101-近距离煤层下行开采矿压显现规律相似模拟研究

近距离煤层下行开采矿压显现规律相似模拟研究邓雪杰1,2,殷　伟1,2,张　强1,2,安百富1,2(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221116;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221008)[摘　要]　为了研究近距离煤层下行开采的矿压显现规律,采用相似模拟的研究方法,以木瓜煤矿西二盘区煤层赋存特征为原型,以实验室测得的煤层及围岩物理力学参数为基础,在实验室模拟下行开采近距离煤层,得出了近距离煤层开采上覆岩层移动特征和矿压显现规律,主要表现为下煤层开采过程中工作面压力大,来压周期性不明显及垮落角大于上层煤等特点。

[关键词]　近距离煤层;下行开采;相似模拟;矿压显现[中图分类号]T D 32 [文献标识码]A [文章编号]1006-6225(2011)03-0124-04A n a l o g o u s S i m u l a t i o no f U n d e r g r o u n dP r e s s u r eB e h a v i o r o fD o w n w a r dMi n i n g N e a r C o a l -s e a m sD E N GX u e -j i e 1,2,Y I NW e i 1,2,Z H A N GQ i a n g 1,2,A NB a i -f u1,2(1.M i n i n g E n g i n e e r i n gS c h o o l ,C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g ＆T e c h n o l o g y ,X u z h o u 221116,C h i n a ;2.S t a t e K e yL a b o r a t o r yo f C o a l R e s o u r c e ＆S a f e M i n i n g ,X u z h o u 221008,C h i n a )A b s t r a c t :I no r d e r t o r e s e a r c hu n d e r g r o u n dp r e s s u r e b e h a v i o r o f d o w n w a r d m i n i n gn e a r c o a l -s e a m s ,t a k i n g w e s t 2n dp a n e l c o a l -s e a m o c c u r r e n c e o f M u g u a C o l l i e r y a s a ne x a m p l ea n d a p p l y i n g a n a l o g o u s s i m u l a t i o n ,m o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c o f o v e r l y i n g s t r a t a a n d u n d e r -g r o u n d p r e s s u r e b e h a v i o r r u l e w a s o b t a i n e do nt h e b a s i s o f p h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f c o a l a n dr o c k s a m p l e s f r o m t h e c o l -l i e r y .I nm i n i n g l o w e r c o a l -s e a m ,u n d e r g r o u n dp r e s s u r e w a s l a r g e r ,p e r i o d i c a l u n d e r g r o u n dp r e s s u r ew a s n o t o b v i o u s a n dc a v i n ga n g l e w a s l a r g e r t h a n t h a t o f h i g h e r c o a l -s e a m .K e yw o r d s :n e a r c o a l -s e a m s ;d o w n w a r d m i n i n g ;a n a l o g o u s s i m u l a t i o n ;u n d e r g r o u n d p r e s s u r e b e h a v i o r[收稿日期]2011-01-06[基金项目]国家自然科学基金重点项目(50834004);中国矿业大学科技资金资助项目(2007B 003)[作者简介]邓雪杰(1989-),男,山西大同人,采矿工程硕士研究生,从事岩层移动控制方面的研究。

木瓜煤矿西二盘区有9煤与10煤2层可采煤层,层间距只有2～10m ,属于近距离煤层。

近距离煤层群在开采过程中,由于上位煤层开采过后引起回采空间周围岩层应力重新分布,不仅在回采空间周围的煤柱上易造成应力集中,而且该应力将向底板岩层深部传递[1],造成下位煤层开采时顶板破碎、来压剧烈以及回采巷道维护困难等现象。

由于岩层移动的影响因素多,物理过程复杂,目前尚未有满足实际工程需要的理论分析方法,而实际测定仍是研究岩层移动规律的主要办法[2]。

本文以木瓜煤矿西二盘区实际地质资料为依据,采用相似材料模拟试验的方法,研究9煤、10煤两层近距离煤层下行开采矿压显现规律,对今后近距离煤层合理开采设计具有重要的指导意义。

1　煤层赋存条件及围岩物理力学性质1.1　煤层赋存条件木瓜井田(煤矿)位于河东煤田西北部,中阳—离石向斜的一部分,地层倾角3～11°,其内有宽缓起伏。

井田西二盘区内可采煤层有2层,为9煤和10煤。

9煤位于太原组中部,厚度平均1.9m ,在采区内煤层不稳定。

10煤位于太原组中下部,厚度平均2.83m ,为层位稳定的可采煤层。

9煤和10煤的顶底板条件见表1。

1.2　煤及围岩物理力学性质根据现场所取的煤样、岩样在实验室进行测试而获得的9煤、10煤及相关围岩物理岩物理力学参数见表2。

2　相似模型设计制作2.1　相似理论保证模型与原型初始状态和边界条件相似情况下,通过对模型模拟开采,观察,观测在开采过程中模型顶板活动、变形、破坏规律和矿山压力显现规律,然后按相似系数将观测的结果换算到实际原型上,得到实际发生的各种规律[3-6]。

