淺埋煤層群同采工作面合理錯(cuò)距的實(shí)驗(yàn)研究

張?jiān)? 黃克軍, 李亮, 丁國(guó)峰

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；2.煤炭綠色開采工程研究中心，陜西 西安 710065)

陜北侏羅紀(jì)煤田是我國(guó)特大型煤炭資源基地，該區(qū)煤炭?jī)?chǔ)量大、煤層埋藏淺，可采煤層多，開采條件相對(duì)簡(jiǎn)單[1-2]。煤層群開采一般都采用“分層分采”和“分層同采”兩種形式，由于“分層分采”方式，工作面接替比較困難，目前現(xiàn)場(chǎng)主要采用“分層同采”的開采方式。

目前，神南礦區(qū)因工作面接替緊張，決定采用煤層群聯(lián)合布置的形式，該方式可以減少準(zhǔn)備工程量，比較經(jīng)濟(jì)，可實(shí)現(xiàn)上、下煤層工作面正常開采。同時(shí)，研究煤層群聯(lián)合布置同采時(shí)上層煤采動(dòng)應(yīng)力對(duì)下煤層應(yīng)力的影響和上、下工作面的合理錯(cuò)距可以避免煤層群因同時(shí)開采所造成的相互制約，保證上下兩工作面安全、高效、穩(wěn)定的生產(chǎn)。

1 工程概況

神南礦區(qū)紅柳林井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，各煤層自東至西呈階梯狀壓茬賦存，井田主采煤層為2-2、3-1、4-2和5-2，各煤層平均厚度分別為4.31 m、2.71 m、3.07 m、5.87 m，平均埋深為75 m、108 m、153.5 m和227.50 m。各主采煤層平均間距分別為：2-2與3-1煤層間距為28.33 m，3-1與4-2煤層間距為42.48 m。為了減小各壓茬煤層的制約關(guān)系，關(guān)鍵在于各煤層同采合錯(cuò)距的分析，以及下煤層開采后覆巖破壞對(duì)上煤層的影響。

2 多煤層同采合理錯(cuò)距的理論分析

2.1 淺埋單一煤層開采支承壓力分析

單一煤層開釆支承壓力分布狀態(tài)表現(xiàn)形式如圖1所示，其分布特點(diǎn)有:①增壓區(qū)范圍內(nèi)，回釆工作面煤壁前方一定范圍內(nèi)煤體幾乎承載回釆空間上覆巖層大部分重量；②采空區(qū)跨落帶及工作面煤壁隨時(shí)間推移向前移動(dòng)；③回采工作面空間位于減壓帶范圍內(nèi)[3-4]。

圖1 單一煤層工作面前后支承壓力分布

圖2 近距離煤層群同采減壓式錯(cuò)距模型

2.2 煤層群穩(wěn)壓式同采工作面布置模型分析

根據(jù)近距離煤層同采工作面合理錯(cuò)距的基本理論[5]，視同2-2、3-1、4-2煤3層煤同采，利用常規(guī)錯(cuò)距理論計(jì)算公式，分析計(jì)算同采工作面合理錯(cuò)距。

Xmin=M·cotδ + L + b

(1)

式中，M-煤層間距；δ-巖層移動(dòng)角，取65°；b-上部煤層工作面的最大控頂距，取8 m；L-下架煤層工作面推進(jìn)速度不均衡的安全距離，一般不小于15～20 m，綜采工作面L值可取1.5～2倍周期來壓步距，即20～30 m。

由公式(1)得，穩(wěn)壓式最小錯(cuò)距Xmin為：

2-2與3-1煤，Xmin=13.2+(20～30)+8 = 41.2～51.2m；

3-1與4-2煤，Xmin=19.80+(20～30)+5.8 = 45.6～55.6m。

計(jì)算結(jié)果顯示，穩(wěn)壓區(qū)開采，上下煤層合理錯(cuò)距較大，則頂板冒落對(duì)下架面開采產(chǎn)生的動(dòng)力擾動(dòng)??；下架回采頂板發(fā)生巖層移動(dòng)，不波及煤層的回采工作面；可保障回采工作面工作安全性。

2.3 減壓式同采合理錯(cuò)距的理論分析

根據(jù)減壓區(qū)開采理論[5]，建立了近距離煤層群聯(lián)合開采減壓式工作面合理錯(cuò)距模型(圖2)，通過模型可知，則有近距離煤層群聯(lián)合開采時(shí)上、下工作面減壓式合理錯(cuò)距計(jì)算公式：

