近距离煤层同采工作面合理错距研究

温　磊

(同煤集团金庄煤业有限责任公司)



近距离煤层同采工作面合理错距研究

温磊

(同煤集团金庄煤业有限责任公司)

摘要近距离煤层同时开采时，下部煤层及围岩多次受到影响，表现出区别于单一煤层开采的特殊矿山压力及显现规律。通过分析2#煤层开采时底板破坏特征，理论计算得出工作面错距为50 m；运用FLAC3D数值模拟手段，分析了201与301工作面在7种不同错距下的围岩变形及应力分布情况，验证了理论错距值的合理性；通过相似材料模拟研究，分析了201与301工作面在同时开采时围岩运动规律。现场观测表明，50 m同采错距实施效果良好，满足矿井安全高效的生产要求。

关键词煤层同采合理错距FLAC3D

对于近距离煤层同时开采，合理的错距可有效地减小及规避工作面同时开采时的相互影响，降低应力集中，减少动力冲击，从而实现安全高效生产[1-2]。曹树刚等通过理论计算得出减压区布置方式下的错距值，分析减压区开采时合理的层间距离以及影响下层工作面顶板漏垮型冒顶的因素[3]；马全礼等研究了近距离煤层同时开采情况下利用减压区和稳压区布置上、下煤层工作面的理论[4]；同时相似模拟也成为研究合理错距的有效手段[5-6]。但是，近距离煤层同采期间层间岩层破坏特征及应力分布规律不清晰。上、下煤层同采相互影响大，尤其下层煤易发生冒顶、片帮，存在安全隐患。而且大多数只单一考虑上层煤开采对下层煤的影响，忽略了下层开采的影响。所以，近距离同采煤层在相互影响下的合理错距需要运用多种不同方法来确定。

1工程地质条件

根据301工作面进风顺槽、回风顺槽和切眼揭露的煤层情况可知，煤层厚度和煤质变化很小，属稳定型，煤层厚度为1.7～22 m，平均厚1.95 m，不含夹矸，煤层倾角为3°～ 17°，平均为10°，所采煤层为3#煤，煤层层理为全区发育，煤种属焦煤，在断层附近有压薄或增厚现象。老顶为中粒砂岩或粉砂岩，厚2.66 m，质硬，钙质胶结，裂隙发育，方解石脉充填；直接顶为泥岩、粉砂岩，厚2.66 m，局部泥岩厚约2.1 m，属较软岩；底板为泥岩、粉砂岩，厚3.08 m，属较软岩。

本工作面为一单斜构造，煤岩倾角为2°～17°，3101进风顺槽在356 m处揭露一处断层，为正断层，落差为3 m。

2理论错距计算模型

根据土力学相关理论，将工作面底板平衡区分为3个区域，如图1所示，Ⅰ为主动应力区，Ⅱ为过渡区,Ⅲ为被动应力区。该理论主要是考虑上层煤的底板破坏不至于波及到下层煤，其中底板破坏最大深度和上煤层采空区垮落岩石的移动角是影响错距大小的主要因素。

图1　底板平衡区理论错距计算模型

考虑上层煤底板破坏对下层煤产生影响的错距按式(1)计算：

(1)

式中，M为上煤层工作面采高，m；φ为内摩擦角，(°)；f为层面间的摩擦因数；k为应力集中系数；γ为上覆岩层平均容重，kN/m3；H为煤层埋深，m；C为煤体黏聚力；δ为岩石移动角，坚硬岩层取60°～70°，软弱岩层取45°～55°；ε为三轴应力系数。

按稳压区理论计算(图2)，考虑岩石移动影响，可参考错距经验计算式：

(2)

式中，L为考虑上层工作面顶板岩层稳定及上、下工作面推进速度不平衡的安全距离，一般不低于20～25 m；b为上部煤层工作面的最大控顶距，m。

图2　稳压区理论错距计算模型

该经验公式是将下层煤工作面置于上层煤开采后形成的稳压区内，以避免上层煤开采对下层煤造成的动压影响。

3合理错距数值计算

由于支承压力影响而形成破坏深度D(图3)。理论计算式为

(3)

(4)

