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近距离煤层群同采工作面合理错距研究及应用

2024-12-02 50 上传者：管理员

摘要：为解决近距离煤层群同采工作面强矿压显现的问题，以山西灵石华苑煤业有限公司9104工作面、10104工作面为工程背景，基于土力学相关理论建立合理错距分析模型，确定工作面压外式布置合理错距为25.86 m。现场试验表明10104工作面巷道变形显著降低，巷道底鼓量小于250 mm，煤柱帮移近量小于200 mm，为类似条件工作面布置提供技术借鉴。

关键词：
华苑煤业
同采工作面
强矿压
煤炭资源
近距离煤层群
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随着煤炭资源的不断开采，矿井逐渐向深部开拓，煤层赋存条件日趋复杂，其中近距离煤层群开采占据了较大比例。由于近距离煤层通常采用上下层联合开采，上部煤层开采后，将导致底板岩层多应力场叠加，下部煤层顶板已经发生变形及破坏，造成底板应力重新分布与应力集中，下部煤层开采时顶板维护困难，巷道变形严重，影响矿井安全高效回采。近距离煤层群同采工作面强矿压治理与下部工作面小煤柱沿空掘巷成为山西灵石华苑煤业有限公司（简称“华苑煤业”）亟待解决的技术难题。

针对近距离煤层同采条件下的强矿压问题，众多学者开展了大量的研究[1-3]。任兴云[4]基于沉陷预测对协同开采工作面合理走向错距进行研究；程辉[5]对近距离煤层不同宽度条件下煤柱破坏过程、影响因素、底板破坏范围进行研究，提出采用非对称支护；蔡光顺[6]提出近距离煤层群联合开采，巷道稳定性取决于上下工作面错距、应力分布及支护方式；张百胜[7]提出近距离煤层群开采巷道布置主要有内错式、外错式以及重叠式；索永录[8]针对近距离煤层下部巷道不同布置方式进行数值模拟分析，得出内错式为最佳布置方式。

上述研究主要围绕近距离煤层群下部巷道应力分布及布置开展，针对具体工程背景，近距离煤层群同采压内式以及压外式错距布置方式的对比研究较少，本文以华苑煤业9104工作面、10104工作面为工程背景，建立压外式以及压内式错距布置方式理论模型并进行对比分析，确定工作面合理错距。

1、工程概况

9104综采工作面位于9号煤井田北部，地面标高794.6～1 008.8 m，工作面标高500.3～525.9 m，煤层倾角0°～15°，厚度0.92～1.40 m。直接顶为K2石灰岩，平均厚度7.2 m，基本顶为砂质泥岩，平均厚度5 m。工作面长度169 m，设计回采长度1 695 m，西南部为9105工作面采空区，留设32 m煤柱，西北部为9103接替工作面。10104工作面位于9104工作面下方，工作面标高为496～523.7 m，煤层倾角0°～15°，厚度3.45～4.75 m。直接顶为砂质泥岩，平均厚度6.06 m，直接底为泥岩，平均厚度3.24 m。工作面长度189 m，设计回采长度1 902 m，西南部为10105工作面采空区，留设8 m煤柱，西北部为10103接替工作面。工作面布置如图1所示。

图1 9104工作面、10104工作面布置示意图

9#煤与10#煤中间夹层为砂质泥岩，平均厚度6.06 m，属于近距离煤层。上下煤层同采时，9#煤层开采会导致10#煤层顶板岩层变形破坏。近距离煤层同采时，易导致多重应力集中，下部煤层工作面巷道变形严重，维护困难。9104工作面采动应力及超前支承压力会向底板传递，为确保10104工作面正常回采，需确定9104工作面及10104工作面水平方向合理错距。9104工作面及10104工作面空间位置如下图所示。

图2 9104工作面、10104工作面空间位置示意图

2、工作面覆岩运移及应力分布特征

随着工作面持续回采，煤层开采以后，上覆岩层会以一定的跨度悬露，当岩梁在重力作用下达到一定的弯曲沉降程度后，会首先在端部开裂，然后中部也会开裂，破断的岩块在相互挤压和摩擦力作用下形成外形似梁实则是拱的砌体梁结构，煤壁一侧对于上覆岩层起主要支撑作用，采空区矸石承受压力相对要小的多，工作面前后的应力分布如图3所示，分别为原岩应力区、应力增高区、应力降低区以及稳定压实区。

近距离煤层群联合开采主要有两种错距计算方式，分别为压内式与压外式。压内式是指将下部工作面布置在上部煤层工作面应力降低区，通常在上部工作面周期来压步距以内，压外式布置是指将下部工作面布置在稳定压实区，一般为上部工作面周期来压步距以外。

图3 工作面前后支承压力分布图

3、同采工作面走向合理错距研究

3.1 同采压外式布置错距理论分析

随着工作面回采，底板岩层会发生变形及破坏，基于前人研究土力学中关于地基的计算方法及塑性理论，建立压外式布置模型如图4所示，将底板塑性区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域，分别为主动极限区、过渡区以及被动极限区，E是压实区边界点，基于极限平衡区理论，可得压外式布置合理错距Xmin如下式（1）所示，安全错距不小于LBE及沿岩移角在水平方向上传递距离之和。

图4 压外式错距模型

式中：m为工作面采高，取1.18 m;K为应力集中系数，取4;δ为岩层移动角，取35°；γ为上覆岩层容重，取25 kN/m3;H为煤层埋深，取390 m;f为层面间的摩擦因数，取0.25;Cm为煤体的内聚力，取1.8 MPa;ε为三轴应力系数，；ϕ煤层与顶底板岩层内摩擦角，取32°；M为两层煤间距，取6.06 m。

