极近距离煤层群多工作面协调开采规划研究

张浩春

(山西省晋神能源有限公司，山西 忻州 036500)

煤矿是一个复杂巨系统，在多目标限定的情境下常常需要实现协调开采。国内外学者在煤层的协调开采领域开展了大量的工作，主要有：煤与共伴生资源[1]、井下“采选充”协调开采[2，3]，以及日益重视的资源与环境协调开采研究[4]。然而，许多西部矿井属于浅埋煤层群赋存条件，多煤层间受煤质、煤厚、老空区等因素的影响需要进行煤层群协调开采。

在煤层群协调开采方面，杨振乾[5]评价了煤层群非常规保护层工作面卸压增透效果，实现了被保护层与保护层工作面间的协调开采，纪欣卓[6]优化了采选充一体化矿井的采充协调配采方案。在浅埋煤层群协调开采矿压规律研究方面，近距离煤层重复采动条件下，郝相应等[7]通过分析覆岩特征和来压情况实现了支架合理选型，陆少帅等[8]通过实测和相似模拟确定了重复采动的垮采比和岩层移动角量参数。黄庆享等[9-11]对浅埋煤层群重复采动的覆岩裂隙、岩层移动和矿压分布特征进行了大量的研究，对于工作面布置、煤柱留设和采动损伤控制提出了有效的模型和措施。张村等[12-14]获得了重复采动的应力路径 “破裂弹”煤岩样的破碎压实特征。然而，对于浅埋煤层群工作面间复杂空间分布和多变的开采参数条件下协调开采及过程中涉及的矿压研究，以及煤层群多工作面间的协调开采规划研究还相对缺乏。本文以山西晋神沙坪煤业有限公司沙坪煤矿为工程背景，针对多工作面协调开采规划面临复杂生产地质条件下矿压和岩层移动特征分析困难的问题，通过理论分析协调开采难点，建立盘区尺度的数值模型，分析关键工作面的接续时机，确定盘区工作面时空协调开采顺序，指导工作面规划和采掘计划的科学制定。

1 工程概况

沙坪煤矿地质勘探表明共有5层可采煤层，即9#—13#煤层，其中，9#和10#煤层稳定可采，平均煤厚分别为4.0 m和2.0 m，适宜采用综采；11#和12#煤层平均厚度约1.0 m，且赋存极不稳定，区域内布置工作面困难；13#煤层为特厚煤层，全矿井稳定可采，一盘区内平均煤厚13.0 m，二盘区内平均煤厚18.0 m，采用放顶煤工艺生产。由于一盘区内中上组煤受小窑开采破坏，老空区复杂分布，仅布置13101～13104，共计4个综放面，二盘区内涉及多煤层工作面之间的协调开采，13#煤层工作面分布情况如图1所示。

图1 13#煤层工作面分布情况

根据《煤矿安全规程》[15]，需要在既定的大巷布置和盘区划分条件下，既保障矿井产量稳定和生产效益均衡，又需要避免同时生产工作面数量过多造成采掘紧张、管理困难和采动叠加引发的强矿压显现。经过初步设计，将矿井9#-12#中组煤层与下部13#特厚煤层进行配采，实现煤层群协调开采。二盘区工作面空间分布如图2所示。

图2 二盘区工作面空间分布垂直剖面(m)

2 近距离煤层群协调开采中存在的问题

沙坪煤矿一盘区内仅有13101、13102、13103和13104工作面，综放工作面接替顺序为13103→13102→13101→13104→13204→13203→13202→13201，综采工作面接替顺序为：9204→9203→9202→9201→10203→10202→10201。

1)9204工作面双巷掘进生产后矿方考虑到区段煤柱在开采后将产生许多问题[16]：区段煤柱浪费了大量的煤炭资源，影响采区采出率；遗留的区段煤柱对于近距离煤层群重复采动而言，将形成应力集中等致灾隐患；双巷掘进巷道掘进率高，不利于缓解采掘紧张。为避免这一问题，采用高水充填沿空留巷取消了区段煤柱[17，18]，实现中组煤无煤柱开采。13#煤采用6m小煤柱沿空掘巷，盘区间留设了50 m的安全煤柱。

2)根据沙坪煤矿工作面规划图，二盘区内9201与13103，10201与13104工作面可能存在空间压覆关系，应进一步研究判断是否需要对初期确定的工作面接续顺序进行优化和调整。

3 二盘区工作面协调开采数值建模

由于二盘区工作面布置方式和参数均有变化，传统的理论分析难以直观判断工作面间的开采扰动，而数值模拟方法对于地下工程复杂的空间布局优化具有显著的优势[19]。根据二盘区地质探测结果，建立了二盘区工作面协调开采的FLAC3D数值模型，如图3所示。模型尺寸为1300 m×100 m×94 m(X×Y×Z)，初始采用摩尔库伦本构模型，工作面走向两侧留设边界煤柱不小于100 m。根据地应力测试结果，最大水平主应力为西北方向，与工作面推进方向基本一致，X和Y方向的地应力分别取垂直应力的0.9和1.7倍。经过与正在回采的13103工作面采动应力和开采沉陷的双重标定，实现数值模拟与工程实际校核。数值模拟中各岩层的参数取自基于实验室数据的经验折减，参数见表1。

表1 煤岩层物理力学参数

图3 盘区尺度煤层群协调开采数值模型

建模后对模型进行初始地应力平衡，为便于后续工作面的开挖，对各工作面进行了分组，分组后各工作面的分布情况如图3所示。开挖采用不同的本构模型，开启大变形计算模式，不同本构模型间设置Interface，避免模型穿透和应力位移传递中断。

