中厚-厚煤层近距离高效同采矿压控制研究
2014-04-02汪月伟董淑文樊俊鹏成云海
汪月伟，董淑文，樊俊鹏，成云海
(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083；2.中煤集团山西金海洋能源有限公司，山西 朔州036800；3.安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南232001)
中煤集团山西金海洋能源有限公司南阳坡煤矿主采煤层为3#煤和4#煤，3#煤层均厚2.10m，4#煤均厚7.11m，层间距23～26m。4105综放工作面(开采4#煤)在30205综采工作面(开采3#煤)下方同采，为中厚-厚煤层近距离开采。
根据研究[1]，开采时下部煤层开采前顶板的完整程度己受上部煤层开采损伤影响，其上又为上部煤层开采垮落的矸石，且上部煤层开采后残留的区段煤柱在底板形成的集中压力，导致下部煤层开采区域顶板结构和应力环境发生变化，因此两工作面为近距离煤层开采。
30205综采面可采储量42.3万t，4105综放面为181.0万t，为实现安全高效同采，显然需要解决近距离煤层矿压控制问题[2-3]，防止下煤层开采时，导致巷道变形剧烈等现象发生。
1 煤岩物理力学性质测试
采用数值模拟软件能快捷分析矿压显现规律，其前提是需要准确掌握煤岩物理力学性质。为此。根据原煤炭工业部标准《煤和岩石物理力学性质试验规程》要求进行测试。部分试样如图1所示。对上述试验数据整理，如表1所示。
图1 煤岩样
表1 岩石物理力学汇总表
2 近距离开采显现特征与控制
2.1 中厚-厚煤层近距离开采支承压力分布与传递的测量
30205综采面巷道为矩形断面，锚网索支护，掘进断面15.1m2；4105综放面巷道为矩形断面，锚网索支护，掘进断面16.5m2，采高3.4m。
2.1.1 观测方案
30205综采面顺槽：在进风顺槽煤柱侧距开切眼650m位置安装应力计，一共打五个孔，孔深分别为4m、7m、12m、17m、22m；在回风顺槽实体煤侧距开切眼同样距离安装应力计，孔深同进风顺槽。
4105综放面顺槽：在进风顺槽煤柱侧距开切眼650m位置打孔安装应力计，一共打五个孔，孔深分别为4m、7m、12m、17m、22m。工作面侧同样位置打4个孔，孔深分别为4m、7m、12m、17m。在回风顺槽工作面侧距开切眼同样距离安装应力计，孔深分别为4m、7m、12m、17m、22m。
监测区段为采场前方100～30m。
2.1.2 数据分析
2.1.2.1 30205综采面进风顺槽采场侧侧向应力分布
疼痛评分采用视觉模拟评分进行判定，其中0分表示患者无疼痛感、10分表示患者伴有剧烈疼痛感，即得分越高表明患者疼痛程度越重。
图2、图3为30205综采面进风顺槽在采场不同位置采场侧侧向应力数据。观测的4～7m之间读数变化较大，进风顺槽采场侧侧向支承压力峰值在22m左右。
图2 30205运输顺槽采场前方50m采场侧侧向应力
应力随距采场距离的增大呈下降趋势，17m和22m读数较其他3个钻孔较高，是由于受3#煤留设煤柱压力增高区影响。
图3 30205运输顺槽采场前方20m采场侧侧向应力
2.1.2.2 4105进风顺槽采场侧应力分布
图4、图5为4105综采面进风顺槽、回风顺槽侧向应力数据。
图4 4105进风顺槽煤柱侧应力
图5 4105回风顺槽工作面侧应力
回风顺槽侧向支承压力峰值位置在12m到22m之间，且受30205综采面与30207工作面之间留设的煤柱的影响，30205回风顺槽煤柱侧支承压力峰值距回风顺槽22m左右。
以同在工作面前方30m位置孔深12m应力读数分析，4105运输顺槽是4105回风顺槽的10倍左右，说明3#煤开采对下煤层压力影响显著，如果下煤层巷道位置不合理，维护难度显著增加。
2.2 近距离开采应力分布规律的数值计算
如图6所示，模型尺寸长×宽×高=545m×300m×248m，整个模型底边界固定，模型总共437760个单元格，457317节点，考虑减小模型边界效应的影响，上部煤层没有显示出来的部分用外载荷代替，材料本构模型为摩尔-库仑模型。力学参数参见表1，表中Block5为3#煤，Block9为4#煤，其他与煤层顶底板岩层顺序相符。
