西沟煤矿大采高综采近距离煤层开采矿压规律回采巷道技术.docx

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西沟煤矿大采高综采近距离煤层开采矿压规律回采巷道技术

西沟煤矿大采高综采近距离煤层开采技术

一．基本情况……………………………………………...……1

二．开采条件及现状…………………………………...……...1

三．研究意义……………………………..……………....…….5

四．研究方案……………………………..……………....…….5

五．保障条件…………………………….……………...…….14

六．经费预算…………………………….……………...…….15

七．成果归属于转化…………………….……………...…….16

一．基本情况

1.1、项目名称：

西沟煤矿大采高综采极近距离煤层开采矿压规律、回采巷道布置及支护研究

1.2、内容摘要：

针对西沟煤矿B3煤层、B4煤层开采条件、开采现状，研究西沟煤矿大采高综采极近距离煤层开采覆岩移动现象、近距离煤层工作面回采相互作用下的矿压显现、下位煤层回采巷道空间布置的围岩变形破坏特征和破坏发展模式，分析巷道破坏发展过程。

通过在IW301工作面进风巷、回风巷的现场工程地质调查、围岩松动变形探测、收集顶板岩层岩性物理力学数据、建立极近距离工作面回采相互作用数值模型、实验室相似模拟实验、理论分析、现场试验及矿压观测分析等方法，总结大采高综采极近距离开采工作面和巷道围岩移动特征及矿山压力显现规律，研究上位煤层和下位煤层合理的煤柱布置尺寸、上位煤层开采和下位煤层巷道掘进相互影响作用的时空规律、下位煤层巷道合理布置设计参数，研究下位煤层回采巷道破坏变形原因和主控因素，划分下位煤层回采巷道变形破坏类型，分析变形力学机制，确定相应的控制对策，提出不同破坏模式下的下位煤层回采巷道支护关键技术，确定合理可靠的巷道支护形式，提出西沟煤矿B3煤层、B4煤层大采高综采极近距离煤层开采回采巷道布置及支护技术方案，并进行必要的工业试验。

二．开采条件及现状

2.1、开采条件

新疆呼图壁县石梯子西沟煤矿，属于民营企业，主营煤炭开采，目前煤矿规模0.09Mt/a，矿井服务年限57.42a。

该矿位于呼图壁县城正南56km处的天山北麓，石梯子小西沟呼图壁林场一带。

井田内煤层厚度大、赋存较稳定，煤层倾角小，煤层倾角7°～17°，属缓倾斜～倾斜煤层。

其主要可采煤层分布于侏罗系中统西山窑组（J2x）地层中的下段（J2x1）。

西山窑组含煤层4层，自下而上依次编号为B1、B2、B3、B4，其中全区可采煤层3层，分别B2、B3、B4煤层，B1为一层局部可采煤层。

矿井采用主斜井、副平硐、立风井的综合开拓方式。

集中布置上山、分水平进行开拓，全矿井划分为二个水平上山开采：

一水平标高+1430m，二水平标高+1000m。

矿井以1个综合机械化一次采全高（大采高）采煤工作面，配备2个综合机械化掘进工作面，保证矿井生产的正常接续。

B4煤层：

煤层全层厚度2.53～8.18m，平均5.67m。

该煤层厚度在本矿区厚度较大，在大部分区域厚度都大于4m。

该煤层结构较简单，个别控制点含0～3层夹矸，夹矸厚0.05～0.74m，夹矸岩性为高炭泥岩、泥岩、炭质泥岩。

顶板为粉砂岩、泥质粉砂岩、细砂岩、粗砂岩、泥岩，粉砂质泥岩；底板为粉砂岩、泥质粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩。

该煤层可采厚度2.15～6.26m，平均5.33m，该煤层在ZK403孔最厚达8.18m，在ZK203孔最薄2.53m，整体上呈西薄东厚的趋势。

综合确定为全区可采的稳定型厚—巨厚煤层。

B3煤层：

煤层全层厚度4.05～6.65m，平均4.81m。

该煤层厚度在矿区中部以4.5～6m为主，在ZK201孔附近最厚达6.65m，在ZK103孔附近最薄为4.05m。

煤层结构简单，不含夹矸。

顶板为粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩；底板为泥质粉砂岩、粉砂岩、粗砂岩、泥岩、细砂岩。

