近距离煤层开采围岩破坏及支护阻力研究_黄自炎.pdf

近距离煤层开采围岩破坏及支护阻力研究*黄自炎，张伟胜（郑州煤矿机械集团股份有限公司，郑州450017）摘要：针对近距离煤层开采围岩破坏所引起的工作面冒顶、漏矸问题，以甘肃某矿采矿地质条件为背景，通过理论分析采高和应力集中系数对底板破坏深度的影响关系，得出当采高大于6 m时，应力集中系数大于3时，对底板破坏深度影响程度显著。通过数值模拟得到16#煤层开采超前支承压力集中系数约3.75，覆岩破坏高度约30 m，结合理论分析结果得出底板破坏深度约4.23 m。17#煤层顶板受16#煤层采动影响产生破坏，液压支架承担17#煤层与16#煤层层间岩体与16#煤层采空区垮落岩层的载荷，确定液压支架支护强度应不小于0.61 MPa，以保证17#煤层工作面安全高效开采。关键词：近距离煤层；底板破坏深度；数值模拟；支护阻力中图分类号：TD323文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 044 03Study on Failure of Surrounding Rock and Support Resistance in CloseDistance Coal SeamHUANG Ziyan,ZHANG Weisheng(Zhengzhou Coal Mining Machinery(Group)Co.,Ltd.,Zhengzhou 450017,China)Abstract：For close distance coal seam coalface roof falling and collapsed rock caused by damage ofsurrounding rock,taking the mining geological conditions of a mine in Gansu province as thebackground,through the theoretical analysis the influence of mining height and stress concentrationcoefficient on floor failure depth,it is concluded that when mining height is greater than 6 m,the stressconcentration coefficient is more than 3,significant influence on floor failure depth.Through numericalsimulation,the concentration coefficient of advanced abutment pressure of No.16 coal seam is about3.75,the failure height of overburden is about 30 m,and the floor failure depth is about 4.23 mcombined with theoretical analysis results.The roof of No.17 coal seam is damaged by the mining effectof No.16 coal seam.The hydraulic support bears the load of rock mass between No.17 coal seam andNo.16 coal seam and the load of caved rock layer of the goaf of No.16 coal seam.The support strengthof the hydraulic support should be determined not less than 0.61 MPa to ensure the safe and efficientmining of the coalface of No.17 coal seam.Key words:close distance coal seam;floor failure depth;numerical simulation;support resistance第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0100引言近距离煤层开采造成底板岩层破坏，使得下位煤层开采时顶板难以维护，对工作面安全生产产生影响。同时，由于工作面上方存在采空区，顶板岩层完整性发生破坏，往往造成工作面来压不明显。因此，对于近距离煤层开采底板破坏规律与下位煤层开采围岩破坏特征的研究是十分必要的。黄庆享等研究了采空区垮落顶板二次采动结构运动特征，将下位煤层开采顶板运动分为铰接离层阶段和沉降压实阶段。周波等采用数值模拟方法对比分析单一煤层开采与近距离煤层开采的采场应力分布特征。杨路林等认为近距离煤层采空区下工作面支架承担直接顶和基本顶重力以及上覆采空区垮落岩石静载荷。本文以理论分析与数值模拟相结合的研究方法，开展近距离煤层底板破坏规律研究，确定了支架合理支护强度。1工程背景该矿井位于内蒙古自治区乌海市，该矿井16#煤层已回采完毕，现开采17#煤层，16#煤层与17#煤层的平均层间距5.0 m，属于典型的近距离煤层开采。17#煤层厚度0.301.97 m，平均1.16 m，煤层结构简单、全区可采的较稳定煤层。埋藏深度8.32189.22 m，平均83.34 m。17#煤层顶底板特征如表1所示。