极近距离下位煤层开切眼合理位置探讨

潘瑞峰

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西 方山 033100）

1 工程概况

木瓜煤矿10#煤层埋深约200 m，为均厚2.95 m的近水平煤层，无伪顶，直接顶泥岩的单轴抗压强度为43 MPa、厚度为1.1 m，直接底泥岩的单轴抗压强度为33 MPa、厚度为0.8 m，老顶砂质泥岩的单轴抗压强度为37 MPa、厚度为1.4 m，老底石灰岩的单轴抗压强度为51 MPa、厚度为2.84 m。10-102工作面位于一采区准备巷道左翼，其上方为9#煤层9-104、9-106采空区，与本煤层工作面的平均层间距仅为4.5 m，巷道位置关系见图1。由于9#煤层采空区与待开采的10#煤层间距极近，上煤层采空区充分垮落后造成的应力的重新分布会使其底板破坏，从而影响下煤层巷道的掘进及回采，因此需要将10-102工作面切眼布置在合理位置来降低上层煤采空区对本煤层回采的影响。

图1 巷道位置关系

2 上层煤采空区底板破坏情况分析

2.1 应力分布规律分析

充分垮落是指工作面回采结束后，煤层覆岩冒落的岩石与矸石逐渐垮落稳定、压实，对未冒落的覆岩形成有效支撑。大量理论分析和现场数据［2］表明：综采工作面前方距煤壁约2～3.5倍采高的距离处会出现受采动影响形成的超前峰值支承压力；工作面方向上会在距煤壁15～20 m处出现侧向峰值支承压力，因此相邻采空区所形成的侧向支承压力会在某一区域叠加，叠加后可产生的应力约为5～7倍的原岩应力。

煤壁极限平衡区边缘至内部支承压力由零增长至极值，又从极限平衡区内部至弹性区深处逐渐递减至原岩应力，支撑压力集度q1p由式（1）计算得到：

式中：k为应力集中系数，取2.6；γ为覆岩体积力，取0.025 MN/m3；L1为受支撑压力影响范围至煤壁距离，取25 m；H为埋深，取20 m；L2为极限平衡区宽度。

L为煤壁所产生的塑性区宽度［3］，见式（2）：

式中：λ为侧压系数，取1.2；φ1为煤层界面内摩擦角，取12°；c1为煤层界面内聚力，取0.2 MPa；Px为支护阻力，取0；M为回采煤层厚度，取3.5 m。

上煤层工作面采空后，冒落的矸石随覆岩活动稳定而被压实，此时应力作用在底板上的载荷集度qcp，见式（3）：

通过计算得到上层煤采空区煤壁的支撑压力集度q1p=0.9×104kN/m2，应力作用在上层煤采空区底板上的载荷集度为qcp=3×104kN/m2，说明上层煤回采过后残留煤柱仍具备一定承载能力，但作用于底板的应力使其承受着接近底板泥岩单轴抗压强度的支承压力，会造成底板泥岩的破坏。

2.2 底板破坏深度计算

当煤层底板的极限承载强度小于叠加应力作用产生的力时，底板一定范围内的岩层会鼓起，进入塑性状态，这一部分底板岩层会由于持续应力作用而形成连续的向后方采空区移动的滑移面，见图2。当采空区下较近距离内有下层煤工作面时，上煤层叠加的应力可能会影响下煤层工作面的应力分布。

图2 受支承压力影响底板应力分布

图2中r0为ab的长度，D为底板破坏深度，底板泥岩内摩擦角为φ，α为r与r0夹角，根据图2可以计算出底板破坏深度，其中r0=，联立上述方程式即可求得上层煤回采导致底板产生破坏的最大深度Dmax，见式（4）：

可以计算出上层煤9#煤回采导致底板产生破坏的最大深度Dmax为5.6 m，破坏深度大于9#煤与10#煤的煤层间距，因此需要对下煤层开切眼位置与上煤层煤柱的相对位置关系进行分析，以期将切眼布置在上煤层煤柱影响下的低应力区［1］，避免上煤层采空区对下煤层工作面切眼造成巨大扰动。

3 切眼与上层煤柱合理错距分析

3.1 理论计算

由上分析可知，上煤层9#工作面充分垮落后，冒落的矸石与覆岩将影响其顶板的应力分布，结合应力传递影响范围与上文计算得到的上层煤回采导致底板产生破坏的最大深度，考虑到下煤层巷道布置的现场情况与安全系数，将应力传播影响角确定为30°。合理错距由由式（5）［4］计算得到：

