近距離煤層同采工作面合理布置方式及錯(cuò)距研究

姚鵬飛

目前在許多礦區(qū)，均賦存有近距離煤層或煤層群。近距離煤層間距較小，其中一層或多層煤的開采對相鄰煤層影響較大。在相鄰煤層工作面回采過程中，容易出現(xiàn)劇烈礦壓顯現(xiàn)情況，巷道穩(wěn)定性差。為了減弱近距離煤層同采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)情況，選擇合理的工作面位置具有重要的意義。研究人員對近距離煤層開采進(jìn)行了大量的研究，在工作面布置方法、巷道支護(hù)措施等方面獲得了許多的研究成果。近距離煤層多采用下行開采方式，上、下工作面需錯(cuò)開一定距離，保證下層煤巷道圍巖處于低應(yīng)力水平，有利于工作面的回采，但由于煤層條件不同，所需合理錯(cuò)距也有著較大差異。本文以山西某礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對近距離煤層同采工作面的布置方式及合理錯(cuò)距進(jìn)行了研究，研究結(jié)果可為其他相似條件礦區(qū)提供一定的指導(dǎo)作用。

1 礦井概況

山西某礦開采煤層分別為9號、10號煤層，9號煤層平均厚度1.2m，傾斜角度為4°，10號煤層平均厚度為4.3m，傾斜角度為6°，兩煤層間距平均為5.4m，層間巖層巖性主要為砂質(zhì)泥巖為主。9號位于10號煤層上方，埋深平均為300m。9號煤層與10號煤層工作面采用同采開采方式，由于兩層煤層間距較小，上層9號煤的開采必定會(huì)在頂板局部形成應(yīng)力集中效應(yīng)，導(dǎo)致下層煤開采應(yīng)力水平過大，因此下層10號煤工作面布置需避開高應(yīng)力區(qū)。

2 上層煤開采對底板的破壞分析

近距離煤層多采用下行開采方式，這是因?yàn)楣ぷ髅骈_采對頂板的破壞程度要大于對底板的破壞程度。上層煤開采過后，會(huì)在周圍巖體產(chǎn)生支承壓力，當(dāng)壓力大于底板巖體的承載能力時(shí)，巖體將發(fā)生破壞，形成塑性破壞區(qū)。圖1為工作面開采后底板的破壞分析模型圖。

9號煤層工作面采高為1.2m，工作面開采在底板的應(yīng)力集中系數(shù)取為2.9，煤層內(nèi)摩擦角為27°，埋深平均為300m，容重取為24kN/m3，將各參數(shù)帶入上述公式中，可以得到工作面對底板的塑性區(qū)破壞長度為3.9m，在底板的最大破壞深度為9.1m，對煤壁處底板的水平破壞長度為7.5m，采空區(qū)后方的破壞長度為25.6m。從結(jié)果可以看出，由于9號煤層與10號煤層間距平均為5.4m，9號煤層開采對底板的破壞深度大于層間距，因此9號煤開采會(huì)對10號煤層產(chǎn)生影響，底板的破壞長度最大為33.1m。

3上、下層煤同采工作面布置方式及錯(cuò)距研究

一般對于近距離煤層同采工作面的布置有兩種方法，包括穩(wěn)壓區(qū)布置方法與減壓區(qū)布置方法。

3.1穩(wěn)壓區(qū)工作面布置錯(cuò)距計(jì)算

圖2為上、下組煤層穩(wěn)壓區(qū)布置模型圖。在上層煤開采完畢后，工作面采空區(qū)由于直接頂巖層的垮落充填采空區(qū)，基本頂巖層彎曲下沉對采空區(qū)矸石形成載荷從而壓實(shí)采空區(qū)，當(dāng)頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，采空區(qū)區(qū)域會(huì)形成壓力比較穩(wěn)定的穩(wěn)壓區(qū)。