在规划模拟试验时,遵守相似条件。

按照一般的物理现象相似的要求,模型(″)与原型(′)之间应满足基本相似条件。

本次试验的目的是通过相似模拟的实验方法,第16卷第3期(总第100期)2011年6月煤　矿　开　采C o a l m i n i n g T e c h n o l o g y V o 1.16N o .3(S e r i e s N o .100)J u n e 2011DOI :10.13532/j .cn ki .cn11-3677/td .2011.03.034表1　钻孔综合柱状岩石名称深度/m厚度/m岩性描述粉砂岩242.351.9灰黑色,层理发育破碎,含植物化石细沙岩245.943.59灰白色,以石英为主,长石为次,含云母煤屑泥岩249.543.6灰黑色,层理发育破碎,含植物化石灰岩253.564.02青黑色,性脆,坚硬,裂隙发育细沙岩257.684.12灰白色,以石英为主,长石为次,含云母煤屑泥岩258.781.1黑色,质纯,疏松平坦状,参差状断口灰岩266.617.83青黑色,性脆,坚硬,裂隙发育砂质泥岩272.525.91灰黑色,斜层理发育,平坦状,参差状断口石灰岩278.315.790.8m青灰色细晶,微晶结构细沙岩281.132.82灰白色,以石英为主,长石为次,含云母煤屑泥岩282.431.3黑色,质纯,疏松平坦状,参差状断口9煤284.331.9黑色,半亮暗型,块状,参差状断口粉砂岩291.276.94灰黑色,由石英,长石,煤屑组成,有白云母,含黄铁矿,下部为灰色细砂岩0.9m粗砂岩294.293.02灰白色,以石英为主,长石为次,含云母煤屑10煤297.122.83深黑色,半亮半暗型,块状,参差状断口泥岩299.842.72黑色,质纯,疏松平坦状,参差状断口粉砂岩302.452.61灰黑色,层理发育破碎,含植物化石表2　煤岩体物理力学参数岩性弹性模量/G P a密度/(t·m-3)抗压强度/M P a内聚力/M P a内摩擦角/(°)粉砂岩162.14010.535细沙岩352.658.623.137.5泥岩10.21.727.61.2239灰岩242.2379.5632细沙岩352.658.623.137.5泥岩10.21.727.61.2239灰岩242.2379.5632砂质泥岩11.61.831.20.6939石灰岩242.2379.5632细沙岩352.658.623.137.5泥岩10.21.727.61.2239 9煤21.63.420.5742.9粉砂岩162.14010.535粗砂岩14.92.24511.438 10煤2.481.64.920.6742.5泥岩10.21.727.61.2239粉砂岩162.14010.535研究木瓜煤矿近距离煤层9煤和10煤开采矿压显现的规律。

2.2　相似模型制作及测点布置相似材料选择石英砂、石灰及石膏。

以相似理论为基础,根据木瓜煤矿钻孔综合柱状图以及煤岩力学参数,确定相似模拟材料配比见表3。

表3　相似材料配比编号岩性砂子/k g碳酸钙/k g石膏/k g水/k g厚度/m m重量/k g抗压强度1细沙岩23.081.152.693.8535.926.9352.302泥岩23.141.162.703.8636.027.0027.603灰岩25.841.293.024.3140.230.1537.004细沙岩26.491.323.094.4141.230.9052.305泥岩7.070.350.831.1811.08.2527.606灰岩50.342.525.878.3978.358.7337.007砂质泥岩37.991.904.436.3359.144.3331.208石灰岩37.221.864.346.2057.943.4337.009细沙岩18.130.912.123.0228.221.1552.30 10泥岩8.360.420.981.3913.09.7527.60 119煤12.210.611.432.0419.014.253.4212粉砂岩44.612.235.217.4469.452.0540.00 13粗砂岩19.410.972.273.2430.222.6545.00 1410煤18.190.912.123.0328.321.234.9215泥岩17.490.872.042.9127.220.4027.60 16粉砂岩16.780.841.962.8026.119.5840.00根据模型的尺寸及需要,确定实验模型尺寸为2500m m×200m m×1090m m(长×宽×高),模型的长度相似系数为c l=100,即模型的10m m代表原型的1m,另外原型与模型的密度比均为c r=1.5。