表117#煤层顶底板特征*郑州市重大科技创新专项（2020CXZX0042）岩性描述灰白色，黏土质，细腻黑色、沥青光泽，内外生裂隙发育，裂隙中充填少量泥质物深灰色，含植物化石黄铁矿深灰色，含石英植物化石稳定煤层，含6层夹矸深灰色，夹细砂岩条带深灰色，含碳质灰白色，含石英，坚硬厚度/m0.501.122.742.236.542.040.302.28岩层名称黏土岩17#煤砂质泥岩细粒砂岩16#煤砂质泥岩碳质泥岩细粒砂岩442煤层开采底板破坏特征分析2.1滑移线场理论分析工作面开采过程中，随着煤层的采出，采场围岩应力场发生变化。煤层走向方向上出现应力集中，煤壁出现一定程度的塑性破坏。同时，超前支承压力通过煤层作用于底板岩层，当应力作用超出底板岩层承受极限，将造成底板岩层一定范围内的破坏。随着工作面不断推进，底板岩层破坏区域不断向前扩展形成连续区域。工作面超前支承压力作用下底板破坏深度如图1所示，底板破坏区域分为主动极限区、过渡区、被动极限区。图1工作面超前支承压力作用下底板破坏深度.主动极限区.过渡区.被动极限区超前支承压力峰值宽度x0=M2flnkH+C cot C cot（1）式中上覆岩层容重，kN/m3；H煤层埋深，m；k应力集中系数；M工作面采高，m；煤层内摩擦角，()；C煤层黏聚力，MPa；三轴应力系数；f煤层和顶底板的摩擦因数。可以得到超前支承压力作用下底板岩层破坏最大深度h=x0cos f2cos4+f2()e4+f2()tanf（2）式中f岩层内摩擦角，()。2.2底板破坏深度的影响因素分析根据该矿16#煤层采矿地质条件，煤层埋深H=105 m，岩层内摩擦角f=36，煤层内摩擦角=30，煤层黏聚力C=1.0 MPa，煤层和顶底板的摩擦因数为0.5，基于以上条件，分析不同采高与应力集中系数条件下底板破坏深度，如图2所示。底板破坏深度与应力集中系数和采高呈现正相关，当应力集中系数小于2时，采高对底板破坏深度的影响较小，当应力集中系数为23时，采高的变化对底板破坏深度的影响增加，当应力集中系数大于3时，采高的增加引起底板破坏深度的显著增加。（a）三维分布图（b）平面图图2不同采高与应力集中系数条件下底板破坏深度（单位：m）当采高小于3 m时，应力集中系数的增加对底板破坏深度的影响较小，当采高36 m时，应力集中系数对底板破坏深度的影响增加，当采高大于6 m时，应力集中系数增加引起底板破坏深度的显著增加。16#煤层工作面采高取8.0 m，可知应力集中系数的变化对底板破坏深度的影响显著，因此确定工作面超前应力集中系数是十分重要的。3下位煤层开采数值模拟分析3.1模型建立建立模型200 m250 m107 m，四周边界和底部边界施加法向位移约束，模型上边界为自由边界，模拟工作面长200 m，开采长度150 m，为减小边界效应的影响，模型四周留设25 m边界煤柱。数值模型构建如图3所示，模型岩层物理力学参数如表2所示。图3数值模型构建表2岩层物理力学参数3.2模拟结果分析16#煤层开采时，受采动影响，采场围岩应力重新分布，煤层超前支承压力集中系数约3.75，距离煤壁约5.2 m。16#煤层开采垂直应力分布如图4所示。弹性模量/GPa1091582081025密度/kgm-32 5002 5002 5001 3502 5501 3502 5002 580岩层泥岩黏土岩砂质泥岩17#煤细粒砂岩16#煤炭质泥岩石灰岩内摩擦角/()3530323036303235内聚力/MPa1.21.01.21.02.01.01.23.0泊松比0.240.250.240.280.220.280.240.20抗拉强度/MPa1.51.21.51.22.51.21.43.6近距离煤层开采围岩破坏及支护阻力研究黄自炎，等第42卷第02期Vol.42 No.02x0HkHedcbah应力集中系数5432112345678910工作面采高/m642064208底板破坏深度/m6420应力集中系数54321工作面采高/m10987654321泥质石灰岩炭质泥岩石灰岩砂质泥岩粗粒砂岩细粒砂岩黏土岩泥岩9#煤16#煤17#煤45图416#煤层开采垂直应力分布图（单位：Pa）直接顶厚度HZ=ni=1Hi（3）第n层岩层厚度HnM-n-1i=1Hi(Ki-1)（4）第n+1层岩层厚度Hn+1M-ni=1Hi(Ki-1)（5）式中Hi各岩层厚度，m；Ki各岩层碎胀系数。由式（3）式（5）计算16#煤层直接顶13.7 m，共7层岩层，第8层砂质泥岩为基本顶，厚7.8 m。综合16#煤层工作面开采上覆岩层破坏情况，如图5所示。可知覆岩破坏高度约30 m，基本顶控制上覆部分岩层，随动岩层约8.5 m，与基本顶发生同步协同破坏。图516#煤层开采覆岩破坏情况17#煤层开采覆岩破坏情况如图6所示，根据图6可知，由于17#煤层与16#煤层的层间距较小，当17#煤层开采时，其上覆岩层破坏连通16#煤层采空区。图617#煤层开采覆岩破坏情况3.3支架支护强度确定根据数值模拟结果，16#煤层开采超前支承压力集中系数约3.75，参照式（1）、式（2），可得底板破坏深度为4.23 m。17#煤层开采时，其顶板岩层受16#煤层采动影响已经产生破坏，17#煤层工作面来压可能并不明显，顶板漏矸现象加重。由于近距离煤层顶板条件与常规工作面顶板条件不同，工作面矿压显现有所区别，工作面支架支护强度并不能以常规方法计算。综合前文的理论与数值分析，17#煤层顶板完整性受16#煤层开采影响发生破坏，支架不仅要承担16#煤层与17#煤层之间岩层破断来压，还承担16#煤层采空区垮落岩层的重量。因此17#煤层工作面液压支架支护强度p=Hx+Ms-SK-1=0.61 MPa（6）式中上覆岩层容重，=25 kN/m3；Hx下位煤层顶板厚度，Hx=5.0 m；Ms上位煤层采高，Ms=8.0 m；上位煤层回采率，=93%；S上位煤层老顶下沉量，S=0.4 m；K顶板岩层平均碎胀系数，K=1.3。由式（6）可知，17#煤层工作面液压支架支护强度应不小于0.61 MPa。4结语（1）分析了工作面采高和应力集中系数对底板破坏深度的影响特征。底板破坏深度与应力集中系数和采高呈现正相关，当采高大于6 m时，应力集中系数大于3时，对底板破坏深度有着显著影响。