官地煤矿近距煤层巷道布置及回采工艺技术的相似模拟研究

闫海珍

（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024；2.山西西山煤电 镇城底矿，太原 030203）

官地煤矿近距煤层巷道布置及回采工艺技术的相似模拟研究

闫海珍1，2

（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024；2.山西西山煤电 镇城底矿，太原 030203）

摘要：官地矿8号与9号煤层赋存的地质条件是本次相似模拟的原型，以官地矿29401工作面8号与9号煤层赋存条件为主要原始条件，并借鉴官地矿其他面的地质情况，同时在此基础上做出一般化调整。在考虑开采技术条件的前提下研究8号残煤复采条件下的采9放8工作面矿山压力显现的一般规律和错层位巷道布置覆岩运动规律，进而论证类似地质与开采条件下采9放8过程中存在的问题，并提出初步的技术措施。

关键词：相似模拟；覆岩；模型

随着社会生产的发展与科技的进步，各行业领域出现的问题日趋复杂和繁多，但数学等基础学科还没有发展到能求出这种实际条件下的解析解，所以在进行研究的过程中，通常将复杂的问题进行理想化、简单化，然后借助数学、力学等工具进行解析，由于对条件做了简化，做出的结论肯定会与实际有出入，有时甚至不能用来指导工程实践。相似（物理）模拟技术就是通过将理论计算和室内实验结合起来充分利用它们各自的优点来解决实际生产问题。因此，对于官地矿8号煤层与9号煤层赋存现状与残煤复采技术的部分研究内容采用相似模拟进行［1］。

以官地矿29401工作面8号与9号煤层赋存条件为主要原始条件，并借鉴官地矿其他面的地质情况，同时在此基础上做出一般化调整，使其具有普遍性，从而使本实验结果对在类似地质条件下矿井及矿区的煤矿开采活动来说都具有借鉴意义。如何实现8号、9号煤层的安全、经济与高回采率，对于以官地为代表的矿井具有重要的意义。

1　煤层概况

西山矿区普遍赋存有8号与9号近距煤层，矿区前山边缘地带官地井田8号、9号煤层的赋存现状具有典型的代表性。

8号煤层厚度为3.41 m，属于II类自燃煤层，开采早期主要使用刀柱法，同时，在西山各矿也均有应用，一般采20m，留5 m～8 m煤柱支持顶板，官地矿为采12 m，留6 m。因此，在8号煤采空区留下大量刀柱遗煤。刀柱法逐渐淘汰之后，在8号煤层开始应用分层开采，但是由于历史原因，在采完上分层后并没有进行下分层的开采。因此，除了刀柱残煤外，还留有采完上分层后的8号煤下分层呆滞煤量，上分层采高2.5 m，下分层0.91 m的煤层仍保留，同时，还有完全未采动的8号煤原始煤层。

在8号煤开采的早期，矿井储量较大，煤柱遗煤作为损失封闭在采空区，且随着回采工作的结束被注销。但是8号煤层属易燃煤层，与9号煤层间距很近，多在1 m～2 m左右，文章研究首采区29401工作面的范围为0.4m～1.2m。开采9号煤时采空区与8号残煤沟通，造成漏风而导致残煤自燃发火，在同一矿区相邻矿井已有类似实例。因此，随着矿井储量日益枯竭，其8号煤搁置未采的被压储量日益增多，从矿井的现状来看，开采9号煤层迫在眉睫，而如何实现采9号煤层的同时保证安全是开采8号煤层的必要条件。

2　研究内容

文章研究的主要内容是统一考虑9号煤与8号残煤开采方案。在安全采出9号煤的同时，实现8号残煤的复采目标。研究的技术关键是8号残煤作为顶煤冒放的问题，需要研究确定适宜放煤的层间距。在9号、8号煤合采时，层间距就相当于煤中夹矸的厚度，除夹矸的厚度外，岩性、强度、节理裂隙发育程度都会影响顶煤的冒放性和回收效果。

