近距离薄煤层群联合开采矿压显现规律研究

黄跃明

（太原煤气化股份有限公司嘉乐泉煤矿，山西 古交 030200）

近距离薄煤层群联合开采矿压显现规律研究

黄跃明

（太原煤气化股份有限公司嘉乐泉煤矿，山西 古交 030200）

以潞安集团漳村矿下组15-1号与15-2号煤层联合开采为背景，应用离散元软件UDEC对近距离薄煤层群联合开采矿压显现规律进行模拟分析，得出了联合开采中顶板破坏程度和垮落高度变化较大，而顶、底板各应力没有较大变化，说明了近距离联合开采是可行的。

联合开采；采场围岩应力；数值模拟

1 引言

我国矿井赋存有薄及极薄煤层的可采储量52.9亿t，占全国统配煤矿可采储量的20.86%左右，特别是南方地区所占比重较大，煤质较好；在北方，薄煤层分布范围广，储量稳定[1-3]。然而薄煤层的产量只占10%左右，远远低于其储量所占比例。而且伴随着大批煤矿中厚煤层资源的枯竭，煤矿开采的趋势正在向薄煤层和极薄煤层发展。我国大多矿区薄煤层大都是以群赋存在一起，煤层间距比较近。存在着近距离薄煤层群开采的问题，如潞安矿区、大同矿区、西山矿区、新汶矿区、平顶山矿区、淮南矿区等。

目前山西省内情况看，开采条件较好的3号煤层资源面临枯竭，下一步将进入太原组薄煤层群开采，而薄煤层群单层开采生产能力相对有限，不能满足国家对整合后煤矿生产能力的要求。从上世纪60年代开始中国就进行薄煤层开采，经过几十年不懈的努力，在薄煤层的开采技术上积累了一定的实践经验[4-8]。然而薄煤层大都是以群赋存在一起，煤层间距又小，这种近距离薄煤层群的联合开采技术在全国外处于探索阶段。综合各方面因素的分析，近距离薄煤层群联合开采技术被提出并进行研究是非常有必要的。

2 工程概况

以潞安集团漳村矿下组15-1号与15-2号煤联合开采为依据，15号煤组俗称“臭煤组”，亦称“下组煤”。位于太原组底部，为太原组主要可采煤层，也是本区主要可采煤层。平均开采深度为370 m，煤组分为三个独立的自然分层。从上而下编号为15-1号、15-2号和15-3号，现将其主要特征详述如下：

15-1号煤层：俗称“二节煤”，为15号煤组最上一层，上距K2灰岩底部约4.38 m，距14号煤层4.19 m。煤厚为0～1.55 m，平均厚度为0.95 m，结构简单，偶具夹矸，为本区主要可采煤层之一。

15-2号煤层：平均厚度为0.56 m，结构简单，属极不稳定煤层。

15-3号煤层：俗称“四节煤”，是全区主要可采煤层之一。属15号煤组最下一层，上距15-2号煤层1.67 m。煤厚0～2.4 m，平均厚为1.59 m，煤层夹矸0～3层，结构较复杂，属较稳定煤层。

直接顶板以泥岩为主，局部为砂质泥岩、炭质泥岩，厚1.15 m～4.91 m，平均厚3.31 m。老顶为K2石灰岩，厚度为5.09 m～11.76 m，平均厚7.12 m。

直接底板以泥岩为主，局部为砂质泥岩、炭质泥岩，厚0.30 m～7.08 m，平均厚3.82 m。老底仅局部发育，为粉砂岩—中砂岩，厚度为0.20 m～3.76 m，平均厚1.91 m。

综合以上地质条件，在15号煤组主要可采煤层15-1号和15-3号煤层厚度均较薄，层间距2 m～12 m，平均层间距为4 m，属于近距离煤层群的开采。

3 模型概述

参照目前相关研究成果[9-10]，本次模拟采用离散元软件 UDEC（Universal Distinct Element Code），它是目前公认的对节理岩体进行数值模拟有效的方法之一。目前该软件开发得相当成熟，功能强大，已经在岩土工程、采矿工程、地质工程领域得到广泛应用。

根据潞安漳村煤矿地质资料，建立模型为150 m（长）×96.56 m（高），模拟岩层包括从15-3号煤层底板泥岩及上覆81.8 m内的岩层，各岩层层位分布节理模型图，见图1。

图1 煤层赋存计算模型图

4 联合开采模拟分析

将在15-1号煤层与15-3号煤层联合开采数值模拟中，两煤层同时开采，模型左右两边保留30m保护煤柱，上、下煤层开采范围是30 m～100 m，共计70 m，保留工作面前方20 m作为应力观测区域。