+Mcotδ

(2)

式中，K-工作面應(yīng)力集中系數(shù)取2；γ-上覆巖層平均容重，取25 kN/m3；M-兩煤層間距，m； m-各煤層釆高，m；H-煤層埋深，m； Cm-內(nèi)聚力，取1.8 MPa；φ-煤層內(nèi)摩擦角，取32.5°；δ-巖層移動(dòng)角，取65°；f-煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)，取0.3。

由公式(2)得，減壓式最小錯(cuò)距XFmin為：

2-2與3-1煤：XFmin=10.11m； 3-1與4-2煤：XFmin=23.07m；

計(jì)算結(jié)果表明，同采減壓式上下煤層工作面錯(cuò)距較小，減壓區(qū)的距離難以掌控；結(jié)合紅柳林煤礦煤層賦存情況及煤層間的影響關(guān)系，同采工作面采用穩(wěn)壓式布置比較合理；即2-2煤與3-1煤同采時(shí)合理錯(cuò)距范圍為41.2～51.2 m，3-1煤與4-2煤同采時(shí)合理錯(cuò)距范圍為45. 6～55.6 m。

3 多煤層同采合理錯(cuò)距的物理模擬分析

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)紅柳林煤礦3層煤開采進(jìn)行物理模擬研究；模型長(zhǎng)5.0 m，寬0.2 m；模型幾何相似比例為1∶125；模型實(shí)物全景如圖3所示。

圖3 煤層群開采模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿?/p>

3.2 多煤層同采的錯(cuò)距影響分析

1) 3-1煤層工作面受上煤層工作面的影響

2-2煤層埋深為75.2 m，采高為4.25 m，基巖厚度為41.6 m，上覆松散層厚度為33.6 m。2-2煤層共開采了兩個(gè)工作面，區(qū)段煤柱寬度為20 m；工作面初次來壓步距為58.8 m，平均周期來壓為12.8 m，如圖4所示。

圖4 2-2 煤層開采結(jié)束后覆巖垮落狀況

3-1煤層位于2-2煤層底板下方30 m，采高為2.9 m。3-1煤層第一個(gè)工作面(稱3101面)開切眼位于2201面切眼的正下方。3101面進(jìn)入2-2煤柱17.8 m時(shí)，支架后方出現(xiàn)明顯的裂隙，裂隙貫穿層間覆巖到達(dá)2-2煤柱底板，破斷巖塊在架后回轉(zhuǎn)下沉。3101面出煤柱4 m時(shí)，支架前方出現(xiàn)超前破斷裂隙，裂隙發(fā)育角度約為71.5°，同時(shí)從2202采空區(qū)底板向下發(fā)育形成一條豎向裂隙，如圖5所示。3101面出煤柱16.5 m時(shí)，頂板突然破斷，支架受力明顯，上方形成兩條貫穿層間覆巖的裂隙[6]，如圖6所示。

圖5 3101出2-2煤柱4 m

圖6 3101 出2-2煤柱16.5 m

3-1煤層相向開采了兩個(gè)工作面，分別為3101面和3102面，區(qū)段煤柱寬度為20 m。由物理模擬過程可知，3-1煤層工作面與2-2煤層工作面垂直布置時(shí)，3-1煤工作面在出2-2煤柱時(shí)，頂板破斷較為劇烈，存在壓架的可能性。3-1煤層工作面應(yīng)盡量與2-2煤層工作面平行布置，若外錯(cuò)于2-2煤柱布置時(shí)，外錯(cuò)距離至少應(yīng)大于17 m。

2) 4-2煤層工作面受上煤層工作面的影響

4-2煤層位于3-1煤層底板下方46 m，采高為3.4 m。4-2煤層第一個(gè)工作面(簡(jiǎn)稱4201面)開切眼位于3101切眼的正下方，4201面共推進(jìn)119 m，開采結(jié)束后，留設(shè)20 m的煤柱，繼續(xù)開采4202面。4202面出3-1煤柱16.25 m時(shí)，基本頂再次發(fā)生破斷，上覆巖層整體發(fā)生明顯下沉，開采側(cè)形成的豎向裂隙向上發(fā)育，觀測(cè)到該裂隙貫穿3-1煤層煤柱，煤柱上覆巖層整體性向3-1二面傾斜，導(dǎo)致煤柱前半部分出現(xiàn)裂隙，后半部分“翹起”，如圖7所示。

