近距离煤层开采过上覆采空区影响分析.pdf

第32 卷增刊12023年6 月文章编号：10 0 4-40 5 1（2 0 2 3)S1-0309-04中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230370Vol.32,Suppl 1June2023近距离煤层开采过上覆采空区影响分析卞涛，刘建宇，张顺1（1国能神东煤炭集团有限责任公司补连塔煤矿，内蒙古鄂尔多斯0 17 2 0 9；2.国能神东煤炭集团有限责任公司上湾煤矿，内蒙古鄂尔多斯0 17 2 0 9）摘要：为了解近距离煤层过上覆采空区顶板位移应力变化情况，以补连塔煤矿12 415 综采工作面过上覆1140 1采空区为研究对象，采用FLAC3D数值模拟及理论计算分析12 415 综采工作面过上覆1140 1采空区对底板破坏深度计算及开采下位煤层顶板应力分布分析。研究结果表明：理论计算得出11#采空区底板破坏深度为2.9 3m；受采空区影响，12#煤层水平范围为10.7 3m，通过FLAC3D数值模拟软件模拟下位12415工作面开采经过上位1140 1工作面采空区，得出受上位煤层遗留煤柱影响的顶板应力集中系数最大仅为4.1，最大垂直应力为2 0.2 MPa。关键词：近距离煤层；采空区；数值模拟；应力状态；垂直应力中图分类号：TD353Analysis of the impact of close distance coal seam mining on overlying goaf(1.Bulianta Coal Mine,CHN Energy Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Erdos 017209,China;2.Shangwan Coal Mine,CHN Energy Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Erdos 017209,China)Abstract:In order to understand the displacement and stress changes of the roof of the overlying goaf inclose range coal seams,takes the 12415 working face of Bulianta Coal mine as the research object.Theoretical calculation and FLAC3D numerical simulation are respectively used to analyze the calculation ofthe failure depth of the upper goaf to the floor and the stress distribution of the roof in the lower miningposition.The results show that the failure depth of floor in No.1l goaf is 2.93 m.The horizontal range ofNo.12 coal seam is 10.73 m.FLAC3D numerical simulation software is used to simulate the mining of thelower 12415 working face through the upper 11401 working face goaf,and the maximum stress concentrationcoefficient of the roof affected by the upper coal pillar is only 4.1,and the maximum vertical stress is20.2MPa.Keywords:near coal seam;mined-out area;numerical simulation;stress state;vertical stress我国近距离煤层赋存和开采所占比重很大，随着煤炭工业快速发展，当前大部分矿区近距离煤层上部煤层已经回采完毕，现阶段大部分回采深部煤层。上部煤层开采形成的上覆采空区及集中煤柱的存在会影响下部煤层顶板岩层及煤体应力集中，形成复杂的应力场，对下位煤层巷道的布置及围岩控文献标识码：ABIAN Tao,LIU Jianyu,ZHANG Shun制产生不利影响。目前对近距离煤层开采过上覆采空区及集中煤柱的影响缺乏具体成熟的理论研究。面对这种地质条件时，如何在控制围岩变形的同时提高煤炭资源回收率，实现安全高产高效，已经成为众多学者研究的热点。专家学者们对下行近距离煤层开采矿压显收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 5第一作者简介：下涛（19 8 5 一），男，汉族，安徽毫州人，硕士，主要从事煤矿安全生产管理工作，E-mail:。通讯作者简介：刘建宇（19 8 7 一），男，汉族，甘肃镇原人，硕士，主要从事煤矿生产技术管理工作，E-mail：36 18 47 0 2 2 q q.c o m。引用格式：下涛，刘建宇，张顺.