开采之后各个应力、应变分析图形详见图。图2是15-1号煤层开采70 m后岩层破坏图，图3是15-1号煤层开采70 m后岩层垮落下沉图，图4是15-1号煤层开采70 m后应力σx分布图，图5是15-1号煤层开采70 m后最大主应力σ1分布图。

图2 煤层开采70 m后岩层破坏图

图3 煤层开采70 m后岩层垮落下沉图

图4 煤层开采70 m后应力分布云图

图5 煤层开采70 m后最大主应力分布图

从图2可以看出，15-1号煤层和15-3号煤层联合开采时顶板破坏和垮落相对明显。垮落带高度达到15 m，垮落带上方也出现裂缝，随着顶板越高裂缝宽度相对减小。通过图3可以直观看出上覆岩层下沉变化，垮落带高度与图2一致，顶板和夹层下沉高度比较明显看出，联合开采顶板最大下沉量是2.5 m，夹层最大下沉量是1.5 m，与煤层开采厚度基本吻合；裂缝带在图中不明显，弯曲下沉带高度直达模拟的最高岩层。图4显示了联合开采σx分布云图，在整个模型中，σx应力分布并没有太大变化，开采垮落大部分区域σx相对较小，在开采的两端应力集中，达到20 MPa。在顶板上方约30 m处，也出现σx应力集中区域，此处应力范围10 MPa～15 MPa。另外，对应力 σy进行模拟分析，得出上覆岩层垮落区域内σy的范围是0～5 MPa；σy高应力分布区域是开采煤层两侧煤柱区域，应力一般在10 MPa～20 MPa，高应力区域集中应力甚至高达25 MPa～30 MPa。同时对τxy应力进行模拟分析，发现模型左右两部分应力变化不同，实际是对称的，主要由于τxy方向的原因，变化范围在5 MPa～10 MPa；在开采煤层两端上方覆岩中，出现应力集中，容易造成工作面上方覆岩剪切滑移失稳。图5是最大主应力σ1分布云图，同时也对最小主应力σ3进行了模拟分析，在开采煤层的顶板，都出现较大范围的拉应力区。上覆岩层是存在有弱面，承受拉应力即遭到破坏，那么顶板破坏发展主要是拉应力。在开采煤层的底板也出现有拉应力区，但其发展的范围和连续性比顶板方向要差得多，即底板稳定性与顶板相比较好。最大压应力出现在开采煤层两端的上覆岩层上，形成最为明显的应力集中现象。在这一最大和最小主应力产生应力集中的区域，区域应力比较集中，变化比较剧烈，此区域也容易形成剪切破坏，因此这些区域可能形成复杂的压、剪复合破坏。最大主应力在此区域应力高达20 MPa～30 MPa，最高达到50 MPa。最小主应力在煤体采出后分布有较大的影响，但不如最大主应力那样显著，在最小主应力集中区域应力8 MPa～12 MPa，最高达到20 MPa。最大和最小主应力方向表示了岩层破坏的面产生的趋势，从云图分布来看，应力分布与整个岩层下沉垮落情况是符合的。

5 结论

通过联合开采在顶板破坏程度、垮落高度、以及各种应力的分析。联合开采在顶板破坏程度和垮落高度方面变化较大，但是通过各种应力分布云图的分析，联合开采顶、底板各应力没有较大变化，说明了近距离联合开采是可行的。

若采用上、下两层单独开采，巷道布置以及运输系统将比较繁琐，煤矿生产能力也受到限制，这种回采布置在经济上没有较好的优越性，所以采用上、下两煤层联合开采布置的形式进行回采。联合开采可以使巷道采用集中布置，运输系统得到简化，在经济上具有较好的优越性，加之联合开采中上、下两煤层同时回采，煤矿的生产能力得到加强。

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Study On Coal Pressure Appearance Rule In Combined Mining Of Close—Distance Thin Coal Seam Group

HUANG Yue Ming
（Jialequan Taiyuan Coal Gasification Co.,Ltd.Gujiao Shanxi 030200,China）

This paper takes Lu-an zhangcun mine as an example with combined minging in the No.15-1 coal seam and No.15-3 coal seam as the subject investigated.Analysis on coal pressure appearance rule in combined mining of close-distance thin coal seam group by the software UDEC.the destructiveness and collapse height of Roof are larger variety.but the pressure of roof and floor have less change,that show combined minging of close-distance thin coal seam group is feasible.

combined mining;surrounding rock stress;numerical simulation

TU459+.4

A

2009-11-20

黄跃明（1962—），男，山西原平人，大学本科，高级工程师，从事煤炭企业技术管理工作。

1672-5050（2010）02-0038-03

刘新光