近距离下部特厚煤层工作面安全错距研究

王 普，曲 华，许 斌，武泉林，张培鹏

(山东科技大学 矿山灾害预防与控制重点实验室，山东 泰安 271002)

近距离下部特厚煤层工作面安全错距研究

王 普，曲 华，许 斌，武泉林，张培鹏

(山东科技大学 矿山灾害预防与控制重点实验室，山东 泰安 271002)

在近距离下部特厚煤层条件下，由于下部煤层厚度大，经验方法类比计算的工作面错距偏小。因此根据鲍店上部2煤层与下部3煤层实际情况，采用UDEC2D数值模拟及理论分析，综合研究了近距离下部特厚煤层工作面开采的安全错距。研究表明：近距离下部特厚煤层工作面同采时，不同工作面错距条件下的应力分布与覆岩运移特征有着明显的差异，当工作面错距大于50m时相互采动影响较小，确定工作面安全错距为60m。

近距离；下部特厚煤层；工作面错距；应力分布；覆岩移动

近距离煤层下行开采时，下煤层工作面将在上煤层工作面采空区下进行开采，工作面顶板破碎难以维护，且会受到上工作面采空区水、有毒有害气体的威胁，给下工作面开采带来诸多安全隐患。近距离煤层同采的关键在于上、下工作面的安全错距[1-3]，既要保证上、下工作面开采的岩层移动与矿山压力不会相互影响，又要保证下煤层工作面顶板的完整性。若上、下工作面错距过小，将会使上、下煤层工作面出现显著的应力叠加现象，并产生强烈的矿山压力显现，不利于工作面顶底板岩层控制。以鲍店煤矿6201,6301工作面同采为例，采用理论分析和UDEC2D数值模拟方法，研究了下部特厚煤层工作面的安全错距。

1地质概况

鲍店煤矿六采区位于井田的西南部，地质构造比较简单，平均倾角为7°。可采煤层为2煤、3煤，2煤平均厚度1.2m，f=3.0，顶底板岩性较为稳定，大部分为粉细砂岩和泥岩，局部为粗砂岩，间夹薄层铝质泥岩；3煤为特厚煤层，平均厚度为8.6m，f=2.9，顶底板岩性较为稳定，大部分为粉细砂岩，局部为少量的粉砂岩和铝质泥岩。2煤与3煤的层间距为19.57～24.88m，平均为21.06m。6201，6301工作面同采关系如图1所示。

图1 6201，6301工作面同采关系

2 下部特厚煤层工作面安全错距分析

分析下煤层工作面最小错距的依据主要有2个方面：一是下煤层工作面在上煤层工作面顶板冒落稳定后开采；二是下煤层工作面位于上煤层工作面减压区内。

2.1 上煤层顶板冒落稳定后开采下煤层

随着6201工作面不断推进，2煤顶板逐渐垮落、压实，矿山压力显现逐渐稳定，在2煤顶板垮落运动稳定的采空区下进行3煤开采，如图2所示。此时，近距离煤层同采的最小错距[4]为：

图2 顶板冒落稳定后开采下煤层

Xmin=Mcotδ+L+b

式中，M为两煤层层间距，m；δ为层间岩层移动角，坚硬岩石为60～70°，软弱岩石为45～50°；L为考虑上煤层工作面顶板岩石冒落基本稳定及上、下煤层工作面推进速度不均衡的安全距离，一般L≥20～25m；b为上煤层最大控顶距，m；Xmin为两工作面间最小错距，m。

根据鲍店煤矿6201工作面最大控顶距b=5m，上下煤层层间岩层移动角δ=60°，6201工作面超前6301工作面的最小错距为：

Xmin=21.06·cot60°+(20～25)+5=37～42(m)

即当6201，6301工作面的错距大于42m时，两煤层开采的相互影响较小，6201工作面顶板垮落对6301工作面的动力扰动小，6301工作面顶板岩层移动也不会波及到6201工作面，压力显现缓和，有利于6301工作面安全生产及工作面支护。

2.2 利用上煤层减压区开采下煤层

上煤层开采后，直接顶垮落，上位岩层形成砌体梁式平衡结构，使回采工作面空间处于破裂挤压岩块形成的结构保护下，基本顶暂时承受上覆岩层的重量，并把压力传递到工作面前方煤壁和后方采空区冒落的矸石上[5-6]。一般在工作面后方 6～20m的范围内形成减压区，压力显现更加缓和，有利于下煤层的回采。

在上煤层开采减压区下开采下煤层的最小错距如图3所示，其计算式为：

图3 上煤层减压区开采下煤层

X砌min=Mcotδ+B+b

式中，B为煤柱的塑形破坏宽度，一般取2m；X砌min为下煤层开采不影响上煤层的最小错距。

在6201工作面开采减压区下开采6301工作面时，工作面最小错距为：

X砌min=21.06·cot60°+2+5=19(m)

此时，工作面最小错距为19m，处于6201工作面的减压区内。

但是，当6301工作面布置在6201工作面的减压区范围内时， 6201工作面开采超前支承压力和后方残余支承压力的作用，致使6301工作面及其顶板岩层出现较多不同发育程度的裂隙。同时，又受到6301工作面采动的重复扰动影响，使3煤及其上覆岩层出现不同程度的破坏，导致6301工作面顶板强度降低，又由于3煤煤层厚度大，顶板跨度大，一旦支护系统中局部出现支护问题，就可能出现漏垮事故的发生。

