淀區，100083)

為了確定近距離煤層群開采時下煤層開切眼的合理位置，本文在對木瓜礦9#煤層和10#煤層近距離煤層開采地質條件分析的基礎上，對上層9#煤層開采后底板破壞深度及煤柱下方的支承壓力分布情況及影響范圍進行了力學計算，理論計算結果表明，10#煤層回采巷道與9#煤層巷道的內錯距需不小于15 m；此外，利用FLAC3D有限元數值模擬軟件對9#煤層采后圍巖應力與巖層移動情況進行分析，并在此基礎上進一步分析其對下煤層礦壓的影響，通過對比研究最終確定10#煤層合理開切眼的位置，與理論計算結果基本一致，該布置方式可為近距離煤層群下煤層開采開切眼位置的選擇提供一定的借鑒意義。

近距離煤層 底板破壞 圍巖應力分布 開切眼 FLAC3D數值模擬

我國煤層賦存情況復雜多變，其中近距離煤層賦存和開采所占比重很大，多數礦區都存在開采近距離煤層群的問題。近距離煤層開采過程中，上下兩層煤之間的相互影響較大，由于煤層間的距離較近，上層煤開采后，會破壞其底板的完整性，同時在上煤層煤柱下方一定范圍內形成應力集中現象，該應力集中的區域將會對下層煤的巷道布置產生較大的影響，往往會造成巷道急劇變形，眾多學者就近距離煤層下行開采條件工作面布置進行了大量研究，其研究主要集中在開采技術、巷道布置、災害防治等方面，下層工作面開切眼合理位置的研究相對較少，由于開切眼巷道斷面大，需要圍巖處在相對穩定的地應力環境，下層煤工作面開切眼位置的選擇將直接影響開切眼巷道掘巷與維護的難易程度，因此，本文以山西木瓜礦為工程背景對近距離煤層群開采時開切眼巷道合理位置的選擇進行研究。

1 工程概況

本文以木瓜礦為研究背景，對木瓜礦10#煤層首采面開切眼的位置進行研究，10#煤層位于已完成回采的9#煤層下部，兩煤層間距2～10 m，屬于近距離煤層，煤層頂底板情況見表1。上煤層9#煤層工作面長度為90 m，工作面煤柱為20 m，下層10#煤層工作面長度約為200 m，平均埋深約為300 m，10#煤層工作面開切眼將位于9#煤層采空區和煤柱應力集中區域，開切眼空間尺寸大，巷道維護困難，開切眼位置的選擇將直接影響開切眼成巷的難易程度，因此，本文將主要研究10#煤層不同位置工作面開切眼周邊的應力分布情況。

表1 9#煤層和10#煤層頂底板情況

2 理論分析

在煤層群下行開采的過程中，下部煤層的回采會受到上部煤層回采時留下的采空區以及煤柱的影響，尤其是在近距離煤層開采的過程中上煤層開采過程留下的煤柱以及煤柱下方底板的一定區域將形成應力集中現象，煤柱下方會形成一定范圍的應力集中，其應力集中程度及范圍將直接影響下煤層開采過程中工作面的布置，尤其是開切眼位置的選擇。

根據巖土力學原理(如圖1所示)，集中力P對地下點M產生影響垂直應力σz計算見公式：

(1)

式中：P——作用于地表的集中力，MPa；

Z——點M距集中力作用點的垂直距離，m；

r——點M距集中力作用點的水平距離，m；

K——系數；

R——點M距集中力作用點的距離，m。

圖1 集中力作用于地表

運用疊加原理，長度為b的范圍內的集中應力P對底板垂直應力分布情況進行計算，得出在均布載荷P的作用下，底板垂直應力等值線分布情況，如圖2所示。

圖2 均布載荷作用底板應力等值線圖等壓分布圖

由圖2可知，在垂直方向上，作用在底板上的垂直應力由淺部向深部逐漸降低；在水平方向上，作用在底板上垂直應力由中間向兩端逐漸降低。通常認為當垂直應力小于作用在地表的應力的10%可以忽略不計，因此圖2中等值線0.1P所包圍的區域為集中應力影響區。進一步分析可知，在垂直方向上煤柱支承壓力影響深度約為煤柱寬度的6.25倍，在水平方向上煤柱支承壓力影響范圍約為煤柱寬度的1.5倍。為了更好地分析煤柱在水平和垂直方向的影響范圍，可以將其應力的影響范圍進行簡化，如圖3所示。