式中：ψ为应力传播影响角，取30°；H2为10#煤层的平均厚度，取2.95 m；H1为上下两层煤的平均层间距，取4.5 m。计算得到10#煤层10-102工作面切眼与上层煤煤柱的合理错距为3.7 m，即将10-102工作面切眼布置在上层煤煤柱影响范围3.7 m外时，切眼受遗留煤柱影响较小。

3.2 数值模拟

通过Flac3D软件结合木瓜煤矿9#煤层9-104工作面与10#煤层10-102工作面的相对位置关系及围岩力学参数，忽略岩层倾角影响，长度方向上取9#煤层煤柱宽度20 m，并取其两侧各50 m，建立长125 m、宽30 m、高60 m的模型并固定边界位移来研究10-102工作面切眼与上煤层9-104工作面遗留煤柱错距为0 m、4 m、8 m、12 m时切眼受遗留煤柱影响的围岩变形及塑性区分布情况，得到受遗留煤柱影响下层煤切眼布置时的最佳错距。

10-102工作面切眼与上层煤遗留煤柱不同错距下切眼内塑性区分布情况，见图3。

图3 切眼不同位置塑性区分布情况

由图3可以得出，10-102工作面切眼与上层煤遗留煤柱的错距为0 m时，整体看围岩较大范围进入塑性状态，其中切眼左帮只有小部分进入塑性状态，明显小于右帮进入塑性区的范围，右帮只受剪切破坏，底板只受拉破坏，顶板与左帮同时受拉破坏与剪破坏，表明切眼在遗留煤柱应力集中影响范围内；10-102工作面切眼与上层煤遗留煤柱的错距为4 m时，切眼内塑性区范围较图3（a）明显减少，并且顶板只有较小范围出现二次破坏现象，表明此时切眼受遗留煤柱影响较小；10-102工作面切眼与上层煤遗留煤柱的错距为8 m及12 m时，顶板与巷帮塑性区范围较大，且错距12 m时塑性区大于8 m的塑性区范围，这是由于切眼距遗留煤柱较远时，上层煤采空区充分压实，应力较大，受到切眼开挖的扰动，便会发生较大的破坏。因此10-102工作面切眼与上层煤遗留煤柱的错距为4 m时，可使其围岩承受较低的应力。

10-102工作面切眼与上层煤遗留煤柱不同错距时切眼围岩变形情况，见图4。

图4 切眼与煤柱不同错距围岩变形曲线

上述数据表明，10-102工作面切眼布置在与上层煤遗留煤柱一定错距范围内的围岩变形量小于将切眼布置在遗留煤柱正下方的围岩变形量，但是距离遗留煤柱的距离越远，切眼开挖扰动影响造成围岩变形量越大，切眼布置在与遗留煤柱下方错距为4 m处时，切眼围岩变形量最小，围岩较稳定。因此，10-102 工作面切眼布置位置应错开上层煤9-104工作面遗留煤柱4 m，可以将切眼受上层煤影响的程度降到最低。

3.3 现场验证

井下现场对10-102工作面切眼进行跟踪，从开挖至稳定，并没有出现煤壁片帮、冒顶等情况，说明切眼与上层煤遗留煤柱4 m的错距较为合理，使切眼位于遗留煤柱影响下的低应力区内。切眼掘进后对其围岩变形量进行为期30天的监测，发现围岩移近速率随时间的增加而减小，切眼两帮及顶底板移近量均控制在允许范围，分别为108 mm和97 mm。围岩状况良好，能满足综采设备安装要求。

4 结语

本文通过对上层煤采空区充分垮落后的应力分布规律进行分析探讨，得出木瓜煤矿上层煤9#煤回采将会产生大于4.5 m层间距的底板破坏深度，将对下层煤10-102工作面切眼掘进造成影响。为了将10-102切眼布置在上煤层遗留煤柱影响下的低应力区内，运用理论计算和数值模拟的方法确定出10-102工作面切眼布置位置错开上层煤9-104工作面遗留煤柱4 m时，可以将切眼受上层煤影响的程度降到最低。现场下层煤切眼掘进稳定后，围岩变形控制在有效范围内，围岩状况良好，满足综采设备安装要求，说明4 m的遗留煤柱错距较为合理。