式中，D为破坏深度，m；r0为过渡区边界最小螺线半径，m；α为r与r0的夹角，(°);θ为塑性滑移线与水平线夹角，(°)；L′为工作面前方煤壁塑性区宽度，m；φf为底板岩体内摩擦角，38°。

图3　支承压力下底板破坏示意

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，a0为最大破坏深度位置距煤壁的距离，m；a1为采空区下底板最大破坏深度的位置与破坏边界的距离，m；M为2#煤采高,0.86 m；γ为采场上覆岩层的平均容重，24 kN/m3；H为埋深，530 m；φ为煤层内摩擦角，35°。

计算得出塑性区宽度L′=3.97 m；最大破坏深度的位置距煤壁的距离a0=7.71 m，塑性区边界距离a1=40.68 m。综上所述，底板扰动破坏的水平距离为a0与a1之和，48.39 m，煤底板破坏带理论计算结果见图4。

图4　2# 煤底板破坏带理论计算结果

4数值模拟分析

4.1数值模型的建立

模型尺寸为长(Y方向)200 m，宽(X方向)60 m，高(Z方向)65 m。模型只取到2#煤上方2层顶板，3#煤下方2层底板，加上2层煤中间的3层岩层，其中3#煤平均厚1.95 m，模型中采用2 m，其直接底为2 m厚泥岩；下面是9 m厚细砂岩；3#煤直接顶是3 m厚泥岩，老顶是8 m厚粉砂岩，向上是2 m厚泥岩(该层泥岩同时是2#煤的直接底)，然后向上是0.86 m厚的2#煤，模型中采用1 m；2#煤与3#煤的平均间距为13 m(属近距离煤层)，2#煤直接顶是2 m厚泥岩(属软岩)，上面是30 m厚的老顶；为了兼顾模拟效果与运算速率，因为老顶和老底较厚，所以网格划分较大，其中老顶厚30 m，网格划分为1 m×1 m×5 m；老底厚16 m，网格划分为1 m×1 m×3 m；其余煤岩层网格均划分为1 m×1 m×1 m。模型共118 400个网格,总厚65 m，模型上部边界施加均布载荷以代替上覆岩层重量，其余5个边界面固定以位移约束。

前后边界只约束y方向的位移，不约束z方向的位移；左右边界只约束x方向的位移，不约束z方向的位移。即前后左右均为单约束。

下部边界为全约束条件，在x、y、z方向均不允许有位移。上部边界施加应力约束，施加垂直作用力11.8MPa,μ取0.6，侧压系数取为1.5，因此，水平方向所施加的载荷取18.6 MPa。

4.2数值模拟结果分析

为了模拟现实的采空区，2#煤首先开挖，待运算平衡之后重新赋参充填，模拟顶板垮落后载荷的传递以及下部工作面所处的应力环境，然后进行2#与3#煤的同时开挖，分别模拟201与301工作面在60，50，40，30，20，10和0 m错距下的同采情况，垂直应力见表1。

表1　301工作面前方监测点垂直应力

由表1可知，当错距为60 m时，距工作面前方35 m处应力值为0.73×107Pa，因为距工作面足够远，此处可以视为只受2#煤采动而未受3#煤采动影响的应力，由模型施加的原岩应力为1.18×107Pa，可知2#煤的开采造成的底板扰动使得3#煤中的应力重新分布，层间岩层受到第一次扰动；距工作面前方25 m处应力值为0.77×107Pa，15 m处为0.85×107Pa，5 m处为1.00×107Pa，距离301工作面煤壁由远及近应力逐渐增大，可见301工作面的回采造成了工作面前方超前支承压力，使得3#煤中的应力再次重新分布，301工作面前方的应力峰值点随着工作面的推进不断向前发展，使得其顶板受到二次扰动。

当错距在30～60 m时，3#煤工作面前方煤体各点的应力几乎没有发生变化，说明这个范围处在2#煤开采形成的稳压区内，由于稳压区内的冒落矸石完全压实，顶板运动趋于稳定，且远离工作面，所以应力分布也趋于稳定，不再受到2#煤工作面的采动影响。将3#煤工作面布置在此区，可以有效地降低采动应力，减少同采对工作面造成的影响。

