近距離煤層聯(lián)合開采可行性分析

蘇仰忠(西山煤電(集團)公司 總調度室，山西 太原 030053)

近距離煤層在我國所占比重很大，很多礦區(qū)都有近距煤層開采的問題，如西山礦區(qū)、大同礦區(qū)、淮南礦區(qū)、井陘礦區(qū)等。開采近距離煤層一般有3種方法，分別是逐層開采、聯(lián)合開采和合層開采。其中，逐層開采準備工作量增加，開采成本提高，特別是上煤層較薄時，很難保證礦井產(chǎn)量；合層開采雖然有提高煤炭產(chǎn)量、減少工作面搬家次數(shù)等優(yōu)點，但其開采的可行性受層間巖層影響較大，當層間巖層較厚或強度較高時，就會降低開采效率，提高煤炭含矸率，影響煤質。因此，在我國開采近距離煤層群時，大多仍采用聯(lián)合開采布置。

1 工程概況

山西焦煤西山煤電杜兒坪礦位于太原市西部，西山煤田東北部，與西銘礦、官地礦相鄰。井田長約10 km，寬約6.48 km，面積為69.7 km2，主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，主采煤層有2#、3#、8#、9#煤層，其中8#煤層厚度為1.90～6.06 m，平均3.58 m，9#煤層厚度為1.73～5.05 m，平均3.51 m，9#煤層上距8#煤層0.72～12.82 m，平均為9 m，層間巖層以泥巖和石灰?guī)r為主。

杜兒坪礦下組煤層現(xiàn)主要開采8#煤層，但從長遠來看，9#煤層將是礦井將來的主要資源。從研究與現(xiàn)場實踐來看，分層開采不但增加了礦井開拓與掘進的工作量，而且會導致9#煤層開采時頂板的管理困難。如8#、9#煤層滿足聯(lián)合開采條件，則能簡化生產(chǎn)過程，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

2 聯(lián)合開采頂?shù)装迤茐姆秶治?/h2>

2.1 覆巖破壞高度分析

根據(jù)杜兒坪礦8#、9#煤層頂?shù)装鍘r性可知，8#煤層的頂?shù)装鍘r層主要由泥巖、石灰?guī)r、細砂巖等組成。依據(jù)傳遞巖梁理論，單一煤層冒落帶高度可由式(1)求得：

(1)

式中：

Hm—冒落高度，m

M—采高，m；

SA—巖梁沉降值，取0.35～0.5；

KA—冒落巖層碎脹系數(shù)，取1.3.

對于近距離煤層下煤層的冒落高度分為兩種情況，未冒通的情況下，仍可采用式(1)計算下煤層的冒高，但在已冒通的情況下，下煤層冒落高度不但包括層間巖層，還可能影響上煤層的未冒巖層。

對杜兒坪礦8#、9#煤層冒高分別計算，可得：

8#煤層：Hm=5.73～7.52 m

9#煤層：Hm=5.62～7.37 m

可以看出，9#煤層冒落高度小于層間巖層厚度(9 m)，并未冒通上煤層。

2.2 煤層底板破壞深度分析

按照滑移線場理論，支承壓力影響形成的底板最大破壞深度Dmax為：

(2)

最大深度的位置(距煤壁)為:

(3)

式中：

φ—底板巖石的內摩擦角，(°)；

L—支承壓力的峰值位置，且有：

(4)

L=3.11 m

a0=8.18 m

Dmax=12.59 m

根據(jù)計算結果可知，8#煤層底板破壞深度最大為12.59 m，見圖1. 8#煤層底板破壞深度大于層間巖層平均厚度。所以9#煤層開挖前，頂板已經(jīng)受到損傷破壞。因此，9#煤在開采時必須加強頂板的控制管理，制定完善的安全措施。

圖1 8#煤層底板破壞范圍示意圖

3 聯(lián)合開采合理錯距的確定

3.1 理論計算

近距離煤層聯(lián)合開采時，選擇的工作面錯距過大，則下煤層受采動影響時間較長，巷道維護難度增大，維護費用增加；選擇的工作面錯距過小，則上下煤層開采相互影響過大，造成生產(chǎn)的安全隱患。因此，必須根據(jù)工作面實際情況，選擇合理的同采錯距。

目前，選擇合理的工作面錯距主要有兩種方法，一種是減壓區(qū)理論，另一種是穩(wěn)壓區(qū)理論。減壓區(qū)理論要求同采過程中，上煤層對底板的破壞深度小于層間巖層厚度，通過前面計算，可知這種方法不適合該地質情況，因此，本文將采用穩(wěn)壓區(qū)理論對工作面錯距進行合理推算。

穩(wěn)壓區(qū)理論認為，下煤層應在上煤層頂板冒落塌實，礦壓顯現(xiàn)逐漸穩(wěn)定后再開采，理論核心是上下煤層需足夠的錯距，避免下煤層受到上煤層的動壓影響。

根據(jù)穩(wěn)壓區(qū)理論，要保證8#煤層開采擾動不會傳遞到9#煤層，需要的最小工作面錯距為：

Xmin=Mcotδ+L+B=31.1～36.1 m

(5)

式中：

M—上下煤層層間距，m，取9；

δ—巖層移動角，(°)，取55；

L—兩煤層工作面推進速度不均衡或上煤層工作面頂板垮落基本穩(wěn)定的安全距離，m，一般取20～25；

B—上煤層工作面最大控頂距，m，取4.8.

說明采用穩(wěn)壓區(qū)方案，兩煤層工作面錯距最小應為31.1～36.1 m.

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1建立模型

根據(jù)8#、9#煤層實際地質情況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模型，見圖2. 通過數(shù)值模擬，驗證工作面錯距是否合理。

圖2 數(shù)值模型

模型長250 m，寬200 m，高100 m，根據(jù)理論計算結果，將模擬錯距分別為20 m、25 m、30 m和35 m 4種方案下同采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

3.2.2模擬結果分析

不同錯距下工作面垂直應力云圖見圖3，不同錯距下8#、9#煤層工作面前方支承壓力峰值折線圖見圖4. 分析圖3，圖4可知，錯距為20 m時，上下煤層開采相互影響，8#、9#煤層工作面前方支承壓力峰值最大；隨錯距增加，支承壓力峰值逐漸減小，錯距在35 m時，支承壓力峰值降至最小，且在錯距為25～35 m，支承壓力變化幅度很小。

因此，結合理論計算結果，初步確定聯(lián)合開采工作面合理錯距應為30～35 m.

4 結 論

通過理論分析和數(shù)值模擬，對西山煤電杜兒坪礦8#、9#煤層聯(lián)合開采可行性進行研究，結果表明：

1) 8#煤層冒落高度為5.73～7.52 m，9#煤層冒落高度為5.62～7.37 m. 下煤層開采時并未冒通層間巖層。

2) 8#煤層底板破壞深度為12.59 m，大于上下煤層間距，說明9#煤層開采前頂板就已經(jīng)受到損傷破壞。

圖3 不同錯距下垂直應力云圖

圖4 支承壓力峰值與錯距關系曲線圖

3) 通過穩(wěn)壓區(qū)理論和數(shù)值模擬驗證，認為在工作面錯距為30～35 m時，可以有效減少上下煤層開采的相互擾動。

綜合本文研究與相鄰礦井官地礦8#、9#煤層聯(lián)合開采的成功經(jīng)驗，認為在制定完善的安全措施后，杜兒坪礦8#、9#煤層聯(lián)合開采是具有可行性的。

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