圖3 煤柱集中應力影響邊界線

在極近距離煤層群開采中，受上煤層留設的煤柱影響，下煤層開切眼的布置很大程度上盡量避開上層煤開采過程中所留煤柱產生的應力集中區。對于下行近距離煤層開采開切眼的位置主要有內錯、外錯以及垂直布置3種，一般內錯式開切眼巷道處于上層煤的采空區下，處于應力降低區，有利于巷道掘進。

依據木瓜礦的實際開采情況，分析9#煤層所留煤柱對下煤層10#煤層的影響，如圖4所示，10#煤層的開切眼不能布置在9#煤層所留煤柱的影響范圍內，煤層群開采時下層煤開切眼與上層所留煤柱的水平距離公式為：

L0≥(h1+h2)tanθ

(2)

式中：L0——9#煤層柱與10#煤層開切眼的水平間距，m；

θ——壓力傳遞影響角，取40°；

h1——10#煤層頂板巖層厚度，2～14 m，取最大值14 m；

h2——10#煤層開切眼高度，取2.8 m。

經計算得L0≥14.2 m。

圖4 9#煤層煤柱支承壓力邊界線及邊界角

由于9#煤層工作面開切眼掘進沿頂板起底掘進，9#煤層開切眼與10#煤層開切眼的內錯距計算見式：

Ln=L0-B

(3)

式中：Ln——10#煤層開切眼的內錯距，m；

B——9#煤層開切眼寬度，取3.6 m。

經計算得Ln≥10.6 m。

因此，10#煤層開切眼與9#煤層開切眼的最小內錯距離為10.6 m，同時要留有一定的安全系數保證回采安全，初步將錯距定為15 m。

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

采用FLAC3D軟件模擬上層工作面回采后底板的應力分布狀態，依據木瓜礦實際開采條件建立數值模型，依據關鍵層理論，在9#煤層開采完成后，進一步模擬下層10#煤層開切眼不同位置的礦壓及巖層移動規律。模型尺寸為200 m×200 m×118 m，具體巖石力學參數見表2，通過在模型上部施加法向應力來模擬實際的埋深，由于工作面埋深僅為300 m左右，水平應力大于垂直應力，所以在模型四周通過施加應力邊界的方法來模擬水平應力，這里取最大水平主應力為垂直應力的1.5倍，所用的計算模型采用 Mohr-Coulomb模型。

模型大小及初始應力平衡云圖如圖5所示。

表2 計算采用巖體力學參數

圖5 FLAC3D模型

3.2 模型結果分析

首先對9#煤層工作面開采進行模擬，9#煤層的工作面長度設為90 m，工作面沿X軸正向推進，沿工作面中部垂直于Y軸作切面，分析9#煤層在開采過程中垂直應力變化情況，當工作面開采到60 m后工作面前后出現的應力增高區以及應力集中系數基本穩定，應力集中程度最高的范圍在采空區邊緣附近的煤體內，在9#煤層采空區下方出現應力降低區。9#煤層底板距煤柱邊緣5 m的范圍內形成應力集中，并向底板傳播，影響范圍大于與10#煤層平均間距，10#煤層距9#煤層煤柱水平

距離15 m的范圍處為低應力區，如圖6所示。

通過分析9#煤層開采后垂直應力的分布情況，確定了10#煤層應力降低區以及增高區的范圍，進一步對10#煤層開切眼布置在9#煤層工作面回采后采空區后方煤壁不同位置時垂直應力變化情況進行了分析，即10#煤層開切眼布置在9#煤層采空區后方煤壁邊緣15 m處的煤柱下方，如圖7(a)所示，10#煤層開切眼布置在9#煤層采空區后方煤壁邊緣正下方，如圖7(b)所示，10#煤層開切眼布置在9#煤層采空區后方煤壁邊緣15 m處的采空區下方，如圖7(c)所示。

