官地煤礦近距煤層巷道布置及回采工藝技術(shù)的相似模擬研究

閆海珍

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.山西西山煤電 鎮(zhèn)城底礦，太原 030203）

官地煤礦近距煤層巷道布置及回采工藝技術(shù)的相似模擬研究

閆海珍1，2

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.山西西山煤電 鎮(zhèn)城底礦，太原 030203）

摘要：官地礦8號與9號煤層賦存的地質(zhì)條件是本次相似模擬的原型，以官地礦29401工作面8號與9號煤層賦存條件為主要原始條件，并借鑒官地礦其他面的地質(zhì)情況，同時在此基礎(chǔ)上做出一般化調(diào)整。在考慮開采技術(shù)條件的前提下研究8號殘煤復(fù)采條件下的采9放8工作面礦山壓力顯現(xiàn)的一般規(guī)律和錯層位巷道布置覆巖運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)而論證類似地質(zhì)與開采條件下采9放8過程中存在的問題，并提出初步的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：相似模擬；覆巖；模型

隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，各行業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)的問題日趨復(fù)雜和繁多，但數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科還沒有發(fā)展到能求出這種實際條件下的解析解，所以在進(jìn)行研究的過程中，通常將復(fù)雜的問題進(jìn)行理想化、簡單化，然后借助數(shù)學(xué)、力學(xué)等工具進(jìn)行解析，由于對條件做了簡化，做出的結(jié)論肯定會與實際有出入，有時甚至不能用來指導(dǎo)工程實踐。相似（物理）模擬技術(shù)就是通過將理論計算和室內(nèi)實驗結(jié)合起來充分利用它們各自的優(yōu)點來解決實際生產(chǎn)問題。因此，對于官地礦8號煤層與9號煤層賦存現(xiàn)狀與殘煤復(fù)采技術(shù)的部分研究內(nèi)容采用相似模擬進(jìn)行［1］。

以官地礦29401工作面8號與9號煤層賦存條件為主要原始條件，并借鑒官地礦其他面的地質(zhì)情況，同時在此基礎(chǔ)上做出一般化調(diào)整，使其具有普遍性，從而使本實驗結(jié)果對在類似地質(zhì)條件下礦井及礦區(qū)的煤礦開采活動來說都具有借鑒意義。如何實現(xiàn)8號、9號煤層的安全、經(jīng)濟(jì)與高回采率，對于以官地為代表的礦井具有重要的意義。

1　煤層概況

西山礦區(qū)普遍賦存有8號與9號近距煤層，礦區(qū)前山邊緣地帶官地井田8號、9號煤層的賦存現(xiàn)狀具有典型的代表性。

8號煤層厚度為3.41 m，屬于II類自燃煤層，開采早期主要使用刀柱法，同時，在西山各礦也均有應(yīng)用，一般采20m，留5 m～8 m煤柱支持頂板，官地礦為采12 m，留6 m。因此，在8號煤采空區(qū)留下大量刀柱遺煤。刀柱法逐漸淘汰之后，在8號煤層開始應(yīng)用分層開采，但是由于歷史原因，在采完上分層后并沒有進(jìn)行下分層的開采。因此，除了刀柱殘煤外，還留有采完上分層后的8號煤下分層呆滯煤量，上分層采高2.5 m，下分層0.91 m的煤層仍保留，同時，還有完全未采動的8號煤原始煤層。

在8號煤開采的早期，礦井儲量較大，煤柱遺煤作為損失封閉在采空區(qū)，且隨著回采工作的結(jié)束被注銷。但是8號煤層屬易燃煤層，與9號煤層間距很近，多在1 m～2 m左右，文章研究首采區(qū)29401工作面的范圍為0.4m～1.2m。開采9號煤時采空區(qū)與8號殘煤溝通，造成漏風(fēng)而導(dǎo)致殘煤自燃發(fā)火，在同一礦區(qū)相鄰礦井已有類似實例。因此，隨著礦井儲量日益枯竭，其8號煤擱置未采的被壓儲量日益增多，從礦井的現(xiàn)狀來看，開采9號煤層迫在眉睫，而如何實現(xiàn)采9號煤層的同時保證安全是開采8號煤層的必要條件。

2　研究內(nèi)容

文章研究的主要內(nèi)容是統(tǒng)一考慮9號煤與8號殘煤開采方案。在安全采出9號煤的同時，實現(xiàn)8號殘煤的復(fù)采目標(biāo)。研究的技術(shù)關(guān)鍵是8號殘煤作為頂煤冒放的問題，需要研究確定適宜放煤的層間距。在9號、8號煤合采時，層間距就相當(dāng)于煤中夾矸的厚度，除夾矸的厚度外，巖性、強(qiáng)度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度都會影響頂煤的冒放性和回收效果。