如图7所示，每条监测线共分布50个测点，测点间隔2m，分析30203工作面和30205工作面开挖的18条监测线的支承压力分布。
图8、图9为3#煤开采对4105运输及回风顺槽两侧压力影响，分析上煤层开采压力传递及下煤层矿压显现特征。
图6 数值计算模型
图7 开挖3煤监测区域位置
图8 3煤开采对4105运输顺槽两侧压力影响
图9 3煤开采对4105回风顺槽两侧压力影响
分析认为：①在采空区侧，受3煤开采影响，4煤在3煤运输顺槽靠近采空区侧处于卸压区，4煤在3煤运输顺槽靠近煤柱侧压力升高→降低；②3煤开采对下煤层传递角为45°，显著支承压力增高区域传递角为31°；③4105进风顺槽变形，明显受3煤开采支承高压力、区段煤柱尺寸不合理造成的侧向压力影响；④3煤开采后，滞后60m左右覆岩运动停止运动，4煤可滞后3煤工作面60m开始割煤。⑤矿压观测规律与数值计算得到的支承压力分布基本一致。
3 锚杆(索)工作载荷随机测试与分析
上述研究说明，4#煤开采受3#煤采动影响。为评价支护可靠性，需要对锚杆、锚索工作阻力进行观测，为调整和修改支护参数提供实测依据。
3#煤和4#煤工作面均采用锚索网联合支护。3#煤巷道锚杆规格为Φ18×2000mm，间排距为1000mm×1000mm；锚索规格为Φ17.8×6000mm，排距为2000mm×3000mm，金属网规格均为2200mm×1200mm。4#煤锚杆间排距为800mm×1000mm，其他一致。
采用无损监测仪监测，能够在不破坏锚杆(索)的锚固效果、预应力及工作载荷的情况下，显示出工作载荷值等测量数据。
3.1 30205运输顺槽锚杆(索)工作载荷随机测试与分析
图10为30205运输顺槽顶板锚索受超前压力影响工作载荷图。所有锚杆(索)在超前支承压力影响下工作载荷基本处于偏高状态，在15～28m之间为超前支承压力增高区，但仍处于安全值范围内，30205运输顺槽整体支护较好，变形量小，支护安全。
图10 30205运输顺槽锚索工作载荷图
3.2 4105运输顺槽锚杆(索)工作载荷随机测试与分析
距离开切眼100～300m变形量较大，采用架棚支护，但支护效果并不理想，帮部煤体松散，裂隙较发育，使得锚杆未达到理想工作载荷值，部分锚杆甚至失效。距开切眼140m后片帮严重，帮部锚杆全部失效。巷道支护总体不理想。
4105工作面从5月份开采，到7月底仅采了100m，究其原因是由于巷道布置不合理。
具体原因如下：①受3#煤工作面前方超前压力的影响；②受3#煤工作面后方覆岩运动产生的力；③4#煤工作面前方超前压力产生的力；④受4103与4105侧向固定支承压力影响。
4105回风顺槽受上煤层开采不明显，尽管顶板煤体较破碎，但帮部变形量不大，支护良好。
4 结语
基于煤岩物理力学测试、在线应力监测、支护载荷无损监测及数值计算，对中厚-厚煤层近距离开采研究，得出结论如下所示。
1)得出了监测区域的侧向应力分布规律，对下煤层开采影响进行了分析；3#煤开采对下煤层传递角为45°，显著支承压力增高区域传递角为31°。
2)监测评价了沿空的30205运输顺槽整体支护较好，沿空的4105运输顺槽支护较差，并找出产生的原因。
3)4105进风顺槽变形受3#煤开采支承高压力、区段煤柱尺寸不合理造成的侧向压力影响，在下
区段的4107回风顺槽设计留设的区段煤柱为32m，能够有效降低3#煤开采支承高压力影响。
4)3#煤开采后，滞后60m左右覆岩运动停止运动，故4#煤可滞后3#煤工作面60m开始割煤。如果考虑构造影响，需进行进一步的研究。
[1] 鞠金峰，许家林，朱卫兵，等.近距离煤层工作面出倾向煤柱动载矿压机理研究[J].煤炭学报，2010，35(1)：15-20.
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[3] 朱涛，张百胜，冯国瑞，等.极近距离煤层下层煤采场顶板结构与控制[J].煤炭学报，2010，35(2)：190-193.
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