近距离煤层群开采下层煤开切眼位置的确定

张国军 马亚仲 魏英楠

(中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京市海淀区，100083)



★ 煤炭科技·开拓与开采 ★

近距离煤层群开采下层煤开切眼位置的确定

张国军 马亚仲 魏英楠

(中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京市海淀区，100083)

为了确定近距离煤层群开采时下煤层开切眼的合理位置，本文在对木瓜矿9#煤层和10#煤层近距离煤层开采地质条件分析的基础上，对上层9#煤层开采后底板破坏深度及煤柱下方的支承压力分布情况及影响范围进行了力学计算，理论计算结果表明，10#煤层回采巷道与9#煤层巷道的内错距需不小于15 m；此外，利用FLAC3D有限元数值模拟软件对9#煤层采后围岩应力与岩层移动情况进行分析，并在此基础上进一步分析其对下煤层矿压的影响，通过对比研究最终确定10#煤层合理开切眼的位置，与理论计算结果基本一致，该布置方式可为近距离煤层群下煤层开采开切眼位置的选择提供一定的借鉴意义。

近距离煤层 底板破坏 围岩应力分布 开切眼 FLAC3D数值模拟

我国煤层赋存情况复杂多变，其中近距离煤层赋存和开采所占比重很大，多数矿区都存在开采近距离煤层群的问题。近距离煤层开采过程中，上下两层煤之间的相互影响较大，由于煤层间的距离较近，上层煤开采后，会破坏其底板的完整性，同时在上煤层煤柱下方一定范围内形成应力集中现象，该应力集中的区域将会对下层煤的巷道布置产生较大的影响，往往会造成巷道急剧变形，众多学者就近距离煤层下行开采条件工作面布置进行了大量研究，其研究主要集中在开采技术、巷道布置、灾害防治等方面，下层工作面开切眼合理位置的研究相对较少，由于开切眼巷道断面大，需要围岩处在相对稳定的地应力环境，下层煤工作面开切眼位置的选择将直接影响开切眼巷道掘巷与维护的难易程度，因此，本文以山西木瓜矿为工程背景对近距离煤层群开采时开切眼巷道合理位置的选择进行研究。

1 工程概况

本文以木瓜矿为研究背景，对木瓜矿10#煤层首采面开切眼的位置进行研究，10#煤层位于已完成回采的9#煤层下部，两煤层间距2～10 m，属于近距离煤层，煤层顶底板情况见表1。上煤层9#煤层工作面长度为90 m，工作面煤柱为20 m，下层10#煤层工作面长度约为200 m，平均埋深约为300 m，10#煤层工作面开切眼将位于9#煤层采空区和煤柱应力集中区域，开切眼空间尺寸大，巷道维护困难，开切眼位置的选择将直接影响开切眼成巷的难易程度，因此，本文将主要研究10#煤层不同位置工作面开切眼周边的应力分布情况。

表1 9#煤层和10#煤层顶底板情况

2 理论分析

在煤层群下行开采的过程中，下部煤层的回采会受到上部煤层回采时留下的采空区以及煤柱的影响，尤其是在近距离煤层开采的过程中上煤层开采过程留下的煤柱以及煤柱下方底板的一定区域将形成应力集中现象，煤柱下方会形成一定范围的应力集中，其应力集中程度及范围将直接影响下煤层开采过程中工作面的布置，尤其是开切眼位置的选择。

根据岩土力学原理(如图1所示)，集中力P对地下点M产生影响垂直应力σz计算见公式：

(1)

式中：P——作用于地表的集中力，MPa；

Z——点M距集中力作用点的垂直距离，m；

r——点M距集中力作用点的水平距离，m；

K——系数；

R——点M距集中力作用点的距离，m。

图1 集中力作用于地表

运用叠加原理，长度为b的范围内的集中应力P对底板垂直应力分布情况进行计算，得出在均布载荷P的作用下，底板垂直应力等值线分布情况，如图2所示。

图2 均布载荷作用底板应力等值线图等压分布图

由图2可知，在垂直方向上，作用在底板上的垂直应力由浅部向深部逐渐降低；在水平方向上，作用在底板上垂直应力由中间向两端逐渐降低。通常认为当垂直应力小于作用在地表的应力的10%可以忽略不计，因此图2中等值线0.1P所包围的区域为集中应力影响区。进一步分析可知，在垂直方向上煤柱支承压力影响深度约为煤柱宽度的6.25倍，在水平方向上煤柱支承压力影响范围约为煤柱宽度的1.5倍。为了更好地分析煤柱在水平和垂直方向的影响范围，可以将其应力的影响范围进行简化，如图3所示。

图3 煤柱集中应力影响边界线

在极近距离煤层群开采中，受上煤层留设的煤柱影响，下煤层开切眼的布置很大程度上尽量避开上层煤开采过程中所留煤柱产生的应力集中区。对于下行近距离煤层开采开切眼的位置主要有内错、外错以及垂直布置3种，一般内错式开切眼巷道处于上层煤的采空区下，处于应力降低区，有利于巷道掘进。

依据木瓜矿的实际开采情况，分析9#煤层所留煤柱对下煤层10#煤层的影响，如图4所示，10#煤层的开切眼不能布置在9#煤层所留煤柱的影响范围内，煤层群开采时下层煤开切眼与上层所留煤柱的水平距离公式为：

L0≥(h1+h2)tanθ

(2)

式中：L0——9#煤层柱与10#煤层开切眼的水平间距，m；

θ——压力传递影响角，取40°；

h1——10#煤层顶板岩层厚度，2～14 m，取最大值14 m；

h2——10#煤层开切眼高度，取2.8 m。

经计算得L0≥14.2 m。

图4 9#煤层煤柱支承压力边界线及边界角

由于9#煤层工作面开切眼掘进沿顶板起底掘进，9#煤层开切眼与10#煤层开切眼的内错距计算见式：

Ln=L0-B

(3)

