近距离煤层同采工作面合理错距确定

曹 健

(西安科技大学能源学院，陕西西安 710054)

0 引言

近距离煤层同采是加快开采近距离煤层速度的重要手段。为减小煤层间开采的相互影响，两工作面往往要错开一定的距离:若错距太大，则下层煤开采受上煤层动压持续时间长，巷道维护时间增加;若错距太小，下层煤开采引起的岩层移动会影响上层工作面的稳定性［1］。可见，同采工作面错距的确定十分重要。

沙曲矿一水平开拓的2、3+4号煤层间距较近，其中2号煤厚度平均为1.1 m，3+4号重叠煤层合并厚度平均4.62 m，两煤层间距平均为14 m，且倾角均为近水平。2、3+4号煤同采时合理错距的确定对该矿的安全快速生产有重要的意义。

1 理论计算确定合理错距

煤层群开采同采面错距的确定目前存在两种理论:一是稳压区理论，二是减压区理论［2］。

1.1 根据稳压区理论计算

该理论认为下煤层应在上煤层开采冒落稳定后再进行回采。采场前后方应力分布如图1。其中a为原岩应力区，b为前支撑压力区，c为减压区，d为后支撑压力区，e为稳压区。根据稳压区理论下煤层工作面应布置在区域e［3］。

图1 采场前后方应力分布示意图

要注意的是，该理论既要使3+4号煤工作面不受2号煤开采动压的影响，同时3+4号煤开采引起的岩层移动又要避免传递到2号煤工作面，因而求的是最小值，计算模型如图2［4］。

图2 稳压区同采合理错距示意图

式中:

M——煤层间距，平均取14 m;

δ——岩石移动角，45°～55°，取 55°;

L——上煤工作面顶板冒落基本稳定及推进速度不均衡的安全距离，取20～25 m;

B——2号煤最大控顶距，取4.4 m。

说明采用稳压区理论，两工作面错距应不小于39.2 m～44.2 m。

1.2 根据减压区理论计算

1.2.1 减压区最小错距的计算

上煤层开采后岩块间相互挤压形成“砌体梁”结构平衡，若3+4号煤工作面布置在此结构的减压区内，可以避免上覆岩层垮落带来的影响，矿压显现较为缓和［5］，有利于3+4号煤的开采。减压区即为图1中的c区。减压区最小错距计算模型如图 3［6］。

图3 减压区最小错距示意图

减压区最小错距为:

式中:

M——煤层间距，平均取14 m;

δ——岩石移动角，45°～55°，取55°;

L1——煤壁塑性破坏宽度，取L=2 m;

B——2号煤最大控顶距，取4.4 m。

即根据减压区理论，两工作面最小错距应不小于16.2 m。

1.2.2 减压区最大错距的计算

最大错距计算依据的是2号煤工作面应避免处在3+4号煤开采引起的动压范围内。则将由公式(1)计算所得的稳压区错距减去1～1.5个周期来压步距就可得到减压区最大错距值。

减压区最大错距为:

式中:

Xmin——稳压区合理错距，为 39.2 m ～44.2 m;

S周期——2号煤周期来压步距，取10 m。

即根据减压区理论，两工作面最大错距为24.2 m～34.2 m。综合最小和最大错距的计算，3+4号煤布置在2号煤减压区范围内的合理错距为16.2 m～34.2 m。

1.3 可行性理论分析

用塑性滑移理论计算底板破坏深度［7，8］:

式中:

xa——煤层塑性区宽度，取3.59 m;

φ0——2 号煤底板岩层内摩擦角，取36°。

解算可得:

故2号煤开采后对底板的破坏深度为4.12m，而2号煤与3+4号煤的间距为14 m，所以3+4号煤工作面布置在2号煤减压区内，顶板相对稳定，且受到上煤层开采的影响时间较短，有利于下煤层的回采。

若3+4号煤布置在2号煤稳压区内，由于两工作面错距为39.2 m～44.2 m，下煤层受上煤层开采动压影响时间长，巷道维护相对困难，不利于3+4号煤的开采。

2 数值模拟分析

上述理论计算分析可知，根据稳压区理论确定的合理错距为39.2 m～44.2 m，而减压区理论确定的合理错距为16.2 m～34.2 m。下面运用数值模拟软件对稳压区理论和减压区理论确定的错距可行性进行分析研究。

2.1 建立模型

根据该矿同采煤层埋藏特征和地质概况，模型长200 m，宽200 m，高48 m，走向为长度方向，倾向为宽度方向。在走向和倾向方向平均分为50个块，高度方向根据距煤层由远及近按由疏到密排列。建立的数值模拟模型如图4。

图4 数值模拟建模

考虑埋深，将未模拟的岩层重量作为垂直荷载施加到模型上部［9］，取 13.31 MPa。模型位移边界条件为:①模型前、后和左、右边界施加水平方向约束;②模型底部边界固定;③模型上部为自由边界。分别模拟2号煤和3+4号煤工作面错距为16.2 m，25.2 m，34.2 m，43.2 m 情况下的采场围岩应力分布情况。

2.2 不同错距数值模拟分析

当工作面错距分别为 16.2 m、25.2 m、34.2 m、43.2 m 时［10］，围岩应力分布如图5～ 图8所示。

图5 错距43.2 m时应力图

图6 错距34.2 m时应力图

图7 错距25.2 m时应力图

图8 错距16.2 m时应力图

如图5所示，2号煤与3+4号煤错距为43.2 m时，2号煤采空区后方应力增高区由于受到3+4号煤超前支承压力的影响范围变大，两区域连在一起，3+4号煤工作面超前支承压力最大达29.69 MPa。

如图6所示，2号煤与3+4号煤错距为34.2 m时，2号煤采空区后方应力增高区范围较错距为43.2m时有所减小，3+4号煤工作面超前支承压力最大达29.70 MPa。

如图7所示，2号煤与3+4号煤错距为25.2 m时，下工作面处于上煤层开采形成的减压区内，2号煤采空区后方应力最大值和3+4号煤超前支承压力范围都有所减小［11］。

如图8所示，2号煤与3+4号煤错距为16.2 m时，2号煤采空区后方应力增高区基本消失，3+4号煤超前支承压力范围较小，且峰值较低，为 26.53 MPa。

由以上观察分析可知，当两煤工作面错距为16.2 m时，超前应力范围较小，峰值较低，顶板相对容易控制［12］;且与布置在稳压区相比，受上煤层开采动压的时间较短，是较合理的错距选择。

3 结论

1)分别用稳压区理论和减压区理论进行计算，该矿2号煤层与3+4号煤层的工作面合理错距分别为39.2 m～44.2 m和16.2 m～34.2 m。

2)通过理论计算对两种理论的可行性进行评估，可知该矿3+4号煤工作面布置在2号煤减压区内顶板相对易于控制。

3)通过数值模拟分析，当错距为16.2 m时，3+4号煤超前应力范围和峰值都较小，从而验证了理论分析。

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