模型内中组煤综采工作面开挖后采用Null模型表征采空区的特征，综放工作面由于平均采厚为18 m，直接采用Null模型后，大变形条件下容易在边界直角处发生“Illegal Geometry”错误。采空区碎石随着采动稳定逐渐被压实，这种特征可以采用FLAC3D中的Double-Yield本构模型进行模拟，垮落碎石整体符合SALAMON提出的碎石压实理论[20]，应力-应变关系为：

式中，σv为垂直应力，MPa；E0为垮落带岩石的初始弹性模量，MPa；ε为当前垂直应变；εm为最大垂直应变。

因此，为综合考虑计算效率和采动响应，综采工作面采空区单元用Null本构，综放工作面应当考虑垮落带范围内岩层的变形和压实特征，采用Double-Yield本构，实现真实的采动响应反演[21]，垮落带范围单元双屈服模型力学参数见表2[22]。

表2 垮落带单元双屈服模型力学参数

4 关键工作面接替时机分析

4.1 13103工作面采动影响

13103工作面采动影响如图4所示，由图4(a)可知，13103工作面开采后，13104工作面临空侧形成应力集中，若采用沿空掘巷技术需等到采空区垮落压实稳定，工作面接续需要跳采。13103工作面的开采对9201工作面影响较小，应力无明显变化，最大侧向支承压力达11.84 MPa，应力集中系数约为2.36，采空区中部应力恢复至约3～4 MPa。采动后边界角约为73°，采空区顶板垮落角由于采高较大，近乎等于90°。由图4(b)可知，侧向采动影响角为45°，综放开采后覆岩全部发生破坏，但塑性区未发育至9201工作面。

图4 13103工作面采动影响

根据矿井煤层群协调开采地质条件，受中组煤压覆，仅13104工作面符合跳采条件，其他综放工作面无法进行跳采。据此，若考虑减小区段煤柱并兼顾工作面顺序接替，可对煤柱尺寸进行优化，但煤柱尺寸减小范围有限，存在采出率和巷道维护成本之间的矛盾。因此，在综放工作面选择了切顶卸压沿空掘巷技术[23]，保障了综放工作面间的顺序接替。

4.2 13104工作面的接替时机

4.2.1 中组煤未开采时

二盘区工作面未开采时，若先开采13104工作面，上覆9202和9201工作面将受到破坏，塑性区分布如图5所示。9201工作面中部位移达8～9 m，9202工作面边界也发生了部分垮落，10201工作面不受影响。据此可以确定，13104工作面接续应在9201和9202工作面开采结束后进行。结合13103工作面开采可知，实体煤下综放开采的侧向采动影响角同为45°。

4.2.2 二盘区9#煤开采结束后

在二盘区9#煤开采结束后，对13104工作面进行开采，覆岩垂直应力和塑性区演化如图6所示。由图6(a)可知，13104工作面开采结束后左侧区段煤柱应力集中程度较高，右侧盘区煤柱宽50 m，因此应力集中程度显著降低。采空区边界形成了应力集中区域，但是未影响到10201工作面。由图6(b)可知，侧向采动影响角为70°，未对10201工作面产生新的影响。

4.2.3 二盘区中组煤开采结束后

中组煤开采结束时对13104工作面进行开采的覆岩应力云图与塑性区分布如图7所示。由图7(a)可知，由于10#煤层的开采在10201工作面采空区边界区域产生了应力集中，增加了13#煤层盘区煤柱的应力集中程度。由图7(b)可知，50 m的盘区煤柱对上覆岩层起到了较好的控制作用，阻隔了塑性区的贯通，开采造成的侧向采动影响角为60°。

图7 二盘区中组煤采空区下13104工作面采动影响

4.3 现场实测

当前矿井工作面开采处于规划阶段，不能直接对研究结果进行验证。通过相邻矿井调研表明，在上部9#煤层工作面采空，叠加13#煤工作面开采的影响条件下采空区中部开采沉陷叠加，实测最大下沉值12.8 m，累计采厚15.5 m，下沉系数0.83，13#煤综放开采侧向采动支承压力监测结果表明，应力集中系数为2.31，与数值模拟结果一致性较好。

4.4 工作面时空接续

基于工作面时空协调开采建模，采用1个综采工作面配合1个综放工作面生产方式，按设计产能8.00 Mt/a进行协调开采规划。9#和10#煤层工作面接续顺序为：9204→9203→9202→9201→9302→9306→10203→10202→10201。综放工作面于依次开采13#煤一盘区13103、13102、13101、13104工作面，开采结束于2024年4月。依次开采13#煤二盘区13201、13202、13204、13204工作面，开采结束于2029年8月，为矿井中长期达产、稳产和生产效益均衡提供科学依据。

5 结 论

1)对于工作面参数多变的煤层群多工作面的协调开采研究，采用盘区尺度数值模拟具有显著优势。不仅可以实现各开采方案的采动响应定量化分析，而且可以得到特定开采条件下的岩层采动影响角和重复采动沉陷特征。

2)获得了特厚煤层综放开采的侧向采动影响角变化规律，指出了13104工作面的接替时机。实体煤下特厚煤层综放开采的采动侧向影响角为45°，9#煤非对称采空条件下采动侧向影响角为70°，中组煤开采结束后13104工作面采动侧向影响角为60°，初步确定采空区下工作面重复采动侧向影响范围变小，此外覆岩采空区分布的对称性也决定着采动侧向影响角。为避免下部煤层开采破坏上部工作面的覆岩完整性，13104工作面接续应当在9201和9202工作面开采结束后进行。

3)基于煤层群协调开采准则，确定了二盘区工作面时空接续方案。按设计产能8.00 Mt/a进行协调开采规划，采用1个综采工作面配合1个综放工作面的生产方式，确定了2022—2029年的矿井煤层群协调开采方案。