4202面出煤柱23.75 m時(shí)，覆巖突然整體性垮落，形成兩條貫穿層間覆巖的平行裂隙，裂隙下端部位于支架正上方，發(fā)育角度約為67.5°，上端部距離煤柱外側(cè)8.75 m，如圖8所示。

圖7 4202面出煤柱16.25 m

圖8 4202面出煤柱23.75 m

圖9 4-2 煤層開采結(jié)束后覆巖垮落狀況

由4-2煤開采結(jié)束后覆巖垮落狀況(圖9所示)，4-2煤層工作面應(yīng)盡量與3-1煤層工作面平行布置，若外錯(cuò)于3-1煤柱布置時(shí)，外錯(cuò)距離至少應(yīng)大于24 m。4-2煤層工作面與3-1煤層工作面垂直布置時(shí)，4-2工作面在出3-1煤柱時(shí)，也存在壓架的可能性，但相對(duì)于3-1煤工作面出2-2煤柱時(shí)覆巖垮落而言，覆巖垮落劇烈程度降低[7]。此外，2-2煤柱對(duì)4-2煤工作面開采基本沒有影響。

由物理模擬試驗(yàn)過程可以看出，淺埋煤層群工作面在通過上煤層遺留煤柱的過程中，壓架事故往往僅出現(xiàn)在出煤柱階段，而進(jìn)煤柱階段和煤柱區(qū)下的開采階段工作面礦壓顯現(xiàn)均不強(qiáng)烈，但是也存在較大危險(xiǎn)。

4 多煤層同采工作面合理錯(cuò)距的修正

依據(jù)初采合理錯(cuò)距經(jīng)驗(yàn)公式[8](3)，結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)得出的2-2煤層開采初次來壓58.8 m和平均周期來壓12.8 m，則3-1煤初采合理錯(cuò)距應(yīng)為84.8 m。3-1煤層開采初次來壓48.9 m和平均周期來壓15.2 m，則4-2煤初采合理錯(cuò)距應(yīng)為79.3 m；因此下煤層初次回采時(shí)至少要在上煤層來壓后相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期再進(jìn)行開采。

Xmin 初= S初+2·S周

(3)

式中：Xmin初-初采的合理錯(cuò)距；S初-上工作面初次來壓步距；S周-上工作面周期來壓步距。

根據(jù)正常回采合理錯(cuò)距經(jīng)驗(yàn)公式[9](4)，物理實(shí)驗(yàn)得出2-2煤和3-1煤平均周期來壓，對(duì)比得出2-2煤和3-1煤常規(guī)同采時(shí)的合理錯(cuò)距應(yīng)不小于40 m；3-1煤和4-2煤正常同采時(shí)的合理錯(cuò)距應(yīng)不小于46 m。

3S周

(4)

式中：X正-正?；夭傻暮侠礤e(cuò)距；S周-上工作面周期來壓步距；L2-上煤層單獨(dú)開采時(shí)，在下煤層水平剖面處底板應(yīng)力曲線中后支承壓力前邊緣到上工作面煤壁處的水平距。

5 結(jié)論

1) 通過兩種錯(cuò)距布置的理論分析，結(jié)合礦井生產(chǎn)情況認(rèn)為，同采工作面采用穩(wěn)壓式布置比較合理，即2-2煤與3-1煤同采時(shí)合理錯(cuò)距范圍為41.2～51.2 m，3-1煤與4-2煤同采時(shí)合理錯(cuò)距范圍為45. 6～55.6 m。

2) 采用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，研究其煤層超前工作面支承壓力對(duì)工作面合理錯(cuò)距的影響；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明： 3-1煤層工作面應(yīng)盡量與2-2煤層工作面平行布置，若外錯(cuò)于2-2煤柱布置時(shí)，外錯(cuò)距離至少應(yīng)大于17 m；4-2煤與3-1煤同采時(shí)，錯(cuò)距至少大于柱23.75 m。

3) 綜合礦壓理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)煤層群開采錯(cuò)距進(jìn)行修正，即下伏3-1煤和4-2煤初采合理錯(cuò)距應(yīng)為84.8 m和79.3 m；3-1煤和4-2煤正常同采時(shí)的合理錯(cuò)距應(yīng)不小于40 m和46 m。

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