近距离煤层同采工作面合理布置方式及错距研究

姚鹏飞

目前在许多矿区，均赋存有近距离煤层或煤层群。近距离煤层间距较小，其中一层或多层煤的开采对相邻煤层影响较大。在相邻煤层工作面回采过程中，容易出现剧烈矿压显现情况，巷道稳定性差。为了减弱近距离煤层同采时的矿压显现情况，选择合理的工作面位置具有重要的意义。研究人员对近距离煤层开采进行了大量的研究，在工作面布置方法、巷道支护措施等方面获得了许多的研究成果。近距离煤层多采用下行开采方式，上、下工作面需错开一定距离，保证下层煤巷道围岩处于低应力水平，有利于工作面的回采，但由于煤层条件不同，所需合理错距也有着较大差异。本文以山西某矿地质条件为基础，对近距离煤层同采工作面的布置方式及合理错距进行了研究，研究结果可为其他相似条件矿区提供一定的指导作用。

1 矿井概况

山西某矿开采煤层分别为9号、10号煤层，9号煤层平均厚度1.2m，倾斜角度为4°，10号煤层平均厚度为4.3m，倾斜角度为6°，两煤层间距平均为5.4m，层间岩层岩性主要为砂质泥岩为主。9号位于10号煤层上方，埋深平均为300m。9号煤层与10号煤层工作面采用同采开采方式，由于两层煤层间距较小，上层9号煤的开采必定会在顶板局部形成应力集中效应，导致下层煤开采应力水平过大，因此下层10号煤工作面布置需避开高应力区。

2 上层煤开采对底板的破坏分析

近距离煤层多采用下行开采方式，这是因为工作面开采对顶板的破坏程度要大于对底板的破坏程度。上层煤开采过后，会在周围岩体产生支承压力，当压力大于底板岩体的承载能力时，岩体将发生破坏，形成塑性破坏区。图1为工作面开采后底板的破坏分析模型图。

9号煤层工作面采高为1.2m，工作面开采在底板的应力集中系数取为2.9，煤层内摩擦角为27°，埋深平均为300m，容重取为24kN/m3，将各参数带入上述公式中，可以得到工作面对底板的塑性区破坏长度为3.9m，在底板的最大破坏深度为9.1m，对煤壁处底板的水平破坏长度为7.5m，采空区后方的破坏长度为25.6m。从结果可以看出，由于9号煤层与10号煤层间距平均为5.4m，9号煤层开采对底板的破坏深度大于层间距，因此9号煤开采会对10号煤层产生影响，底板的破坏长度最大为33.1m。

3上、下层煤同采工作面布置方式及错距研究

一般对于近距离煤层同采工作面的布置有两种方法，包括稳压区布置方法与减压区布置方法。

3.1稳压区工作面布置错距计算

图2为上、下组煤层稳压区布置模型图。在上层煤开采完毕后，工作面采空区由于直接顶岩层的垮落充填采空区，基本顶岩层弯曲下沉对采空区矸石形成载荷从而压实采空区，当顶板结构稳定后，采空区区域会形成压力比较稳定的稳压区。

3.2减压区工作面布置错距计算

根据砌体梁理论，上层煤开采完毕后，在工作面煤壁位置顶板岩层弯曲回转会形成三角拱结构，在该结构区域中围岩应力处于降低趋势。若将下层煤工作面布置在减压区下，此时下层煤与上层煤工作面错距的计算公式为：

根据对9号煤层工作面的矿压观测结果，工作面周期来压步距平均为14m，工作面煤壁屈服破坏宽度平均为2m，因此采用减压区布置方法，上、下煤层工作面的错距在10.5～19.5m范围内。

3.3工作面布置方式对下层煤影响分析

由于9号煤层工作面与10煤层属于近距离煤层同采开采方式，若采用减压区布置方式，此时上层9号煤的开采对底板岩层产生强烈的破坏作用，在10号煤层同时回采过程中，顶板岩层运动强度加剧，会对工作面支架产生较大载荷，导致支架压死、失稳等情况出现;若采用稳压区布置方式，由于下层煤工作面布置在上层煤已开采完毕的采空区后方，此时层间岩层以及9号煤层顶板结构基本已处于稳定状态，压力变化较小，能够保证10号煤层工作面稳定回采，因此根据上、下煤层的开采情况，对比两种开采方式的优劣性，确定该矿井9、10号煤层工作面布置采用稳压区布置方式。

4工作面错距布置数值模拟分析

在确定9、10号煤层布置方式后，采用数值模拟软件对不同错距下顶板下沉量进行分析，从而确定合理的错距。工作面错距方案设计5个，错距分别为20m、25m、30m、35m、40m。建立数值模型尺寸长宽高为300m×150m×80m，模型四周及底面设置为固定边界，顶部设为应力边界，通过施加应力代替上覆岩层载荷，施加应力为6.74MPa。图3为数值模型圖，图4为不同错距下煤层顶板下沉量示意图。

从图中可以看出，当上、下煤层工作面错距分别为20m、25m、30m时，随着错距的增大工作面顶板下沉量均处于降低趋势，并且降低速度较大，当错距为35m、40m时，工作面顶板下沉量基本相同，表明此时错距增大对顶板的下沉基本无影响。根据上述结果，综合考虑安全、效益等因素，最终确定上、下工作面错距为35m，此时下层煤工作面顶板下沉量较小。

5结论

5.1对近距离煤层上层煤开采对底板的破坏影响进行了分析，计算得9号煤开采后底板最大破坏深度为9.1m，破坏长度最大为33.1m，上层煤的开采会对下层煤产生影响。

5.2计算了稳压区与减压区两种近距离煤层工作面布置方式的错距大小，并对两种布置方式下的优劣性进行了对比，确定9号煤层与10号煤层工作面布置采用稳压区布置方式，工作面错距应不小于28.5m。

5.3采用数值模拟方法对比分析了20m、25m、30m、35m、40m五种错距下10号煤层工作面开采顶板下沉情况，最终确定上、下工作面错距为35m，此时下层煤工作面顶板下沉量较小，有利于下层煤的回采。

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