与其上的B4煤层间距2.58～7.81m，平均5.11m。

该煤层可采厚度4.05～6.65m，平均4.81m。

厚度标准差为0.65，变异系数为15%；可采性指数为1，该煤层整体呈浅厚深薄的趋势，在ZK431孔附近最薄达4.19m，在ZK201孔附近最厚6.65m。

综合确定为全区可采的稳定型厚煤层。

一采区B4煤层厚2.15～6.26m，设计采用一次采全高开采，平均采高为5.3m。

B3煤层厚4.05～6.65m，设计采用一次采全高开采，平均采高为4.8m。

2.2、开采现状

西沟煤矿在完成改扩建后，采取东西翼盘区布置，首先对B4、B3厚煤层进行实行机械化综合开采，一次采全高，由于B4、B3煤层为极近距离煤层开采，设计采用下行开采，其中第一个工作面位于东翼一采区，于2014年11月17日开始回采至2016年1月份回采完毕，第二个工作面位于西翼一采区，于2012年11月至2013年12月采完IW401工作面，第三个工作面于为IW301工作面，于2016年1月开始回采，预计2016年12月回采完毕。

IW301综采工作面位于石梯子西沟煤矿井田东翼山坡地带（对应地面标高：

+1669m---+1710m，对应地表起伏较大，无任何建筑物，全部被草场所覆盖。

IW301工作面西部井田保安煤柱区有苇子沟沟底，植被发育，草木丰盛。

水量储存丰富，对掘进施工造成很大难度。

IW301综采工作面受区域单斜构造控制，本矿井田总体为由南向北的缓倾斜的单斜构造，倾向1。

-10。

，倾角12。

-17。

，地层产状呈东缓西陡，

IW301综采工作面进行设计，该工作面位于西沟煤矿一采西翼+1481m―+1529m水平，工作面面长217m，走向长度1515m，可采长度1334m煤层平均厚度4.81m；工作面井下标高：

+1529m---+1481m；工作面北为未采动区域，东为缓坡暗斜井（含上山保安煤柱），南石梯子西沟煤矿老井采空区，西为矿井井筒保安煤柱区。

B3煤层厚度在本采面厚度大，在大部分区域厚度都大于4m。

该煤层结构简单，不含夹矸。

顶板厚度2.58～7.81m，均厚5.11m；岩性为粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩；底板厚度0.36～20.6m，均厚11.07m；岩性为泥质粉砂岩、粉砂岩、粗砂岩、泥岩、细砂岩。

于其上的B4煤层间距2.58～7.81m，平均5.11m。

该煤层可采厚度4.05～6.65m，平均4.81m。

煤层顶底板岩石因受地下水的影响以及受上覆IW401工作面采动的影响，属破坏性顶板，极易软化。

因此B3煤层顶板为及不稳定顶底板，底板板为不稳定顶底板。

根据顺槽实际掘进中揭露，该工作面多处地段有顶板松软、破碎。

根据1W401综采工作面的矿压数据，预计IW301工作面初次来压步距30-35m，周期来压步距20-25m。

图1B4、B3煤层综合柱状图

1W301综采工作面位于石梯子西沟煤矿一采区井田西翼B3煤层，巷道沿煤层底板掘进，分别布置进风顺槽1514m，进风顺槽与IW401回采工作面进风顺槽外错2米。

回风顺槽1549m，回风顺槽与IW401回采工作面进风顺槽外错5米。

1W301运输顺槽：

梯形巷道，长1514m，宽5.1m，中心线高3.5m。

支护采用锚杆、钢筋网、锚索联合支护，其中锚杆间排距为800×800㎜，顶部锚杆为φ20×3000㎜的等强螺纹钢锚杆；北帮（下帮）布置4根φ20×2000㎜等强螺纹钢锚杆，南帮（上帮）布置5根φ20×2000㎜等强螺纹钢锚杆，锚片为用φ4.5㎜钢筋焊接，采用12#铁丝编制成菱形金属网；巷道顶部每2.4m一组锚索梁，钢梁长度3m，锚索7.3m2根，间距2m。

每0.8m一每0.8m一道钢带，钢带采用φ10mm钢筋制成，长度6.6m。

1W301回风顺槽：

B3巷道沿底板掘进，巷道自底板净高3.8m，需留顶煤1.3m，B3煤层顶板有0.5m—0.6m很软的炭质泥岩，锚杆的有效加固长度经计算不低于0.65m,所以（1.3m+0.6m+0.65m）=2.65m经此公式计算B3煤层顶板锚杆支护选用φ20mm，长度为3000mm等强螺纹钢锚杆；两帮采用φ18.2mm、长度为2000mm的树脂锚杆；顶、帮锚杆排间距800mm×800mm。