3.2減壓區(qū)工作面布置錯(cuò)距計(jì)算

根據(jù)砌體梁理論，上層煤開采完畢后，在工作面煤壁位置頂板巖層彎曲回轉(zhuǎn)會(huì)形成三角拱結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)區(qū)域中圍巖應(yīng)力處于降低趨勢。若將下層煤工作面布置在減壓區(qū)下，此時(shí)下層煤與上層煤工作面錯(cuò)距的計(jì)算公式為：

根據(jù)對9號煤層工作面的礦壓觀測結(jié)果，工作面周期來壓步距平均為14m，工作面煤壁屈服破壞寬度平均為2m，因此采用減壓區(qū)布置方法，上、下煤層工作面的錯(cuò)距在10.5～19.5m范圍內(nèi)。

3.3工作面布置方式對下層煤影響分析

由于9號煤層工作面與10煤層屬于近距離煤層同采開采方式，若采用減壓區(qū)布置方式，此時(shí)上層9號煤的開采對底板巖層產(chǎn)生強(qiáng)烈的破壞作用，在10號煤層同時(shí)回采過程中，頂板巖層運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度加劇，會(huì)對工作面支架產(chǎn)生較大載荷，導(dǎo)致支架壓死、失穩(wěn)等情況出現(xiàn);若采用穩(wěn)壓區(qū)布置方式，由于下層煤工作面布置在上層煤已開采完畢的采空區(qū)后方，此時(shí)層間巖層以及9號煤層頂板結(jié)構(gòu)基本已處于穩(wěn)定狀態(tài)，壓力變化較小，能夠保證10號煤層工作面穩(wěn)定回采，因此根據(jù)上、下煤層的開采情況，對比兩種開采方式的優(yōu)劣性，確定該礦井9、10號煤層工作面布置采用穩(wěn)壓區(qū)布置方式。

4工作面錯(cuò)距布置數(shù)值模擬分析

在確定9、10號煤層布置方式后，采用數(shù)值模擬軟件對不同錯(cuò)距下頂板下沉量進(jìn)行分析，從而確定合理的錯(cuò)距。工作面錯(cuò)距方案設(shè)計(jì)5個(gè)，錯(cuò)距分別為20m、25m、30m、35m、40m。建立數(shù)值模型尺寸長寬高為300m×150m×80m，模型四周及底面設(shè)置為固定邊界，頂部設(shè)為應(yīng)力邊界，通過施加應(yīng)力代替上覆巖層載荷，施加應(yīng)力為6.74MPa。圖3為數(shù)值模型圖，圖4為不同錯(cuò)距下煤層頂板下沉量示意圖。

從圖中可以看出，當(dāng)上、下煤層工作面錯(cuò)距分別為20m、25m、30m時(shí)，隨著錯(cuò)距的增大工作面頂板下沉量均處于降低趨勢，并且降低速度較大，當(dāng)錯(cuò)距為35m、40m時(shí)，工作面頂板下沉量基本相同，表明此時(shí)錯(cuò)距增大對頂板的下沉基本無影響。根據(jù)上述結(jié)果，綜合考慮安全、效益等因素，最終確定上、下工作面錯(cuò)距為35m，此時(shí)下層煤工作面頂板下沉量較小。

5結(jié)論

5.1對近距離煤層上層煤開采對底板的破壞影響進(jìn)行了分析，計(jì)算得9號煤開采后底板最大破壞深度為9.1m，破壞長度最大為33.1m，上層煤的開采會(huì)對下層煤產(chǎn)生影響。

5.2計(jì)算了穩(wěn)壓區(qū)與減壓區(qū)兩種近距離煤層工作面布置方式的錯(cuò)距大小，并對兩種布置方式下的優(yōu)劣性進(jìn)行了對比，確定9號煤層與10號煤層工作面布置采用穩(wěn)壓區(qū)布置方式，工作面錯(cuò)距應(yīng)不小于28.5m。

5.3采用數(shù)值模擬方法對比分析了20m、25m、30m、35m、40m五種錯(cuò)距下10號煤層工作面開采頂板下沉情況，最終確定上、下工作面錯(cuò)距為35m，此時(shí)下層煤工作面頂板下沉量較小，有利于下層煤的回采。

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