薄煤層聯(lián)合開采工作面合理錯(cuò)距及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

李文獻(xiàn)

(潞安集團(tuán) 左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600)

1 工程概況

五里堠煤業(yè)主采3號、4號和15號煤層，其中3號和4號煤層的平均間距為6.6 m，屬于近距離煤層，下組煤15號煤層與4號煤層的平均間距為139.6 m。為提高礦井生產(chǎn)效益，對3號和4號煤層采用聯(lián)合開采的方式，將煤層膠帶運(yùn)輸大巷和輔助運(yùn)輸大巷布置在4號煤層內(nèi)，回風(fēng)大巷布置在3號煤層內(nèi)，其中3號煤層均厚為1.13 m，4號煤層均厚為1.37 m；3號煤層直接頂多為泥巖，基本頂為K8砂巖；4號煤層頂板多為砂質(zhì)泥巖，還含有細(xì)砂巖。

3號煤層和4號煤層采用順序前進(jìn)的方式，兩煤層的工作面面長均為150 m，采煤機(jī)截割深度為0.6～0.8 m，工作面采用ZY3600/11/28型支撐掩護(hù)式液壓支架。本文采用理論分析和現(xiàn)場實(shí)測的方法對3號和4號煤層工作面間的合理錯(cuò)距及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究。

2 聯(lián)合開采合理錯(cuò)距分析

針對近距離上下煤層同采兩工作面間的合理錯(cuò)距問題，主要考慮兩方面因素的影響，其一為上下兩個(gè)工作面間的推進(jìn)速度問題，另一方面為上下兩個(gè)工作面間的水平距離。根據(jù)五里堠煤業(yè)3號和4號煤層的回采方式先開采3號煤層、再開采4號煤層，分析合理錯(cuò)距時(shí)采用穩(wěn)壓區(qū)和減壓區(qū)開采理論進(jìn)行分析。

1) 穩(wěn)壓區(qū)理論。穩(wěn)壓區(qū)理論的核心是保障上下工作面間的合理錯(cuò)距，使得下工作面在回采作業(yè)時(shí)不會(huì)受到上工作面的采動(dòng)影響，并且保障下部煤層在開采作業(yè)時(shí)，上覆巖層運(yùn)動(dòng)不會(huì)波及影響到上部煤層回采工作面的正常作業(yè)，穩(wěn)壓區(qū)理論是通過建立上下煤層聯(lián)合開采的力學(xué)模型，通過理論分析得出上下工作面間錯(cuò)距最小值的計(jì)算公式[1-2]。具體穩(wěn)壓區(qū)理論計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 穩(wěn)壓區(qū)開采計(jì)算模型

上下煤層同采工作面最小距離Xmin計(jì)算表達(dá)式如下：

Xmin=Mcotδ+L+B

式中：M為上、下煤層平均間距；δ為巖石移動(dòng)角；B為上煤層工作面的最大控頂距；L為兩煤層工作面推進(jìn)速度不均衡度或上煤層工作面頂板巖石跨落基本穩(wěn)定的安全距離。

根據(jù)3號煤層和4號煤層的具體地質(zhì)條件，取M=6.6 m，δ=45°，L=15 m，B=6.44 m，代入上式計(jì)算得出同采工作面最小錯(cuò)距Xmin=28.04 m。

2) 減壓區(qū)理論?；跍p壓區(qū)理論，工作面回采結(jié)束后，頂板垮落，老頂將承受上覆巖層裂隙帶的全部重量，且上覆巖層壓力通過老頂巖層傳遞到回采工作面煤壁前方和后方采空區(qū)垮落的矸石上。隨著工作面回采推進(jìn)，底板巖層在一定范圍內(nèi)移動(dòng)和破壞，破碎后的底板處于碎塊結(jié)構(gòu)。圖2為上下煤層同采時(shí)減壓區(qū)開采計(jì)算模型，圖中點(diǎn)H就是底板最大破壞深點(diǎn)，底板破壞后實(shí)際形成近似平行破壞線HK[3-4]。

圖2 減壓區(qū)開采計(jì)算模型

根據(jù)彈塑性力學(xué)理論和土力學(xué)的相關(guān)理論可知，回采工作面均會(huì)在回采煤壁的前方形成壓塑帶，用Y0表示該區(qū)域的長度?；诂F(xiàn)有極限平衡區(qū)的研究理論[5]，能夠推導(dǎo)出Y0的表達(dá)式如下：

式中：k為應(yīng)力集中系數(shù)，2.0；γ為上覆巖層平均容重，25 kN/m3；H為煤層埋深，200 m；f為層面間的摩擦因數(shù)，取0.364；h為工作面(上煤層)采高，1.13 m；cm為煤體黏聚力，1.0 MPa；ε為三軸應(yīng)力系數(shù)，取2.0；φ為巖石的內(nèi)摩擦角，20°。

在計(jì)算工作面前方極限平衡區(qū)寬度后，可求得工作面到底板被動(dòng)應(yīng)力區(qū)邊界的長度，從而得到最小常規(guī)錯(cuò)距的理論解Ymin，表達(dá)式如下：