近距离煤层开采过上覆采空区影响分析J.中国矿业，2 0 2 3，32（S1）：30 9-312,32 2.BIAN Tao,LIU Jianyu,ZHANG Shun.Analysis of the impact of close distance coal seam mining on overlying goafLJJ.China Mining Magazine,2023,32(S1):309-312,322.责任编辑：刘硕310现规律进行了大量的研究。周坤友等1采用现场实测、理论分析对工作面在采空区下回采时，来压期间矿压显现规律进行了分析，并提出了近距离采空区下工作面矿压防治措施；周波等2 采用数值计算的方法分析了单一煤层开采与近距离采空区下煤层开采的矿压显现规律，提出相向开采控制对策；黄庆享等3 采用物理模拟与理论分析等方法对浅埋近距煤层开采的应力场、位移场和裂隙场演化规律进行了分析，揭示了煤柱群结构效应。以往关于极近距离下层煤开采受上覆采空区影响矿压显现规律的研究均取得了具有重要意义的成果，但对于下层煤开采受上覆采空区影响发生灾害的内在因素关注较少。通过对12 415 综采工作面开采经过上覆煤层11401综采工作面采空区产生顶板位移和应力分析，确定顶板最大下沉量及应力集中系数。1工作面地质概况补连塔煤矿12 415 综采面长度2 6 0.5 m，推采长度330 6.6 m，综采面沿走向布置，以负坡推进为主。11#煤层上覆采空区对应12#煤层位置在12 415回顺2 2 联巷2 9 联巷之间，影响范围长46 4m，宽271.5m，11#煤层与12#煤层间距5 9 m，平均6.5m，属于近距离煤层。上覆已经回采的11#煤层11401综采面采空区集中煤柱易产生应力集中，对12#煤层综采工作面回采产生影响。2采空区影响范围计算2.1底板破坏深度计算依据矿山压力及岩层控制理论4-5 ，煤层采空后，煤研石和煤柱对采空区底板岩层产生支承应力。当应力达到或超过底板岩石所能承受的极限值时，底板开始变形。根据滑移线场理论，底板屈服破坏深度见式（1)和式(2)。hmx=roenpf cos(+号-元24ro=2cos+)42由鼎=0 求得采空区下底板最大被坏深度dhmax见式(3)。droetane/sin(+%2即 tangf=tan(+号-)24）。中国矿业由式(3)可得式(4)。hmax=aocosQf2cos+42根据极限平衡理论计算得出煤壁塑性区的宽度o 为式(5)。MinkyH+Ccoteo=25fIn由式(5)得出上层煤开采底板岩层破坏深度的最大值h。为式（6)。McosplnkHetCeoteho=ECcote+tangf4245fcos(4+2式中：M为采空区高度；k为应力集中系数；为采场覆岩的平均容重；H为埋深；C为煤体的内聚力；为煤体的内摩擦角；为摩擦系数；为三轴应力系数；f为底板岩层的内摩擦角。根据补连塔煤矿相关地质资料，分析计算得出底板岩层破坏最大深度h。为2.9 3m。上覆1140 1综采面煤层开采对下部煤层影响较小，可根据12#煤层顶板应力情况分析顶板。2.2采空区影响范围计算应力在煤层底板岩层内传递范围很远，而且随着远离煤柱而逐渐衰减，其应力影响范围可以简化为两条直线包络下的范围6-7，如图1所示。(1)图1煤柱集中应力影响范围(2)Fig.1 Influence range of coal pillar concentration stress结合补连塔煤矿的具体地质条件，在分析11#煤层开采对12#煤层的影响关系时，取影响角=38,12415工作面采高4.3m，1140 1工作面采高2 m。计算见式(7)。元tangf-24元4第32 卷e（f+%)t a n g f(4)(5)Ccotp(6)PL。(h i +h z)t a n式中：L。为11#煤层与12#煤层巷道水平间距，m;0(3)为应力影响角，取38；11#煤层与12#煤层间距h1，取6.6 0 m;11#煤层巷道高度h，取2 m。可以通过式(7)计算得 L.7.15 m。(7)增刊1考虑到动压传递不稳定性，影响范围1.11.5，计算可得影响范围大于10.7 3m，对12 415 工作面推进距离11#煤层1140 1工作面采空区10 m前后进行数值模拟分析。3数值模拟计算3.1数值模拟建立根据补连塔煤矿综采面岩层综合柱状图及煤岩体物理力学性质测试结果，综合确定数值模型中块体和节理的相关性质参数，见表1。通过研究煤矿相关地质资料，通过FLAC3D数值计算模型，如图2 所示。下部12#煤层为近水平煤层，因此，采用水平分层建立模型，模型尺寸为600mX400mX50m，12#煤层埋深约为2 0 0 m。3.212#煤层顶板位移分布通过模拟上位11#煤层开采后，得到煤层顶底板岩层下沉量，如图3所示。由图3可知，开采11#煤层后顶板下沉量最大值为2 2 0 mm，清除位移后，对12#煤层开采分析顶板位移的变化。表1模型覆岩力学参数Table 1Mechanical parameters of model overburden体积密度/内聚力/岩性模量/(kg/m3)MPaGPa泥岩A2465煤层A1360泥岩B2.465粗砂岩A2 233泥岩C24652.8964.07837.01.3070.831煤层B1360泥岩D2465粗砂岩B2233粉砂岩2800砂纸泥岩2274ZoneColorby:Groupcushayanfenshayanmeinlyanshazhiniyan图311#煤层开采后顶板下沉量分布Fig.3Distribution of roof subsidence aftermining of No.11 coal seam下涛，等：近距离煤层开采过上覆采空区影响分析顶板下沉量不再变化。