当错距为20 m时，301工作面前方0～25 m煤体的应力急剧下降，说明这个范围处在2#煤开采形成的减压区内，在这个区域内的煤岩体应力相对较小，利于采场顶板的维护，从矿压的角度考虑，将3#煤工作面布置在此范围内是合理的。但是工作面错距布置同时受很多因素影响，比如还应考虑2#煤底板的破坏情况，考虑3#煤工作面前方塑性破坏区，避免3#煤开采对2#煤工作面造成大的扰动，从而影响其正常回采。

2#煤顶板最大下沉位移统计见表2。可以看出，随着错距由大到小的变化，3#煤开挖空间不断增大，导致2#煤顶板下沉量也逐渐增大，这表明3#煤的开挖会使2#煤围岩应力重新分布，使得2#煤顶板产生二次破坏，使2#煤的上三带区域逐渐扩大。当错距为60 m时，2#煤顶板最大下沉量仅为85 mm；当错距减小到50 m时，最大下沉量急剧增加到101 mm，说明50 m错距已对2#煤顶板移动产生较大影响；错距逐渐减少到0 m，最大下沉量也逐渐增大。数值模拟结果表明，201与301工作面保持50 m错距是合理的。

表2　2#煤顶板最大下沉位移统计

5相似模拟试验

当2#煤初次来压之后，开挖3#煤，为了验证理论计算得出的50 m错距的安全性，3#煤开挖点在2#煤工作面后方50 m处，并且始终保持50 m的错距同时开挖。由相似材料模拟试验观察到的矿山压力显现情况可知，2#煤初次来压步距为40 m，周期来压步距为15 m左右；3#煤初次来压步距为50 m，周期来压步距为10 m左右。通过顶板垮落情况可以发现，3#与2#煤之间的岩层未完全破坏，完整性很好，也就是说2#煤开采导致的底板破坏没有波及到3#煤，3#煤的开采也只是增大了2#煤上覆岩层移动的范围，具体对其工作面没有造成很大的干扰，同时工作面矿压显现微弱，采场覆岩稳定，由试验测得50 m错距是2#与3#煤同采合理的错距。

6现场实测

对301工作面进行2个月的矿压观测，在201与301工作面保持50 m错距回采期间，测区1液压支架支护阻力为2 034.54 kN，占额定工作阻力的67.82%；测区2液压支架平均支护阻力为2 316.26 kN，占额定工作阻力的71.21%；测区3液压支架平均支护阻力为2 293.34 kN，占额定工作阻力的76.44%;显然工作面支架阻力仍然有很大的富余，因此,50 m错距下原有的工作面液压支架完全满足支护需求。

7结论

(1)近距离煤层群上、下工作面同时回采，合理错距和煤层厚度、煤体强度、顶底板岩层性质以及开采强度等多种因素有关。

(2)由于支承压力的作用，其前方3.97 m范围内为塑性破坏区，该区域范围内煤层承载能力已大幅下降，而且处于极不稳定的状态。底板扰动破坏的水平距离为48.39 m，且最大破坏深度的位置位于距工作面煤壁7.71 m处。

(3)通过相似模拟试验，工作面保持50 m错距同采时矿压显现比较缓和，顶底板及两帮移近量不大，完全达到安全高效生产的要求。

(4)通过现场实测分析了50 m同采错距的效果，工作面支架阻力仍然有着很大的富余，完全满足支护需求。

参考文献

[1]黄旭.辛置煤矿近距离煤层开采方案研究[D].阜新：辽宁工程技术大学,2013.

[2]钱鸣高,缪协兴.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报,1996(3):225-230.

[3]曹树刚,邹德均,白燕杰，等.近距离“三软”薄煤层群回采巷道围岩控制[J].采矿与安全工程学报,2012,28(4):524-529.

[4]马全礼,耿献文,童培国，等.近距离煤层同采工作面合理错距研究[J].煤炭工程,2006(3):11-13.

[5]邓雪杰,殷伟,张强,等.近距离煤层下行开釆矿压显现规律相似模拟研究[J].煤矿开采,2011,16(3):124-127.

[6]于辉,牛智勇,郝才成，等.巷道支护方式对顶板稳定性影响的相似模拟实验研究[J].煤炭技术,2014，33(4):127-129.

(收稿日期2016-02-04)

温磊(1985—),男，助理工程师，硕士，037000 山西省大同市。