圖7 10#煤層開切眼不同位置垂直應力等值線云圖

由圖7可知，上下兩回采工作面開切眼在不同錯距時煤壁前方應力等值線均呈“勺把兒”形，隨著錯距的不斷增大，即由圖7(a)到圖7(c)的過程中，9#煤層采空區后方煤柱支承壓力對10#煤層開切眼巷道的影響逐漸減小。由圖7(a)可知，10#煤層工作面開切眼處于9#煤層工作面采空區后方煤柱下方的應力增高區，10#煤層工作面開切眼巷道頂板的垂直應力約為6 MPa，兩幫約為10 MPa；由圖7(b)可知，10#煤層工作面開切眼處于9#煤層工作面采空區后方煤柱邊緣的正下方(即9#煤層開切眼的正下方)的應力增高區，10#煤層工作面開切眼巷道頂板的垂直應力約為4 MPa，10#煤層工作面開切眼兩幫在距9#煤層采空區后方煤柱較近一側約為8 MPa，較遠一側約為4 MPa；由圖7c可知，10#煤層工作面開切眼處于9#煤層工作面采空區下方的應力降低區，10#煤層工作面開切眼圍巖應力約為0.25 MPa，其應力值僅為9#煤層與10#煤層之間巖石自重，10#煤層工作面開切眼圍巖處于應力地應力條件下，此時開切眼巷道比較容易維護。

由于開切眼巷道斷面大，如果開切眼巷道處于應力集中區，會造成巷道開掘與維護困難，因此10#煤層開切眼巷道應該布置在應力降低區，理論分析和數值模擬均得出10#煤層開切眼與9#煤層開切眼的內錯距離為15 m較為合理，即10#煤層開切眼布置在9#煤層采空區下方距煤柱邊緣15 m處。

4 結論

(1)9#煤層開采以后，9#煤層所留煤柱底板下方產生應力集中，其最大集中應力主要集中在煤柱下方距離煤柱邊緣5 m的范圍內，應力最小的位置為距離煤柱邊緣15 m范圍的采空區下方，10#煤層開切眼布置在9#煤層采空區下方距煤柱邊緣15 m時較為合理。

(2)通過現場實踐證明，下層10#煤層開切眼位置確定合理，開切眼巷道處于應力降低區，解決了巷道維護和安全生產的難題，更降低了成本，在木瓜礦取得了良好的經濟效益。

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(責任編輯 郭東芝)

全球首套煤基乙醇工業示范項目投產

中國科學院日前舉行新聞發布會，宣布具有中國自主知識產權技術的全球首套煤基乙醇工業示范項目投產成功。這是我國新型煤化工產業化技術應用的又一次重大突破，表明我國在該技術領域達到國際領先水平，使我國率先具有了設計和建設百萬噸級煤基乙醇大型工業裝置的能力。

Determination of open-off location in lower seam of close distance coal seam group

Zhang Guojun, Ma Yazhong, Wei Yingnan

(Beijing Key Laboratory for Precise Mining of Symbiotic and Associated Energy and Resources, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

To determine the rational position of open-off in lower seam of close distance coal seam group, based on analysis of mining geological conditions of close distance coal seam group (No. 9 coal seam and No. 10 coal seam) in Mugua Mine, the authors analyzed floor failure depth after the upper 9#coal seam mining and distribution law and influence range of support pressure under coal pillar by mechanical calculation, theoretical calculation result showed that staggered distance of mining roadways of No. 9 coal seam and No. 10 coal seam should be over 15 m; and through analyzing surrounding rock stress and rock strata movement after No. 9 seam mining and the influence on mine pressure by FLAC3D finite element numerical simulation software, the rational location of open-off in No. 10 seam was determined finally, which was basically agreed with the theoretical calculation result, the arrangement form provided a certain reference for open-off location selection in lower seam mining of close distance coal seam group.

close distance coal seam group, floor failure, surrounding rock stress distribution, open-off, FLAC3D numerical simulation

國家重點研發計劃(2016YFC0600708),大學生創新實驗計劃(C201601018)

張國軍，馬亞仲，魏英楠. 近距離煤層群開采下層煤開切眼位置的確定[J]. 中國煤炭，2017,43(4)：48-52. Zhang Guojun, Ma Yazhong, Wei Yingnan. Determination of open-off location in lower seam of close distance coal seam group [J]. China Coal, 2017,43(4)：48-52.

TD821.2

A

張國軍(1989-)，男，河北唐山人，博士研究生，從事礦山壓力與巖層控制的研究。