锚索采用φ15.24mm，长度为9300m的钢绞线锚索支护，排间距1600mm×4000mm。

三．研究意义

（1）总结极近距离煤层开采的矿压显现特征，探索顶板运动规律，分析造成下分层回采巷道变形原因，为开采过程中顶板控制提供依据。

（2）1W301工作面受其上B4煤层采动影响严重，巷道矿压显现强烈，开展极近距离煤层下回采巷道支护技术研究，保证工作面顺利接替。

（3）巷道布置及围岩控制是极近距离煤层开采过程中的关键技术，布置得当支护合理则围岩稳定、应力低、易维护，直接关系到煤矿今后发展和经济投入。

（4）本项目研究取得的成果可以在该煤矿B3、B4煤层其余近距离工作面开采提供相关理论和技术，具有较大的推广应用价值。

四．研究方案

4.1研究思路与研究内容：

4.1.1研究思路

综合运用工程地质调查、现场探测、室内相似模拟实验、数值模、理论分析、现场试验、矿压观测等方法，并根据对大采高综采极近距离下位煤层回采巷道变形破坏原因、变形破坏机理的分析，进行上位煤层煤柱留设优化、下位煤层巷道布置设计、巷道支护技术试验研究。

图2研究路线图

4.1.2研究内容

⑴工程地质调查，顶板岩性分布及物理力学参数资料收集，进行现场变形破坏现象统计及破坏分类，围岩松动圈测试；

⑵IW301工作面回采矿压监测方案设计及工作推进过程中顶板运动规律分析；

⑶通过相似模拟试验和数值模拟，进行IW401、IW301采动覆岩结构、变形移动规律以及采掘布置相互作用分析研究，分析IW301煤层回采巷道变形破坏原因，揭示变形破坏影响主要因素及作用机理，提出下位煤层回采巷道变形控制对策；

⑷建立工程地质力学模型，通过室内理论分析、室内相似模拟实验、数值模拟分析手段，研究上位煤层回采动压、上位煤层合理煤柱尺寸对极近距离层间顶板破坏及下位煤层工作面回采的影响，确定合理的上位煤层开采煤柱留设尺寸；

⑸在确定上位煤层煤柱合理尺寸后，模拟分析下位煤层各种巷道布置方式的效果，优选合理的巷道布置方式，并进行巷道布置位置的优化，然后分析下位煤层巷道变形特征及规律，提出支护方案；

⑹根据支护方案，确定支护技术，并进行支护方案参数设计，然后提出支护优化设计参数；

⑺进行现场试验，支护效果观测分析研究；

⑻提出最终研究报告。

4.2现场部分

4.2.1工程地质力学调查

地质构造资料收集与调查、水文地质概况调查、地应力分析、回采工作面采掘布置、顶底板岩性分布资料收集及现场勘查、巷道围岩节理裂隙量测、本层或类似采掘面矿压监测及显现规律、巷道形状及尺寸、现场支护参数及变形破坏统计。

4.2.2岩体质量评价

收集现场地质钻孔资料，及矿井地质报告，物理力学参数测试成果，进行现场围岩岩体结构、节理裂隙统计分析，完成围岩岩体分类及质量评价。

4.2.3围岩变形破坏统计与探测

对围岩与支护体变形破坏现象进行现场勘查、拍照、量测，收集围岩变形破坏现场观测资料，采用窥视仪、松动探测仪对围岩岩体结构及松动裂隙厚度进行探测，对上位煤层回采影响及煤柱应力集中引起的底板破坏分布区进行探测。

4.2.4IW301工作面顶板运动规律分析

对下位煤层IW301工作面推采过程中的液压支架初撑力、末阻力、平均工作阻力工作阻力变化以及初撑力合格率、末阻力利用率、周期来压时间、来压步距、来压强度、回采巷道变形量进行现场观测与分析，获得下位煤层开采矿压显现规律。

（单独出分析报告）

4.2.5IW402、IW302优化布置方案现场观测

对上位煤层IW402工作面煤柱留设尺寸、回采巷道压力进行观测，对下位煤层IW302工作面回采巷道布置方式及布置位置的变形压力进行观测。

4.2.6IW302回采巷道支护技术现场试验

对下位煤层IW302工作面回采巷道进行支护技术方案的现场试验与观测，合理优化支护设计参数。

4.3室内部分

4.3.1理论分析

⑴通过理论计算进行IW401工作面B4煤层开采对其底板造成的损伤破坏分析，确定底板破坏深度及其应力传递情况对下位B3煤层工作面布置的影响范围；通过分析极限平衡区长度和B4煤层底板破坏范围来分析IW301工作面B3煤层巷道布置位置下的应力分布、变形特征，分析回采巷道应力集中、围岩强度及采动影响作用等破坏因素IE301回采巷道围岩、支护体变形破坏失稳的影响机理。