式中：Ln——10#煤层开切眼的内错距，m；

B——9#煤层开切眼宽度，取3.6 m。

经计算得Ln≥10.6 m。

因此，10#煤层开切眼与9#煤层开切眼的最小内错距离为10.6 m，同时要留有一定的安全系数保证回采安全，初步将错距定为15 m。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

采用FLAC3D软件模拟上层工作面回采后底板的应力分布状态，依据木瓜矿实际开采条件建立数值模型，依据关键层理论，在9#煤层开采完成后，进一步模拟下层10#煤层开切眼不同位置的矿压及岩层移动规律。模型尺寸为200 m×200 m×118 m，具体岩石力学参数见表2，通过在模型上部施加法向应力来模拟实际的埋深，由于工作面埋深仅为300 m左右，水平应力大于垂直应力，所以在模型四周通过施加应力边界的方法来模拟水平应力，这里取最大水平主应力为垂直应力的1.5倍，所用的计算模型采用 Mohr-Coulomb模型。

模型大小及初始应力平衡云图如图5所示。

表2 计算采用岩体力学参数

图5 FLAC3D模型

3.2 模型结果分析

首先对9#煤层工作面开采进行模拟，9#煤层的工作面长度设为90 m，工作面沿X轴正向推进，沿工作面中部垂直于Y轴作切面，分析9#煤层在开采过程中垂直应力变化情况，当工作面开采到60 m后工作面前后出现的应力增高区以及应力集中系数基本稳定，应力集中程度最高的范围在采空区边缘附近的煤体内，在9#煤层采空区下方出现应力降低区。9#煤层底板距煤柱边缘5 m的范围内形成应力集中，并向底板传播，影响范围大于与10#煤层平均间距，10#煤层距9#煤层煤柱水平

距离15 m的范围处为低应力区，如图6所示。

通过分析9#煤层开采后垂直应力的分布情况，确定了10#煤层应力降低区以及增高区的范围，进一步对10#煤层开切眼布置在9#煤层工作面回采后采空区后方煤壁不同位置时垂直应力变化情况进行了分析，即10#煤层开切眼布置在9#煤层采空区后方煤壁边缘15 m处的煤柱下方，如图7(a)所示，10#煤层开切眼布置在9#煤层采空区后方煤壁边缘正下方，如图7(b)所示，10#煤层开切眼布置在9#煤层采空区后方煤壁边缘15 m处的采空区下方，如图7(c)所示。

图7 10#煤层开切眼不同位置垂直应力等值线云图

由图7可知，上下两回采工作面开切眼在不同错距时煤壁前方应力等值线均呈“勺把儿”形，随着错距的不断增大，即由图7(a)到图7(c)的过程中，9#煤层采空区后方煤柱支承压力对10#煤层开切眼巷道的影响逐渐减小。由图7(a)可知，10#煤层工作面开切眼处于9#煤层工作面采空区后方煤柱下方的应力增高区，10#煤层工作面开切眼巷道顶板的垂直应力约为6 MPa，两帮约为10 MPa；由图7(b)可知，10#煤层工作面开切眼处于9#煤层工作面采空区后方煤柱边缘的正下方(即9#煤层开切眼的正下方)的应力增高区，10#煤层工作面开切眼巷道顶板的垂直应力约为4 MPa，10#煤层工作面开切眼两帮在距9#煤层采空区后方煤柱较近一侧约为8 MPa，较远一侧约为4 MPa；由图7c可知，10#煤层工作面开切眼处于9#煤层工作面采空区下方的应力降低区，10#煤层工作面开切眼围岩应力约为0.25 MPa，其应力值仅为9#煤层与10#煤层之间岩石自重，10#煤层工作面开切眼围岩处于应力地应力条件下，此时开切眼巷道比较容易维护。

由于开切眼巷道断面大，如果开切眼巷道处于应力集中区，会造成巷道开掘与维护困难，因此10#煤层开切眼巷道应该布置在应力降低区，理论分析和数值模拟均得出10#煤层开切眼与9#煤层开切眼的内错距离为15 m较为合理，即10#煤层开切眼布置在9#煤层采空区下方距煤柱边缘15 m处。

4 结论

(1)9#煤层开采以后，9#煤层所留煤柱底板下方产生应力集中，其最大集中应力主要集中在煤柱下方距离煤柱边缘5 m的范围内，应力最小的位置为距离煤柱边缘15 m范围的采空区下方，10#煤层开切眼布置在9#煤层采空区下方距煤柱边缘15 m时较为合理。

(2)通过现场实践证明，下层10#煤层开切眼位置确定合理，开切眼巷道处于应力降低区，解决了巷道维护和安全生产的难题，更降低了成本，在木瓜矿取得了良好的经济效益。

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(责任编辑 郭东芝)

全球首套煤基乙醇工业示范项目投产

中国科学院日前举行新闻发布会，宣布具有中国自主知识产权技术的全球首套煤基乙醇工业示范项目投产成功。这是我国新型煤化工产业化技术应用的又一次重大突破，表明我国在该技术领域达到国际领先水平，使我国率先具有了设计和建设百万吨级煤基乙醇大型工业装置的能力。

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

国家重点研发计划(2016YFC0600708),大学生创新实验计划(C201601018)

张国军，马亚仲，魏英楠. 近距离煤层群开采下层煤开切眼位置的确定[J]. 中国煤炭，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

张国军(1989-)，男，河北唐山人，博士研究生，从事矿山压力与岩层控制的研究。