在上煤层减压区下开采下煤层的基础条件是下层煤必须有足够的层间距，在下层煤回采过程中能够形成稳定性的顶板结构保护上层煤回采空间。如果6301工作面布置在上煤层减压区内，两工作面之间仅有21.06m岩层及上煤层开采垮落带矸石，上煤层顶板冒落的矸石填充不满采空区，那么6201工作面整个工作面就可能悬空，相当于工作面顶板“大离层”。3煤采高为8.5m，一旦工作面顶板出现扰动或不稳，或支护整体性差，工作面易发生大面积冒顶和支架推倒的严重事故，不利于下工作面的安全生产[7-8]。

综上所述，利用上煤层减压区开采下煤层的最小错距计算偏小。

3 下部特厚煤层工作面不同错距的数值模拟

3.1 模型的建立

模拟对象是鲍店煤矿6201和6301工作面，模型范围为260m(长)×120m(高)。6301工作面底板上方111m作为上边界，6301工作面底板下方19m作为下边界。计算模型的煤、岩层组合及物理力学参数如表1所示。

利用UDEC2D数值模拟软件模拟6201工作面和6301工作面错距分别为70m，60m，50m，40m，30m，20m的开采状态，分析不同错距条件下围岩垂直应力及覆岩运移状态，依据上、下工作面开采影响分析最小错距。

3.2 不同错距的垂直应力分布

如图4所示，当6301，6201工作面相距70m时，6201，6301工作面前方分别出现明显的应力集中区域，但由于3煤采高很大，对采空区顶板岩层影响较大，采动引起的支撑压力影响区域和集中应力区域较大。此时两个工作面的集中应力没有叠加，不会产生相互采动影响。当6301，6201工作面相距60m时，垂直应力分布没有较明显的变化，但6301工作面集中应力峰值逐渐向6201工作面靠拢，开始出现应力叠加趋势，两工作面相互影响较小，矿山压力显现不明显，可以进行安全开采。

表1 煤岩层物理力学参数

图4 工作面不同错距下垂直应力云图

当6301，6201工作面相距50m时，两工作面集中应力区域开始出现叠加；相距40m时，6201工作面集中应力区域变大，应力叠加效果更加明显；相距30m时，应力叠加进一步加大，基本上出现一个应力峰值；相距20m时，6301工作面与6201工作面垂直应力基本完全叠加在一起，应力峰值显著增大。应力叠加势必会使6201工作面的回采受6301工作面采动的影响，引起比较显著矿压现象，不利于工作面安全生产。因此两工作面最小错距为50m。

3.3 不同错距的覆岩移动分析

图5 工作面不同错距下覆岩运移云图

如图5所示，当6301工作面与6201工作面错距60m时，对比错距为70m时，顶板岩层不断下沉，位移最大值区域不断扩大，但6201工作面顶板最大下沉区域(下沉量1.5～2.5m)距离6201工作面基本保持不变，说明6301工作面的采动未能波及到6201工作面。当工作面错距50m时，由于3煤煤层高度大，6301工作面对6201工作面产生了强烈的采动影响，引起了2煤顶板最大下沉区域范围突然向6201工作面靠拢，并且中部采空区位移量有明显的增加，此时顶底板受到较强烈扰动，发生了显著的矿压现象。当工作面错距40m，30m，20m时，最大下沉区域距离6201工作面位置进一步减小，位于工作面右侧采空区顶板的下沉最大值稳定区也逐渐向前推进，顶底板扰动更加强烈，更容易发生显著的矿压现象，不利于工作面安全生产。

综上所述，当两工作面错距大于50m时，6201工作面顶板移动变化较小。但当错距小于50m时，距离6201工作面基本顶板移动骤然增加，上煤层工作面受下煤层工作面的影响十分明显。因此，应将50m作为最小错距。

4 结论

(1)通过UDEC2D数值计算，分析不同错距条件下围岩垂直应力及覆岩运移状态，根据两个工作面应力场、覆岩移动的相互影响，得到下部特厚煤层工作面的最小错距为50m。

(2)通过上煤层工作面顶板垮落稳定后开采下煤层和在上煤层开采减压区下开采下煤层两种方法，类比分析得到下部特厚煤层工作面的最小错距为42m。在下部特厚煤层条件下，经验类比计算结果偏小。

(3)综合数值模拟计算、理论计算的结果，6201，6301工作面的最小错距取50m，考虑K=1.2的安全系数，确定6201、6301工作面安全错距为60m。

[1]郭建清．近距离煤层同采覆岩破坏规律研究[J]．山西焦煤科技，2011，34(9)：4-7.

[2]李 洪，马全礼，耿献文．近距离煤层同采合理错距分析[J]．煤，2006，15(6)：29 -31.

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[6]钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2010.

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[责任编辑：王兴库]

SafetyDistanceofMiningFacesinClosedExtremely-thickCoal-seam

WANG Pu, QU Hua, XU Bin, WU Quan-lin, ZHANG Pei-peng

(Key Laboratory of Mine Disaster Prevention & Control, Shandong University of Science & Technology,Taian 271002 , China)

Under the condition of closed extremely-thick coalseams, safety distance of mining faces calculated by experience analogy method was small.Applying UDEC2Dsoftware and theoretical analysis, safety distance of mining faces was researched on the basis of 2nd Coal and 3rd Coal condition.Result showed that there were obvious difference in stress distribution and surrounding rock movement characteristic under different safety distances.When the distance was larger than 50m, mutual influence was small.Therefore, safety distance was designed as 60m.

closed distance; lower extremely-thick coalseam; faces distance; stress distribution; surrounding rock movement

2013-12-02

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.009

王 普(1990-)，男，山东单县人，在读硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究。

王 普，曲 华，许 斌，等.近距离下部特厚煤层工作面安全错距研究[J].煤矿开采，2014，19(4)：31-34.

TD822.1

A

1006-6225(2014)04-0031-04