2.1相似模擬實驗中煤、巖性質(zhì)及模型制作

本實驗采用中國礦業(yè)大學(xué)（北京）相似模擬實驗室尺寸為長×寬×高=1 620mm×160mm×1 300mm的二維模擬實驗臺，所以采用了平面應(yīng)力模型。由實體原形尺寸和實驗臺條件，設(shè)幾何相似比為αL= 200：1，由于所采煤層埋深約250 m，設(shè)容重比為αγ=1.5：1，同時要求模型與實體所有各對應(yīng)點的運(yùn)動情況相似，即要求各對應(yīng)點運(yùn)動要素都成一定比例。所以，要求時間比為常數(shù)，即［3］：

2.2模型巖石的厚度確定

實驗采用平面應(yīng)變條件，從下向上各巖層在相似模型中的厚度為：

式中：LMi為從9號煤向上至地表第i層模型厚度。實驗中，對煤層底板進(jìn)行簡化，即直接鋪設(shè)10 cm即可。

2.3模型巖石的強(qiáng)度指標(biāo)計算

逐層計算模型巖石的強(qiáng)度指標(biāo)，由αγ=1.5，αL=200，得到ασ=αL×αγ=200×1.5=300。

模型與原型之間強(qiáng)度參數(shù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系式也是相似模擬實驗所必須的，可由主導(dǎo)相似準(zhǔn)則得出，見公式（2）［4］：

綜上所述，對GDM孕婦實施孕期系統(tǒng)的、針對性保健及營養(yǎng)指導(dǎo)效果顯著，可有效控制血糖，改善母嬰結(jié)局及孕婦不良行為習(xí)慣。

式中：σc為單軸抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)結(jié)合幾何與容重比，可以求出不同煤巖層模型的單軸抗壓強(qiáng)度σc及容重γM：

粗砂巖巖層模型的抗壓強(qiáng)度及容重為：

［σc］M=61/300=0.2 kg/cm2=0.02 MPa.

γM=2.5/1.5=1.67 g/cm3.

泥巖巖層模型的抗壓強(qiáng)度及容重為：

γM=2.64/1.5=1.76 g/cm3.

石灰?guī)r巖層模型抗壓強(qiáng)度及容重為：

［σc］M=80/300=0.267 kg/cm2=0.017 4MPa.

γM=2.6/1.5=1.73 g/cm3.

煤層模型的抗壓強(qiáng)度及容重為：

［σc］M=5/300=0.017 kg/cm2=0.001 7 MPa.

γM=1.45/1.5=0.97 g/cm3.

砂質(zhì)泥巖巖層模型的抗壓強(qiáng)度及容重為：

［σc］M=52.2/300=0.174 kg/cm2=0.017 4MPa.

γM=2.3/1.5=1.53 g/cm3.

中粒砂巖巖層模型的抗壓強(qiáng)度及容重為：

［σc］M=65/300=0.217 kg/cm2=0.021 7MPa.

γM=2.6/1.5=1.73 g/cm3.

粉砂巖巖層模型的抗壓強(qiáng)度及容重為：

［σc］M=72/300=0.24 kg/cm2=0.024MPa.

γM=2.7/1.5=1.8 g/cm3.

3　數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步分析工作面在8號殘煤下開采的支承應(yīng)力分布特點，對直接頂內(nèi)的應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，見圖1。

圖1　工作面推進(jìn)不同位置直接頂應(yīng)力分布

從圖1中可以看出，8號煤層刀柱式開采后，在煤柱附近分布應(yīng)力值大，而相應(yīng)的采空區(qū)頂板應(yīng)力分布較小。工作面推進(jìn)到第一個刀柱時，頂板支承應(yīng)力峰值達(dá)到了3。當(dāng)工作面推過首個刀柱時，工作面承受的載荷降低幅度較大，不到原巖應(yīng)力的0.1。當(dāng)工作面推進(jìn)到第二個刀柱下方時，其承受的應(yīng)力峰值超過5。工作面推過第二個刀柱時，其承受的應(yīng)力峰值降低為原巖應(yīng)力的0.5倍。工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板發(fā)生初次垮落，此時工作面承受的載荷較小。當(dāng)工作面推至第三個刀柱下方時，工作面直接頂承受的應(yīng)力峰值為3，相應(yīng)的工作面推過刀柱時，受到頂板的保護(hù)作用，工作面頂板承載不到原巖應(yīng)力的0.1倍。當(dāng)工作面推進(jìn)至8號煤層分層采空區(qū)下方時，頂板的承載保持較低的狀態(tài)［5］。而當(dāng)工作面推進(jìn)至8號煤層實體煤下方時，受采空區(qū)的影響，煤層直接頂?shù)闹С袘?yīng)力峰值仍較大，最大為4.75，因此可見8號殘煤狀態(tài)下頂板支承應(yīng)力峰值較大，除了分層采區(qū)域外，其它區(qū)域整體載荷分布均較大，這對夾層的破壞有利。