2.1相似模拟实验中煤、岩性质及模型制作

本实验采用中国矿业大学（北京）相似模拟实验室尺寸为长×宽×高=1 620mm×160mm×1 300mm的二维模拟实验台，所以采用了平面应力模型。由实体原形尺寸和实验台条件，设几何相似比为αL= 200：1，由于所采煤层埋深约250 m，设容重比为αγ=1.5：1，同时要求模型与实体所有各对应点的运动情况相似，即要求各对应点运动要素都成一定比例。所以，要求时间比为常数，即［3］：

2.2模型岩石的厚度确定

实验采用平面应变条件，从下向上各岩层在相似模型中的厚度为：

式中：LMi为从9号煤向上至地表第i层模型厚度。实验中，对煤层底板进行简化，即直接铺设10 cm即可。

2.3模型岩石的强度指标计算

逐层计算模型岩石的强度指标，由αγ=1.5，αL=200，得到ασ=αL×αγ=200×1.5=300。

模型与原型之间强度参数的转化关系式也是相似模拟实验所必须的，可由主导相似准则得出，见公式（2）［4］：

综上所述，对GDM孕妇实施孕期系统的、针对性保健及营养指导效果显著，可有效控制血糖，改善母婴结局及孕妇不良行为习惯。

式中：σc为单轴抗压强度。

根据煤岩层的物理力学参数结合几何与容重比，可以求出不同煤岩层模型的单轴抗压强度σc及容重γM：

粗砂岩岩层模型的抗压强度及容重为：

［σc］M=61/300=0.2 kg/cm2=0.02 MPa.

γM=2.5/1.5=1.67 g/cm3.

泥岩岩层模型的抗压强度及容重为：

γM=2.64/1.5=1.76 g/cm3.

石灰岩岩层模型抗压强度及容重为：

［σc］M=80/300=0.267 kg/cm2=0.017 4MPa.

γM=2.6/1.5=1.73 g/cm3.

煤层模型的抗压强度及容重为：

［σc］M=5/300=0.017 kg/cm2=0.001 7 MPa.

γM=1.45/1.5=0.97 g/cm3.

砂质泥岩岩层模型的抗压强度及容重为：

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

γM=2.3/1.5=1.53 g/cm3.

中粒砂岩岩层模型的抗压强度及容重为：

［σc］M=65/300=0.217 kg/cm2=0.021 7MPa.

γM=2.6/1.5=1.73 g/cm3.

粉砂岩岩层模型的抗压强度及容重为：

［σc］M=72/300=0.24 kg/cm2=0.024MPa.

γM=2.7/1.5=1.8 g/cm3.

3　数据分析

为了进一步分析工作面在8号残煤下开采的支承应力分布特点，对直接顶内的应变片采集数据进行了整理，见图1。

图1　工作面推进不同位置直接顶应力分布

从图1中可以看出，8号煤层刀柱式开采后，在煤柱附近分布应力值大，而相应的采空区顶板应力分布较小。工作面推进到第一个刀柱时，顶板支承应力峰值达到了3。当工作面推过首个刀柱时，工作面承受的载荷降低幅度较大，不到原岩应力的0.1。当工作面推进到第二个刀柱下方时，其承受的应力峰值超过5。工作面推过第二个刀柱时，其承受的应力峰值降低为原岩应力的0.5倍。工作面继续推进，顶板发生初次垮落，此时工作面承受的载荷较小。当工作面推至第三个刀柱下方时，工作面直接顶承受的应力峰值为3，相应的工作面推过刀柱时，受到顶板的保护作用，工作面顶板承载不到原岩应力的0.1倍。当工作面推进至8号煤层分层采空区下方时，顶板的承载保持较低的状态［5］。而当工作面推进至8号煤层实体煤下方时，受采空区的影响，煤层直接顶的支承应力峰值仍较大，最大为4.75，因此可见8号残煤状态下顶板支承应力峰值较大，除了分层采区域外，其它区域整体载荷分布均较大，这对夹层的破坏有利。

