近距离煤层联合开采可行性分析

苏仰忠(西山煤电(集团)公司 总调度室，山西 太原 030053)

近距离煤层在我国所占比重很大，很多矿区都有近距煤层开采的问题，如西山矿区、大同矿区、淮南矿区、井陉矿区等。开采近距离煤层一般有3种方法，分别是逐层开采、联合开采和合层开采。其中，逐层开采准备工作量增加，开采成本提高，特别是上煤层较薄时，很难保证矿井产量；合层开采虽然有提高煤炭产量、减少工作面搬家次数等优点，但其开采的可行性受层间岩层影响较大，当层间岩层较厚或强度较高时，就会降低开采效率，提高煤炭含矸率，影响煤质。因此，在我国开采近距离煤层群时，大多仍采用联合开采布置。

1 工程概况

山西焦煤西山煤电杜儿坪矿位于太原市西部，西山煤田东北部，与西铭矿、官地矿相邻。井田长约10 km，宽约6.48 km，面积为69.7 km2，主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，主采煤层有2#、3#、8#、9#煤层，其中8#煤层厚度为1.90～6.06 m，平均3.58 m，9#煤层厚度为1.73～5.05 m，平均3.51 m，9#煤层上距8#煤层0.72～12.82 m，平均为9 m，层间岩层以泥岩和石灰岩为主。

杜儿坪矿下组煤层现主要开采8#煤层，但从长远来看，9#煤层将是矿井将来的主要资源。从研究与现场实践来看，分层开采不但增加了矿井开拓与掘进的工作量，而且会导致9#煤层开采时顶板的管理困难。如8#、9#煤层满足联合开采条件，则能简化生产过程，降低生产成本，提高生产效率。

2 联合开采顶底板破坏范围分析

2.1 覆岩破坏高度分析

根据杜儿坪矿8#、9#煤层顶底板岩性可知，8#煤层的顶底板岩层主要由泥岩、石灰岩、细砂岩等组成。依据传递岩梁理论，单一煤层冒落带高度可由式(1)求得：

(1)

式中：

Hm—冒落高度，m

M—采高，m；

SA—岩梁沉降值，取0.35～0.5；

KA—冒落岩层碎胀系数，取1.3.

对于近距离煤层下煤层的冒落高度分为两种情况，未冒通的情况下，仍可采用式(1)计算下煤层的冒高，但在已冒通的情况下，下煤层冒落高度不但包括层间岩层，还可能影响上煤层的未冒岩层。

对杜儿坪矿8#、9#煤层冒高分别计算，可得：

8#煤层：Hm=5.73～7.52 m

9#煤层：Hm=5.62～7.37 m

可以看出，9#煤层冒落高度小于层间岩层厚度(9 m)，并未冒通上煤层。

2.2 煤层底板破坏深度分析

按照滑移线场理论，支承压力影响形成的底板最大破坏深度Dmax为：

(2)

最大深度的位置(距煤壁)为:

(3)

式中：

φ—底板岩石的内摩擦角，(°)；

L—支承压力的峰值位置，且有：

(4)

L=3.11 m

a0=8.18 m

Dmax=12.59 m

根据计算结果可知，8#煤层底板破坏深度最大为12.59 m，见图1. 8#煤层底板破坏深度大于层间岩层平均厚度。所以9#煤层开挖前，顶板已经受到损伤破坏。因此，9#煤在开采时必须加强顶板的控制管理，制定完善的安全措施。

图1 8#煤层底板破坏范围示意图

3 联合开采合理错距的确定

3.1 理论计算

近距离煤层联合开采时，选择的工作面错距过大，则下煤层受采动影响时间较长，巷道维护难度增大，维护费用增加；选择的工作面错距过小，则上下煤层开采相互影响过大，造成生产的安全隐患。因此，必须根据工作面实际情况，选择合理的同采错距。

目前，选择合理的工作面错距主要有两种方法，一种是减压区理论，另一种是稳压区理论。减压区理论要求同采过程中，上煤层对底板的破坏深度小于层间岩层厚度，通过前面计算，可知这种方法不适合该地质情况，因此，本文将采用稳压区理论对工作面错距进行合理推算。

稳压区理论认为，下煤层应在上煤层顶板冒落塌实，矿压显现逐渐稳定后再开采，理论核心是上下煤层需足够的错距，避免下煤层受到上煤层的动压影响。

根据稳压区理论，要保证8#煤层开采扰动不会传递到9#煤层，需要的最小工作面错距为：

Xmin=Mcotδ+L+B=31.1～36.1 m

(5)

式中：

M—上下煤层层间距，m，取9；

δ—岩层移动角，(°)，取55；

L—两煤层工作面推进速度不均衡或上煤层工作面顶板垮落基本稳定的安全距离，m，一般取20～25；

B—上煤层工作面最大控顶距，m，取4.8.

说明采用稳压区方案，两煤层工作面错距最小应为31.1～36.1 m.

3.2 数值模拟

3.2.1建立模型

根据8#、9#煤层实际地质情况，利用FLAC3D数值模拟软件，建立数值模型，见图2. 通过数值模拟，验证工作面错距是否合理。

图2 数值模型

模型长250 m，宽200 m，高100 m，根据理论计算结果，将模拟错距分别为20 m、25 m、30 m和35 m 4种方案下同采工作面矿压显现规律。

3.2.2模拟结果分析

不同错距下工作面垂直应力云图见图3，不同错距下8#、9#煤层工作面前方支承压力峰值折线图见图4. 分析图3，图4可知，错距为20 m时，上下煤层开采相互影响，8#、9#煤层工作面前方支承压力峰值最大；随错距增加，支承压力峰值逐渐减小，错距在35 m时，支承压力峰值降至最小，且在错距为25～35 m，支承压力变化幅度很小。

因此，结合理论计算结果，初步确定联合开采工作面合理错距应为30～35 m.

4 结 论

通过理论分析和数值模拟，对西山煤电杜儿坪矿8#、9#煤层联合开采可行性进行研究，结果表明：

1) 8#煤层冒落高度为5.73～7.52 m，9#煤层冒落高度为5.62～7.37 m. 下煤层开采时并未冒通层间岩层。

2) 8#煤层底板破坏深度为12.59 m，大于上下煤层间距，说明9#煤层开采前顶板就已经受到损伤破坏。

图3 不同错距下垂直应力云图

图4 支承压力峰值与错距关系曲线图

3) 通过稳压区理论和数值模拟验证，认为在工作面错距为30～35 m时，可以有效减少上下煤层开采的相互扰动。

综合本文研究与相邻矿井官地矿8#、9#煤层联合开采的成功经验，认为在制定完善的安全措施后，杜儿坪矿8#、9#煤层联合开采是具有可行性的。

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