4　研究結(jié)果

通過室內(nèi)相似模擬實驗對官地礦8號殘煤、整層未采實體煤與9號煤層合采展開研究，建模過程中考慮官地礦實際夾層厚度在29401工作面最大為1.2m，在其他區(qū)域厚度較大，這里取3.4m，在模型的兩側(cè)分別進(jìn)行建模，由于本實驗臺為二維，在此只觀測一般性的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1）工作面推至刀柱開采區(qū)域煤柱下方時，夾層具有良好的冒落性，但是由于初期回收殘留煤柱數(shù)量較少，沒有造成頂板的及時垮落，因此頂煤回收率較低。2）工作面推至刀柱式開采區(qū)域采空區(qū)下方時，夾層的斷裂步距較長，分析是由于此處夾層承載較小，未達(dá)到極限承載強(qiáng)度，由于此處不存在殘留的8號煤層，因此并不影響8號煤層的回收。3）工作面推進(jìn)過程中，夾矸層發(fā)生初次斷裂后，表現(xiàn)的形式以“懸臂梁”為主。4）當(dāng)回收煤柱達(dá)到一定數(shù)量后，頂板出現(xiàn)垮落，此時由于采空區(qū)充填性較好，因此回采率有所提高。5）工作面推至分層開采區(qū)域時，由于頂板受到二次擾動，因此較易斷裂垮落，從而造成夾層的垮落性較好，并且回采率較高。6）工作面推至8號煤層未采區(qū)域時，夾層的初次斷裂步距較大，顯著影響對8號頂煤的回收，并且由于采空區(qū)充填性不好，對9號頂煤的回收同樣不利。7）當(dāng)工作面推進(jìn)到一定范圍時，由于采空區(qū)范圍的增加，斷裂線前移至工作面前方，此時夾層的冒落性較好，從而也提高了頂煤的回收率。

5　結(jié)論

由于模擬的近水平煤巖層，沿著工作面傾斜方向這個角度再次分析：首采工作面開采時對上覆巖層擾動較小，相鄰工作面采用錯層位無煤柱搭接開采時兩面覆巖會以一個整體的形式運(yùn)動，范圍變大，因此覆巖運(yùn)動與破壞的區(qū)域上升，一定程度上解釋了右半部分夾層與頂煤冒落性好，與理論分析相符，即采用錯層位內(nèi)錯式巷道布置對夾層厚度上限的要求增加，可實現(xiàn)較厚夾層上方頂煤的回收。

通過對實驗過程中工作面經(jīng)歷8號殘煤下方不同區(qū)域頂板支承應(yīng)力的分布分析發(fā)現(xiàn)，工作面開采過程中，隨著對8號殘留煤柱的破壞，其余煤柱上方承載明顯增高，因此在實際生產(chǎn)中，需注意過殘留刀柱下方時支架承載過大，從另一個角度看，過大的支承應(yīng)力對夾層的破壞有利。在8號實體煤區(qū)域，受采空區(qū)的影響，工作面推進(jìn)過程中前方的支承應(yīng)力峰值仍較大，對夾層的破壞同樣有利。

參考文獻(xiàn)：

［1］李剛，梁冰，李鳳儀.大柳塔煤礦12305工作面覆巖活動規(guī)律的相似模擬［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2005（5）：295-298.

［2］魏剛.紅菱煤礦保護(hù)層開采裂隙演化規(guī)律的相似模擬實驗［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012（2）：185-188.

［3］馮國瑞，任亞峰，王鮮霞，等.白家莊煤礦垮落法殘采區(qū)上行開采相似模擬實驗研究［J］.煤炭學(xué)報，2011（4）：544-550.

［4］張耀平，曹平，董隴軍.巖石抗剪強(qiáng)度計算的穩(wěn)健回歸模型及其應(yīng)用［J］.科技導(dǎo)報，2010（7）：91-95.

［5］馮國瑞，張緒言，李建軍，等.刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開采可行性判定［J］.煤炭學(xué)報，2009（6）：726-730.

（編輯：楊鵬）

中圖分類號：TD32

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5050（2016）03-050-04

DOI：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.06.015

收稿日期：2015-10-19

作者簡介：閆海珍（1975-），男，山西五臺人，在讀工程碩士，經(jīng)濟(jì)師，從事煤礦管理工作。

Analog Simulation of Roadway Layout and M ining Technology in Close-distance Coal Seam s in GuandiM ine

YAN Haizhen1,2
（1.College ofMining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.ZhenchengdiMine，Shanxi Xishan Coal&Electricity Group，Taiyuan 030203，China）

Abstract：Geological condition ofoccurrence ofNo.8 and No.9 coalseam in GuandiMine is used as the prototype of this analog simulation.Taking the geological condition of other seams into consideration，the occurrence，as themajor original condition and，was adjusted.During the second mining on residual coal of No.8 seam，the strata behavior and overlyi ng stratamovementwith stagger arrangement roadway layoutwere studied on No.8mining faceand No.9 caving face.The paper further discussed the problems in theminingand proposed somepreliminary technicalmeasures.

Keywords：analog simulation；overlying strata；model