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(hào)與9號(hào)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(hào)與9號(hào)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(shí)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(hào)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(cuò)層位巷道布置覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而論證類似地質(zhì)與開采條件下采9放8過(guò)程中存在的問(wèn)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(huì)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(wèn)題日趨復(fù)雜和繁多，但數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科還沒(méi)有發(fā)展到能求出這種實(shí)際條件下的解析解，所以在進(jìn)行研究的過(guò)程中，通常將復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行理想化、簡(jiǎn)單化，然后借助數(shù)學(xué)、力學(xué)等工具進(jìn)行解析，由于對(duì)條件做了簡(jiǎn)化，做出的結(jié)論肯定會(huì)與實(shí)際有出入，有時(shí)甚至不能用來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)踐。相似（物理）模擬技術(shù)就是通過(guò)將理論計(jì)算和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)充分利用它們各自的優(yōu)點(diǎn)來(lái)解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題。因此，對(duì)于官地礦8號(hào)煤層與9號(hào)煤層賦存現(xiàn)狀與殘煤復(fù)采技術(shù)的部分研究?jī)?nèi)容采用相似模擬進(jìn)行［1］。

以官地礦29401工作面8號(hào)與9號(hào)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)在類似地質(zhì)條件下礦井及礦區(qū)的煤礦開采活動(dòng)來(lái)說(shuō)都具有借鑒意義。如何實(shí)現(xiàn)8號(hào)、9號(hào)煤層的安全、經(jīng)濟(jì)與高回采率，對(duì)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(hào)與9號(hào)近距煤層，礦區(qū)前山邊緣地帶官地井田8號(hào)、9號(hào)煤層的賦存現(xiàn)狀具有典型的代表性。

8號(hào)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(shí)，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(hào)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(hào)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(méi)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(hào)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(shí)，還有完全未采動(dòng)的8號(hào)煤原始煤層。

在8號(hào)煤開采的早期，礦井儲(chǔ)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(hào)煤層屬易燃煤層，與9號(hào)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(hào)煤時(shí)采空區(qū)與8號(hào)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(shí)例。因此，隨著礦井儲(chǔ)量日益枯竭，其8號(hào)煤擱置未采的被壓儲(chǔ)量日益增多，從礦井的現(xiàn)狀來(lái)看，開采9號(hào)煤層迫在眉睫，而如何實(shí)現(xiàn)采9號(hào)煤層的同時(shí)保證安全是開采8號(hào)煤層的必要條件。

2　研究?jī)?nèi)容

文章研究的主要內(nèi)容是統(tǒng)一考慮9號(hào)煤與8號(hào)殘煤開采方案。在安全采出9號(hào)煤的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)8號(hào)殘煤的復(fù)采目標(biāo)。研究的技術(shù)關(guān)鍵是8號(hào)殘煤作為頂煤冒放的問(wèn)題，需要研究確定適宜放煤的層間距。在9號(hào)、8號(hào)煤合采時(shí)，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(huì)影響頂煤的冒放性和回收效果。

2.1相似模擬實(shí)驗(yàn)中煤、巖性質(zhì)及模型制作

本實(shí)驗(yàn)采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）相似模擬實(shí)驗(yàn)室尺寸為長(zhǎng)×寬×高=1 620mm×160mm×1 300mm的二維模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，所以采用了平面應(yīng)力模型。由實(shí)體原形尺寸和實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(shí)要求模型與實(shí)體所有各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況相似，即要求各對(duì)應(yīng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)要素都成一定比例。所以，要求時(shí)間比為常數(shù)，即［3］：

2.2模型巖石的厚度確定

實(shí)驗(yàn)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(hào)煤向上至地表第i層模型厚度。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)煤層底板進(jìn)行簡(jiǎn)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(jì)算

逐層計(jì)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(shí)驗(yàn)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(duì)GDM孕婦實(shí)施孕期系統(tǒng)的、針對(duì)性保健及營(yíng)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(hào)殘煤下開采的支承應(yīng)力分布特點(diǎn)，對(duì)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(hào)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(gè)刀柱時(shí)，頂板支承應(yīng)力峰值達(dá)到了3。當(dāng)工作面推過(guò)首個(gè)刀柱時(shí)，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(gè)刀柱下方時(shí)，其承受的應(yīng)力峰值超過(guò)5。工作面推過(guò)第二個(gè)刀柱時(shí)，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(shí)工作面承受的載荷較小。當(dāng)工作面推至第三個(gè)刀柱下方時(shí)，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(guò)刀柱時(shí)，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(hào)煤層分層采空區(qū)下方時(shí)，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(hào)煤層實(shí)體煤下方時(shí)，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(hào)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(duì)夾層的破壞有利。

4　研究結(jié)果

通過(guò)室內(nèi)相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)官地礦8號(hào)殘煤、整層未采實(shí)體煤與9號(hào)煤層合采展開研究，建模過(guò)程中考慮官地礦實(shí)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(shí)驗(yàn)臺(tái)為二維，在此只觀測(cè)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(shí)，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(méi)有造成頂板的及時(shí)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(shí)，夾層的斷裂步距較長(zhǎng)，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(hào)煤層，因此并不影響8號(hào)煤層的回收。3）工作面推進(jìn)過(guò)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(shí)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(shí)，由于頂板受到二次擾動(dòng)，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(hào)煤層未采區(qū)域時(shí)，夾層的初次斷裂步距較大，顯著影響對(duì)8號(hào)頂煤的回收，并且由于采空區(qū)充填性不好，對(duì)9號(hào)頂煤的回收同樣不利。7）當(dāng)工作面推進(jìn)到一定范圍時(shí)，由于采空區(qū)范圍的增加，斷裂線前移至工作面前方，此時(shí)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(gè)角度再次分析：首采工作面開采時(shí)對(duì)上覆巖層擾動(dòng)較小，相鄰工作面采用錯(cuò)層位無(wú)煤柱搭接開采時(shí)兩面覆巖會(huì)以一個(gè)整體的形式運(yùn)動(dòng)，范圍變大，因此覆巖運(yùn)動(dòng)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(cuò)層位內(nèi)錯(cuò)式巷道布置對(duì)夾層厚度上限的要求增加，可實(shí)現(xiàn)較厚夾層上方頂煤的回收。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中工作面經(jīng)歷8號(hào)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(guò)程中，隨著對(duì)8號(hào)殘留煤柱的破壞，其余煤柱上方承載明顯增高，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，需注意過(guò)殘留刀柱下方時(shí)支架承載過(guò)大，從另一個(gè)角度看，過(guò)大的支承應(yīng)力對(duì)夾層的破壞有利。在8號(hào)實(shí)體煤區(qū)域，受采空區(qū)的影響，工作面推進(jìn)過(guò)程中前方的支承應(yīng)力峰值仍較大，對(duì)夾層的破壞同樣有利。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：楊鵬）

中圖分類號(hào)：TD32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(jiǎn)介：閆海珍（1975-），男，山西五臺(tái)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