3.312#煤层顶板应力分布通过模拟上位11#煤层开采后，得到煤层顶底板岩层垂直应力分布云图，如图5 所示。由图5 可知，11#煤层开采后垂直应力在采空区边缘实体煤侧出现应力集中并向下传递，垂直应力最大值为14.5MPa，采空区下方呈现应力降低区8-10 1。下沉量/mml22T（a）工作面推进至距离采空区5 0 m内摩抗拉剪切擦角/强度/模量/MPaGPa2.896 4.07837.01.307 0.8310.9811.4332.896 4.07837.01.307 0.8312.3260.58345.00.3520.6680.9811.4332.8964.07837.01.307 0.8312.326 0.58345.00.352 0.6681.9121.91645.32.4831.9580.8050.50048.00.1160.291Ary50m600 m400m图2 模拟初始模型Fig.2 Simulation initial model下沉量/mm311图4展示了不同推进距离顶板下沉量分布情况。由图4可知，当12#煤层开采后，采场位移发生变化，当工作面推进至距离采空区5 0 m时，顶板最大下沉量为2 5 0 mm；工作面推进至距离采空区10m时，进入采空区影响范围内，顶板最大下沉量为430 mm，顶板最大下沉量已经达到最大；工作面推进至采空区正下方时，顶板最大下沉量为430 mm，下沉量/mm（b）工作面推进至距离采空区10 m31.80.5320.71131.80.5320.711下沉量/mm（c）工作面推进至采空区正下方图4不同推进距离顶板下沉量分布Fig.4IDistribution of roof subsidence atdifferent propulsion distances应力值/MPal1234567891011121314图5 11#煤层开采后垂直应力分布Fig.5 Vertical stress distribution of 11#coal seamaftermining由图6 可知，当12#煤层开采后，由于采场围岩发生移动和变形，致使下位岩层原岩应力会发生变化。顶板垂直应力得到释放，11#煤层开采后，实体煤侧出现应力集中，垂直应力最大值为2 0.2 MPa，应力集中系数平均值上升至4.1，应力增幅较显著，随着下位12#煤层工作面的推进，上位11#煤层采空区边缘实体煤侧应力集中降低至9.6 13.2 MPa。312中国矿业第32 卷应力值/MPa12345678910111213（a）工作面推进至距离采空区5 0 m应力值/MPa1234567891011121314151617181920（b）工作面推进至距离采空区10 m应力值/MPa12345678910111213（c）工作面推进至采空区正下方顶应力值/MPa12345678910111213141516(d)工作面推进至采空区中间应力值/MPa12345678910111213141516（e）工作面推进至出采空区Fig.6 Vertical stress distribution at different propulsion distances处于采空区下方的顶板应力集中系数平均值仅为0.40左右，应力降幅较明显，随着工作面的推进，采空区下方12#煤层顶板应力重新分布，一部分应力转移至采空区下方12#煤层顶板114结 论1）11#采空区底板破坏深度为2.9 3m；采空区的影响12#煤层水平范围为10.7 3m。2）12 415 工作面开采至采空区影响范围以内时，顶板下沉量已达到稳定不在变化。3）矿压数值模拟结果表明，上覆11#煤层11401工作面采空区下方的岩层垂直应力集中系数平均值为0.40 左右，降幅较明显；上覆1140 1工作面采空区集中煤柱出现应力集中现象，巷道顶板最大垂直应力约为2 0.2 MPa，集中应力增幅较显著。4）12 415 工作面过上覆1140 1面采空区及集中煤柱期间，在进、出采空区后煤体超前应力均较大，煤岩硬度变小，割煤容易，但是工作面顶板管理变得更难控制，在过上覆采空区期间，与正常工作面回采差别不大。5）12 415 工作面在进、出上覆采空区前后2 0 m位置，要对两顺槽顶板进行补强支护，加强工作面顶板管理，调斜工作面，使工作面呈一定角度进、出上覆1140 1采空区，减少集中应力对工作面的影响。参考文献1周坤友，张宏伟，李云鹏，等.近距离采空区下工作面矿压显现分区特征研究J.煤炭科学技术，2 0 18 46（3）：5 4-6 0，15 4.ZHOU Kunyou,ZHANG Hongwei,LI Yunpeng,et al.Studyon the zoning characteristics of strata behaviors during theprimary mining of mining face under contiguous goafJJ.CoalScience and 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