4　研究结果

通过室内相似模拟实验对官地矿8号残煤、整层未采实体煤与9号煤层合采展开研究，建模过程中考虑官地矿实际夹层厚度在29401工作面最大为1.2m，在其他区域厚度较大，这里取3.4m，在模型的两侧分别进行建模，由于本实验台为二维，在此只观测一般性的矿压显现规律，得到如下结论：

1）工作面推至刀柱开采区域煤柱下方时，夹层具有良好的冒落性，但是由于初期回收残留煤柱数量较少，没有造成顶板的及时垮落，因此顶煤回收率较低。2）工作面推至刀柱式开采区域采空区下方时，夹层的断裂步距较长，分析是由于此处夹层承载较小，未达到极限承载强度，由于此处不存在残留的8号煤层，因此并不影响8号煤层的回收。3）工作面推进过程中，夹矸层发生初次断裂后，表现的形式以“悬臂梁”为主。4）当回收煤柱达到一定数量后，顶板出现垮落，此时由于采空区充填性较好，因此回采率有所提高。5）工作面推至分层开采区域时，由于顶板受到二次扰动，因此较易断裂垮落，从而造成夹层的垮落性较好，并且回采率较高。6）工作面推至8号煤层未采区域时，夹层的初次断裂步距较大，显著影响对8号顶煤的回收，并且由于采空区充填性不好，对9号顶煤的回收同样不利。7）当工作面推进到一定范围时，由于采空区范围的增加，断裂线前移至工作面前方，此时夹层的冒落性较好，从而也提高了顶煤的回收率。

5　结论

由于模拟的近水平煤岩层，沿着工作面倾斜方向这个角度再次分析：首采工作面开采时对上覆岩层扰动较小，相邻工作面采用错层位无煤柱搭接开采时两面覆岩会以一个整体的形式运动，范围变大，因此覆岩运动与破坏的区域上升，一定程度上解释了右半部分夹层与顶煤冒落性好，与理论分析相符，即采用错层位内错式巷道布置对夹层厚度上限的要求增加，可实现较厚夹层上方顶煤的回收。

通过对实验过程中工作面经历8号残煤下方不同区域顶板支承应力的分布分析发现，工作面开采过程中，随着对8号残留煤柱的破坏，其余煤柱上方承载明显增高，因此在实际生产中，需注意过残留刀柱下方时支架承载过大，从另一个角度看，过大的支承应力对夹层的破坏有利。在8号实体煤区域，受采空区的影响，工作面推进过程中前方的支承应力峰值仍较大，对夹层的破坏同样有利。

参考文献：

［1］李刚，梁冰，李凤仪.大柳塔煤矿12305工作面覆岩活动规律的相似模拟［J］.黑龙江科技学院学报，2005（5）：295-298.

［2］魏刚.红菱煤矿保护层开采裂隙演化规律的相似模拟实验［J］.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2012（2）：185-188.

［3］冯国瑞，任亚峰，王鲜霞，等.白家庄煤矿垮落法残采区上行开采相似模拟实验研究［J］.煤炭学报，2011（4）：544-550.

［4］张耀平，曹平，董陇军.岩石抗剪强度计算的稳健回归模型及其应用［J］.科技导报，2010（7）：91-95.

［5］冯国瑞，张绪言，李建军，等.刀柱采空区上方遗弃煤层上行开采可行性判定［J］.煤炭学报，2009（6）：726-730.

（编辑：杨鹏）

中图分类号：TD32

文献标识码：A

文章编号：1672-5050（2016）03-050-04

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

收稿日期：2015-10-19

作者简介：闫海珍（1975-），男，山西五台人，在读工程硕士，经济师，从事煤矿管理工作。

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