回坡底矿近距离煤层采空区下工作面矿压显现规律研究_秦世国.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 近距离煤层在我国煤炭资源中占有很大的比例， 大多矿井采用下行开采的方法进行近距离煤层的采 掘， 随着煤炭资源开采的深入， 许多矿井面临极近距 离采空区下工作面回采的矿压显现及其控制问题， 与 常规的回采工作面相比，近距离下位煤层开采时， 工 作面顶板岩层的运移规律、 采煤工作面和巷道内矿压 显现规律均有很大差异， 下位煤层由于受到上层煤回 采的动压影响，其围岩的应力状态及顶板岩层的强 度、 完整性具有其特殊性。目前关于极近距离下位煤 层开采顶板运移规律和工作面矿压显现规律的研究 较少。因此， 本文以回坡底矿 11 煤层采煤工作面为 背景， 研究顶板岩层的破断规律和工作面矿压显现规 律， 为类似地质条件下的近距离煤层开采过程中的采 场矿压控制提供参考。 1工程概况 山西焦煤回坡底矿是霍州煤电集团 1997 年兼并 接受的洪洞县地方煤矿， 经改造和扩建后， 于 2001 年 8 月正式投产。 设计生产能力 120 万吨 / 年。 井田范围 呈北东 - 南西向长条多边形分布，总面积为 40.016km2， 分东西两区， 西区已经采掘完毕， 现采东 区。井田范围内最高点位于区北西边界附近的山梁 上， 标高 985.20m， 最低点位于区北东部沟谷中， 标 高 624.17m， 相对高差 361.03m。本次研究的对象为 正在回采的东一采区 11- 101 工作面井下位于东一采 区轨道巷左翼， 西部为东西区采区分界线， 西北部为 10- 105 工作面 （已采， 间隔 25m实体煤柱 ） ， 东南部为 11- 102 工作面 （未掘 ） ， 东北部为 2 风井工业广场保 安煤柱，上覆 10- 103 工作面（已采，平均层间距 6.2m ） 。11- 101 工作面倾斜长 190m，走向长度约为 1080m， 煤层厚度为 3.21～3.46m， 均厚 3.3m， 煤层平均 倾角 5， 煤层结构复杂， 中部夹 2- 3 层夹矸， 夹矸岩 性为泥岩偶见砂质泥岩。 2近距离煤层群覆岩运动特征数值模拟研究 为具体了解回坡底矿 11 煤层采煤工作面回采 回坡底矿近距离煤层采空区下工作面矿压显现规律研究 秦 世 国 （霍州煤电集团汾河焦煤股份有限公司回坡底矿 ， 山西 洪洞 041600 ） 摘要 近距离煤层在我国分布非常广泛，为研究近距离煤层下位煤层开采时顶板的运移规律和采 煤工作面的矿压显现规律， 以回坡底矿 10- 101 工作面为例， 根据工作面详细的地质条件， 采用 UDEC 数值模拟软件模拟研究顶板的垮落特征， 通过现场矿压监测分析工作面来压规律， 结果表明 由于上 位煤层对于下部煤层顶板的破坏， 下位煤层开采时， 顶板和上覆岩层随采随跨， 工作面无明显的周期 来压现象， 11- 101 工作面所用液压支架工作阻力富余偏多。 关键词 近距离煤层 ； 下行开采 ； 矿压监测 中图分类号 TD323文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0008- 03 Study on the law of mine pressure behavior in the lower working face of the goaf in the near-soil bed QIN Shiguo （Huozhou Coal Power Group Luhe Coke Coal Co., Ltd. HuipoBottomMine , Hongtong 041600 ， China ） Abstract The close distance coal seam is widely distributed in China. In order to study the migration lawof the roof and the mining pressure ofthe coal face duringthe miningofthe lower coal seam in the near coal seam, the 10- 101 working face ofthe back slope mine is