压外式布置合理错距与煤层及顶底板岩层接触面力学性质有关，同时受埋深、采高与煤层间距影响。基于极限平衡区理论，随着埋深H、煤层采高m增大，地应力升高，应力集中程度增加，塑性区范围增大，上层煤开采后对底板岩层破坏范围增大，应力降低区范围也随之增大。采场前方的应力集中系数同煤层顶底板岩层岩性有关，受到顶板岩层破断以及垮落形式的影响。将相关参数带入可得10104工作面与9104工作面压外式布置合理错距Xmin为25.86 m。

3.2 同采压内式布置错距理论分析

压内式错距理论模型见图5，底板塑性区分区与压外式理论相同，主要区别为下层煤工作面布置在上工作面应力降低区内，选取应力降低区中点F为边界点，压内式布置合理错距Xg min如式2所示，安全错距不小于LBF及沿岩移角在水平方向上传递距离之和。

图5 压内式错距模型

压内式最小错距所受影响因素与压外式一致，将相关参数带入可得10104工作面与9104工作面压内式布置最小错距Xg min为17.26 m。

4、同采工作面压内式及压外式布置对比

压外式布置方式将下部煤层工作面布置在压实稳定区，上覆岩层基本稳定，工作面回采工作中受到动压影响较小，但是由于压外式错距较大，下煤层工作面受上部工作面矿压影响范围更大。

压内式布置方式将下部煤层工作面布置在应力降低区，应力降低区范围内底板应力由垂直方向逐步过渡到水平方向，对下部煤层工作面影响快速降低，但由于位于工作面周期来压步距以内，受到上部工作面回采后上覆岩层回转下沉产生的动压影响较大。

由式（1）及式（2）可以看出，两种布置方式合理错距均随煤层厚度、采厚以及煤层间距增加而增大，其中煤层间距的影响更加明显。需要指出的是，在一定范围内，合理错距同煤层间距正相关，当煤层间距大于上层煤回采底板破坏深度时，下层煤工作面受到影响很小。上部煤层工作面回采过后，同样的条件下，压内式错距布置方式由于距离煤壁较近，稳定性低于压外式布置。总体而言，压内式布置适用于矿压压力显现不明显、顶板完整性好的矿井，针对一些强时空如具有突水危险、自燃煤层矿井也具有一定应用价值；压外式布置适用性更广，针对矿压显现明显、顶板完整性低的矿井也能满足生产要求，但错距较大，下部煤层巷道受到上部煤层开采影响时间更长，对巷道支护的要求更高。

华苑煤业9#煤层上方存在7.2 m厚k2石灰岩以及6.6 m厚k3石灰岩，属于厚硬顶板，10#煤层工作面回采后，自然状态下垮落步距较大，9#煤层相邻工作面回采时矿压显现明显，巷道变形较大。综合考虑各项影响因素，初步确定华苑煤业10104工作面采用压外式布置方式，滞后9104工作面25.86 m。

5、现场应用效果

10104工作面回采时，在轨道顺槽布置测点对巷道表面位移进行观测，围岩变形如图6所示。9104工作面上方存在7.2 m厚k2石灰岩及6.6 m厚k3石灰岩，属于厚硬顶板，为切断工作面后方弧形三角板结构，削弱侧向坚硬顶板及本工作面后方坚硬顶板对回采巷道超前段的影响程度，9104工作面轨道顺槽实施钻孔爆破预裂。

图6 围岩变形监测结果

根据以往类似条件工作面经验，未采取相应措施时，巷道顶底板及帮部变形最大达到900 mm，影响工作面正常回采。采用压外式布置后，工作面超前支承压力影响范围为25 m左右，距离工作面超过25 m时围岩变形相对较小。巷道底鼓量小于250 mm，顶板下沉量小于150 mm，煤柱帮移近量小于200 mm，实体煤帮移近量小于170 mm，巷道围岩变形在合理范围内。

6、结论

1）华苑煤业9#煤层及10#煤层属于近距离煤层，上下煤层工作面同采时，将导致多重应力集中，下部煤层巷道回采时变形严重，维护困难。9104工作面采动应力及超前支承压力会向底板传递，为确保10104工作面正常回采，需确定9104工作面及10104工作面水平方向合理错距。

2）基于土力学中关于地基的计算方法及塑性理论，建立压内式与压外式错距计算模型，10104工作面与9104工作面压外式布置合理错距Xmin为25.86 m，压内式布置合理错距Xg min为17.26 m。

3)10104工作面与9104工作面选择压外式布置，错距选择为26 m,10104工作面回采期间围岩变形量对比类似工作面显著降低，避免巷道重复返修，为工作面安全高效回采提供了良好的应力环境。

参考文献:

[1]彭和军,李生泽.极近距离煤层开采巷道布置与支护技术探讨[J].晋控科学技术,2024,(03):10-13.

[2]黄庆享,韩金博.浅埋近距离煤层开采裂隙演化机理研究[J].采矿与安全工程学报,2019,36(4):706-711.

[3]李胜利.基于稳压区理论近距离上下煤层协同开采错距研究[J].煤炭科学技术,2022,50(S2):44-49.

[4]任兴云,郝兵元,贺福帅,等.基于沉陷预测的上下煤层协同开采工作面走向错距研究[J].煤炭科学技术,2022,50(12):102-108.

[5]程辉,赵洪宝,张欢,等.近距离煤层工作面煤柱合理留设与巷道围岩控制技术[J].工程科学学报,2022,44(7):1147-1159.

[6]蔡光顺.中兴矿极近距离煤层开采巷道布置及支护技术研究[D].北京:中国矿业大学(北京), 2013.

[7]张百胜,杨双锁,康立勋,翟英达.极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨[J].岩石力学与工程学报,2008(01):97-101.