經(jīng)計(jì)算，3號煤層回采工作面與4號煤層工作面進(jìn)行上下同采作業(yè)時(shí)工作面最小常規(guī)錯(cuò)距的理論解為14.35 m。

基于上述穩(wěn)壓區(qū)開采理論和減壓區(qū)開采理論能夠綜合確定出3號煤層工作面和4號煤層工作面進(jìn)行上下同采作業(yè)時(shí)工作面的最小合理錯(cuò)距在14.35～28.04 m的范圍內(nèi)。

3 聯(lián)合開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

為分析3號煤層與4號煤層進(jìn)行聯(lián)合開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，通過在上下工作面上部、中部及下部液壓支架上布置礦壓監(jiān)測站，上部、中部及下部監(jiān)測的液壓支架分別為8號、42號和72號，并在上下回采巷道內(nèi)布置表面位移監(jiān)測站，對近距離煤層聯(lián)合開采的礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，具體監(jiān)測點(diǎn)的布置方式如圖3所示。

圖3 上下工作面礦壓監(jiān)測點(diǎn)布置示意

根據(jù)3號煤層回采過程中，液壓支架的監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出上下工作面在錯(cuò)距分別為15 m和30 m時(shí)液壓支架的工作阻力曲線如圖4所示。

圖4 不同錯(cuò)距時(shí)上工作面支架工作阻力曲線

由圖4可知，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，由于基本頂為K8砂巖，以及工作面采高較小，工作面在回采過程中無明顯的周期來壓現(xiàn)象，采空區(qū)頂板的運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為緩慢下沉。在上下工作面之間的錯(cuò)距為15 m時(shí)，此時(shí)上部工作面液壓支架的工作阻力較大，支架經(jīng)常出現(xiàn)安全閥開啟的現(xiàn)象，當(dāng)上下工作面間的錯(cuò)距為30 m時(shí)，液壓支架的工作阻力基本處于額定工作阻力范圍內(nèi)，錯(cuò)距增大后，液壓支架的工作阻力明顯減小，同樣根據(jù)下工作面的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，4號煤層回采工作面的周期來壓步距在14.2～17.2 m的范圍內(nèi)，由于受到聯(lián)合開采作用的影響，使得基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄嘞鄳?yīng)增大，下煤層的平均周期來壓步距為15.7 m，下工作面同樣在錯(cuò)距為15 m時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)支架超出額定工作阻力(40 MPa)的情況，且經(jīng)常出現(xiàn)煤壁片幫現(xiàn)象，在錯(cuò)距增大到30 m時(shí)，支架的受力狀態(tài)變?yōu)檎顟B(tài)，煤壁片幫現(xiàn)象大大減少。

根據(jù)回采巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得出4號煤層回采過程中運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷的圍巖變形情況如圖5所示。

圖5 回采巷道圍巖變形曲線

由圖5可知，在3號和4號煤層進(jìn)行聯(lián)合開采作業(yè)時(shí)，4號煤層回采工作面煤壁前方30 m的范圍為采動(dòng)影響的劇烈區(qū)域，當(dāng)工作面與測點(diǎn)的距離小于30 m時(shí)，巷道圍巖變形較大，圍巖的變形速率也較大，回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷最大的變形速率分別為1.5 mm/d和1.3 mm/d，當(dāng)測點(diǎn)與工作面間的距離為30～60 m時(shí)，圍巖變形速度加快，當(dāng)超過60 m時(shí)，回采巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平炕竞苄?。?jù)此可知工作面距測點(diǎn)超過60 m時(shí)，處于采動(dòng)影響的穩(wěn)定區(qū)域；另外由于4號煤層的采高較小，煤層較為堅(jiān)硬，回采巷道直接頂多為砂質(zhì)泥巖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育較少，故回采巷道圍巖的變形量較小，其中回采巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖畲笠平糠謩e為79 mm和70 mm。

4 結(jié) 語

根據(jù)3號煤層和4號煤層賦存的具體地質(zhì)條件，采用穩(wěn)壓區(qū)理論和減壓區(qū)理論計(jì)算分析得出上下工作面間最小的合理錯(cuò)距為14.35～28.04 m，通過礦壓監(jiān)測可知，當(dāng)工作面間的錯(cuò)距為15 m時(shí)，上下工作面液壓支架的工作阻力均較高，經(jīng)常出現(xiàn)支架工作阻力超限現(xiàn)象，當(dāng)工作面之間的合理錯(cuò)距增大到30 m后，上下工作面的支架工作阻力處于正常工作狀態(tài)；在上下工作面回采期間，下工作面的采動(dòng)超強(qiáng)支撐應(yīng)力影響區(qū)域?yàn)楣ぷ髅媲胺?0 m，由于工作面采高較小，回采巷道圍巖的變形量較小，以此可為后續(xù)的工作面聯(lián)合開采提供指導(dǎo)。