taken as an example, according to the working face. Based on the detailed geological conditions, the UDEC numerical simulation software was used to simulate the collapse characteristics ofthe roof. The on- site mine pressure monitoring and analysis ofthe working face was used to control the law. The results showed that due to the damage of the upper coal seam to the lower coal seam roof, the lower coal seam mining, the roof and The overlying strata are covered with the span, and the working surface has no obvious cycle pressure. The hydraulic support of the 11- 101 workingface has more work resistance. Key words Close range coal seam; down mining; mine pressure monitoring; 8 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 时上覆岩层的破断特征，采用 UDEC 离散元数值模 拟软件[1～2]， 根据 11 煤层 10- 101 工作面具体的地质 条件建立模型， 模拟在 10 煤层采空条件下进行 11 煤层回采， 研究工作面顶板的垮落特征。建立的数值 模型如图 1 所示。根据 11- 101 工作面具体的地质条 件， 杜绝边界效应对于模拟结果的影响， 建立模型为 长条状， 沿 11- 101 工作面推进方向取切面， 整个模型 采用摩尔库伦弹塑性单元， 模型间节理面采用库伦 滑移模型， 11 煤层厚度取 3.3m， 10 煤层厚度为 4.2m， 10 煤层与 11 煤层间距为 6m， 整个模型尺寸 长宽高 3004073.5m， 模型下部边界为固定 边界， 两侧边界 X 方向的位移受到约束， 前后边界 Y 方向的位移受到约束， 上部为自由边界， 根据 11- 101 工作面的平均埋深为 380m，模型上部边界施加垂直 方向的均布载荷 9.5MPa，采煤工作面液压支架采用 support 结构单元进行模拟[3]， 工作面端面距取300mm， 模拟支架的工作阻力为 5100kN。 模拟方案 模型根据 回坡底矿的实际开采顺序进行开挖， 考虑边界条件的 影响， 10 和 11 煤层工作面两侧各留 50m 煤柱， 中 间的 200m进行开挖，首先进行 10 煤层的回采， 进 行 11 煤层的开挖时， 每次开挖 3.6m。 图 1数值模型 10 煤层回采时上覆岩层的运动特征如图 2 所 示， 由于篇幅所限， 仅将典型的结果列出， 工作面回采 20m 时， 顶板岩层未出现明显的垮落现象， 直接顶和 关键层间出现离层， 顶板弯曲下沉量约 0.09m； 工作 面推进 40m时， 直接顶发生初次大面积垮落， 关键层 出现明显的弯曲下沉现象， 此时工作面表现为直接顶 初次来压； 当工作面回采 80m 时， 直接顶和基本顶随 着工作面推进逐渐弯曲下沉， 工作面后方一定的距离 内直接顶和基本顶完全垮落， 顶板下沉量达到 10 煤 层的采高， 后方采空区被冒落矸石填满； 工作面推进 距离大于 80m以后，后方直接顶和基本顶离层逐渐 增大， 工作面每推进约 18m， 基本顶发生一次明显的 破断， 在工作面表现为周期来压现象。 （a ） 回采 20m（b）回采 40m （c ） 回采 80m（d）回采 200m 图 210 煤层覆岩运移规律 11 煤层回采时顶板破断位移规律如图 3 所示， 由于受到 10 煤层回采动压的影响， 11 煤层顶板完 整性和强度受到破坏， 当工作面推进 10.8m 时， 直接 顶之间即出现的离层， 整个顶板开始轻微下沉， 当工 作面回采 28.8m 时， 直接顶发生初次垮落， 层间关键 层安全破断， 10 煤采空区的岩层随之下沉，整个采 空区已被冒落矸石充填， 工作面继续推进， 工作面直 接顶和上覆岩层基本随采随跨， 无明显的周期性。 （a ）回采 10.8m（b）回采 28.8m （c ）回采 50.4m（d）回采 111.6m 图 311 煤层开采顶板岩层破断规律 综上分析可知，进行采空区下 11 煤层的回采 时， 与常规顶板条件下相比， 工作面的初次来压取决 于层间岩层的破断， 层间岩层断裂后采空区基本快速 充填满， 工作面顶板随采随跨， 基于以上特点， 预计进 9 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 行极近距离煤层下位煤层的回采时， 工作面初次来压 将较为强烈， 周期来压将较为平缓。 3采空区下采煤工作面矿压显现规律实测 研究 为具体的了解回坡底矿 11 煤层采煤工作面的 矿压显现规律， 以 10- 101 工作面的生产为工程背景， 在工作面及其两侧的回采巷道内布置多个矿压观测 站， 通过对液压支架工作阻力的监测， 研究工作面矿 压显现规律， 10- 101 工作面所用液压支架为ZZ5200/ 25/47 型支撑掩护式支架 [4]，支架初撑力为4653kN （31.5MPa ） ， 工作阻力 5100kN （38MPa ） ， 工作面上部、 中部、 下部分别布置一个监测站， 每个测站监测五个 液压支架， 对液压支架的循环末阻力进行监测， 整理 后得到各个测站液压支架平均循环末阻力随着工作 面的推进变化规律如图 4 所示。 （a ）工作面下部 1 测站（b） 工作面中部 2 测站 c 工作面下部 3 测站 图 410- 101 工作面支架平均工作阻力变化趋势图 根据图 4 所示的监测结果可知， 10- 101 工作面 液压支架工作阻力波动较大，工作面来压较为明显， 但是支架最大工作阻力均小于支架的额定工作阻力， 支架能够满足工作面安全生产的需求。 液压支架循环 末阻力虽然波动很大，但是并没有呈现明显的周期 性， 工作面无明显的周期来压现象； 支架的前柱支撑 压力普遍大于后柱，后柱平均压力仅为前柱的 61.5， 由于工作面顶板破碎严重， 工作面载荷以静 载荷为主， 支架后柱支撑效率较低， 需加强顶板和液 压支架的管理。 根据液压支架工作阻力的监测结果， 整理得到液 压支架载荷位于各个区间的频率分布直方图，见图 5， 液压支架大多情况下其工作阻力小于 4MPa， 约占 总数的 22， 工作阻力 4～20MPa 的占总数的 70， 仅 有 8的液压支架工作阻力达到 28MPa 以上， 大部分 液压支架的工作阻力小于其初撑力，总体而言， 10- 101 工作面所用液压支架工作阻力富余较多。 图 5液压支架工作阻力频率分布 4结语 由于受到上层煤层工作面回采的影响， 下位煤层 顶板完整性和强度遭到破坏，随着工作面的推进， 顶 板岩层基本是随采随跨， 采空区快速被冒落的矸石充 填， 下位煤层工作面无明显的周期来压现象， 液压支 架载荷较小，支架所受顶板压力以静载荷为主， 10- 101 工作面所用液压支架工作阻力富余较多， 所 用的 ZZ5200/25/47 型支架能够满足工作面安全生产 的要求。 参考文献 [1] 付兴,王鑫,苏志刚,张宏伟,周坤友,霍丙杰.浅埋极近距离 采空区下工作面矿压显现规律研究 [J]. 煤炭科学技术, 2019,47 （07） 149- 155. [2] 杨利东. 近距离煤层开采不同层间距对采场影响分析[J]. 煤炭与化工,2019 （06） 5- 912. [3] 薛国建. 王坪煤矿近距离煤层采空区下开采技术研究及 应用[J].现代矿业,2019,35 （06） 123- 126. [4] 王华俊. 近距离下层煤综采面顶板稳定性与加固技术的 研究[J].能源与节能,2019 （06） 97- 98100. 作者简介 秦世国， 男， 1988 年 5 月 7 日出生， 汉族， 山西霍州人， 2012 年 7 月毕业于中国矿业大学，采矿工程专业，本科学 历， 工程师， 现任霍州煤电集团汾河焦煤股份有限公司回坡 底矿生产技术科回采主管技术员。 （收稿日期 2019- 8- 12） 10 ChaoXing