⑵通过理论分析，研究大采高综采极近距离煤层上位B4煤层开采时煤柱的宽度、稳定性和煤柱载荷在B4煤层底板岩层中的非均匀应力分布规律，明确B3煤层定案应力增压区和减压区，理论分析非均匀应力场作用对下位煤层回采巷道布置、变形及支护的影响规律，研究下位煤层巷道避开上位煤层煤柱支撑压力增高区的合理距离，并且分析巷道在非均匀受力场中的变形破坏特点，再结合数值模拟及相似模拟实验结果，提出大采高综采极近距离下位煤层回采巷道的合理位置确定方法及支护对策。

⑶理论分析下位煤层回采巷道在内错布置、外错布置、垂直重叠布置、混合布置下的稳定性，提出合理的下位煤层巷道布置方式。

⑷对下位煤层巷道支护方案可行性进行理论分析，提出理论计算分析方法，研究确定支护设计方案中的设计参数。

4.3.2相似模拟实验

⑴研究B4煤层回采对B3煤层压力及围岩结构变形破坏的作用影响，研究B3煤层回采时B3煤层顶板、B4煤层垮落矸石带、B4煤层顶板组成的多结构覆岩变形移动规律，及B3煤层工作面围岩变形破坏特征；

⑵研究B4煤层合理煤柱宽度下，B3煤层回采巷道布置位置的变形破坏规律，确定合理的B3煤层回采巷道布置方式和布置位置；

4.3.3数值模拟研究

⑴建立IW401、IW301大采高综采极近距离煤层开采数值模型，分析IW401回采对IW301工作面围岩损伤及应力分布的影响，分析IW301工作正面运输顺槽和回风顺槽回道变形破坏规律，分析IW301工作面回采过程中上覆多结构岩层移动变形规律及应力场分布规律。

⑵建立上位B4煤层煤柱留设稳定性分析模型，研究留煤柱尺寸宽度、稳定性、煤柱荷载在B4煤层底板的应力传递规律和底板损伤破坏范围，分析煤柱留设宽度对下位煤层巷道布置方式稳定性的影响规律，优化合理的煤柱留设尺寸。

⑶通过数值模拟分析下位煤层回采巷道在内错布置、外错布置、垂直重叠布置、混合布置下的稳定性，提出合理的下位煤层巷道布置方式；然后分析该布置方式时，下位煤层巷道位于上位煤层煤柱下方不同位置时的围岩变形破坏规律，确定合理的巷道布置位置，并得出巷道围岩非对称变形特征，提出变形支护控制对策。

⑷通过数值模拟分析下位煤层巷道各种支护方案的支护效果，选择合理的支护形式，并对支护设计方案进行模拟分析，优化设计参数。

究大采高综采极近距离煤层回采覆岩移动特征、应力场位移场、速度场的特征，下位煤层回采巷道变形及支护研究，并对相似模拟结论进行验证。

（a）FLAC3D计算结果（b）UDEC数值计算结果

图4数值计算效果图

4.4.4岩体结构探测及围岩松动测试

本项目采用钻孔窥视仪和超声波围岩松动圈测试仪，对围岩结构、煤层底板破坏程度进行探测分析。

⑴钻孔窥视仪

SYS（B）矿用钻孔窥视仪

技术指标：

窥视钻孔直径:

 ＞Φ25mm

窥视钻孔深度：

10m（可延伸）

窥视镜（探头）：

分辨率：

420lines

连续工作时间：

8h

存储容量：

    20GB

外形尺寸：

    195mmX115mmX75mm

（a）记录仪

（b）测杆

图5钻孔窥视仪

配套设备：

钻孔窥视仪主机、窥视镜（探头）、视频传输及输送缆：

10米、充电机、USB连接线、窥视镜转接线、数据管理和播放软件。

⑵超声波围岩裂隙探测仪

图6超声波围岩裂隙探测仪

测试步骤：

（1）钻孔扫眼，清出孔中岩（煤）粉和碎石（煤）碴；

（2）将探头送至孔底，封孔器插入孔口并固定好（两帮向下扎钻孔不用封孔器）；

（3）注水。

测杆尾端有连续水流出时，表明水已注满；

（4）测试读数，将探头向外逐次抽动10cm，读数计时；

（5）检查记录数据，决定是否复测，初步判定围岩裂隙松动范围。

图7封孔注水图8测试读数