極近距離下巷道穩定的合理煤層間距的確定

張 民

（山西焦煤霍州煤電集團，山西 霍州031400）

我國近距離煤層所占比例極重，在多處礦區都存在極近距離開采而導致的頂板穩定性問題。當煤層間距減小時，兩層煤層之間的開采影響會相互疊加，煤層間距越小，疊加作用越劇烈，相當于二次重復采動，這種采動會造成新的巖層的破裂，使得工作面更加危險，由于上覆多重煤柱的壓力疊加作用，以及煤層開采時對底板的多次采動，使得下部煤層開采時，頂板應力較為復雜，頂板也較為破碎，這給下部煤層的回采、巷道的掘進和支護均帶來了新的難題〔1－4〕。

為了確定合理的煤層間距的煤柱尺寸，本文以干河煤礦2－112工作面2＃煤層為研究目標，通過數值模擬分析，分析不同煤層間距時的應力及位移情況，并以此為基礎得出該地質條件下合理的煤層間距，為2＃煤層綜掘面合理工作面間距的確定奠定了基礎。

1 試驗工作面基本條件

該工作面地表位于工業廣場西南部，地表形態屬低山黃土丘陵，以黃土梁、垣特征，黃土沖溝發育，工作面地表大部為農田耕地，無建筑物，黃土覆蓋厚度30～90m，基巖厚330～530m。2－112回采工作面煤層總厚度3.8～4.4 m，平均厚度4.1m，夾矸0.3m 左右。煤層結構為2.0（0.3）1.8，煤層傾角5°～19°，平均12°。直接頂板為中細砂巖，厚1.2m，基本頂為K8細粒粉砂巖，厚1.5m，直接底板為細粒砂巖，厚2.4m，老底為K7中粒砂巖，厚4.55m。工作面煤層總厚度為4.1m，結合ZY9000／25.5／55型雙柱掩護式液壓支架適用條件及 MGTY750／1800－WD型采煤機的適宜采高，工作面采高確定為4.1m。本工作面兩巷均沿煤層走向布置，2－1121巷長為1550m，2－112配巷長680m，2－112聯巷長50m，2－1122巷長為742 m，切巷沿煤層傾向布置，長度200m。

由于2＃煤層上覆較多的薄煤層，那么在2＃煤層開挖完后，應該開挖哪層煤層就成為必須要考慮的問題，如果煤層太近，會造成重復采動，多重采空區的累積疊加作用會使得下一個工作面開采很難，如果煤層太遠，又會造成煤層的浪費。因此，到底多大的煤層間距才是合理的煤層間距，就成為我們必須要研究的課題。

2 合理煤層間距的數值模擬研究

在2＃煤層以上，存在多層煤層，間距不等，有5m、8 m、13m、20m、25m，為了在不浪費煤層的情況下，盡可能的開采煤層，經過分析比較，決定以5m、8m、13m、20m、25m為單位，對這五類情況下巖層的穩定性進行分析對比，通過各種不同間距條件下的應力或者位移情況，來確定分析合理的臨近煤層合理的間距。

一般來講，合理的煤層間距應當使得工作面在開采期間，煤層之間的圍巖處于彈性應力狀態，并且巷道處于應力降低區，而不能由于重復采動，使得巷道置于了應力增大區，這就是使得煤層間距不能太小，但是同時也不能太大，使得浪費較大。

下面采用數值模擬的方法，通過分析不同間距情況下的圍巖應力分布特征，來確定臨近工作面下合理的煤層間距。

2.1 數值模擬模型建立

FLAC3D專門為巖土工程而開發的軟件，本次數值模擬即采用FLAC3D數值模擬軟件進行分析。

表1 2＃煤層及圍巖力學性質

模型寬和高均為300m。工作面寬度為120m，距離地面高度為180m，其他巖層則以等效均布荷載的形式施加到頂部。

模型賦存狀態見圖1。模型中參數如表1所示。

圖1 模型賦存狀態

2.2 數值模擬結果分析

圍巖應力分布情況。當煤柱寬度為30m、25m、20m、15m、10m時的應力分布情況及相應的各種情況下的位移分布情況見圖2～圖11。

圖2 煤層間距為5m圍巖塑性區分布

圖3 煤層間距為8m圍巖塑性區分布

圖4 煤層間距為13m圍巖塑性區分布

圖5 煤層間距為20m圍巖塑性區分布

圖6 煤層間距為25m圍巖塑性區分布

圖7 煤層間距為5m圍巖最大主應力分布

圖8 煤層間距為8m圍巖最大主應力分布

圖9 煤層間距為13m圍巖最大主應力分布

圖10 煤層間距為20m圍巖最大主應力分布

圖11 煤層間距為25m圍巖最大主應力分布

從圖中可以看出，隨著煤層間距的增大，圍巖無論是整體塑性區還是兩層煤層之間的塑性區都在不斷減小，這表明隨著煤層間距的增大，兩個煤層之間圍巖受到重復采動的程度在不斷減小，使得圍巖的承受能力加大?？梢钥闯?，當煤層間距為5m時，塑性區非常大，導致工作面頂板、底板等都進入塑性區；當煤層間距為8m，塑性區仍然較大；當煤層間距為13m時，塑性區中開始出現彈性區，但是盡管如此，塑性區仍然較大，尤其是兩層煤層之間的部分，存在較大的塑性區，這是由于煤層之間的圍巖受到了重復采動的原因；當煤層間距為20m時，可以看到無論是煤層的底板、頂板塑性區都大幅減小，尤其是底板部分和兩層煤層之間的部分，可以看出此時已經擺脫了重復采動；當煤層間距為25m時，塑性區進一步減小，并且，塑性區開始不存在連接，表明此時兩者的開采已經完全不受影響。

可以看出，隨著煤層間距的增大，彈性區也在不斷增大，處于15～20m時，有較大的彈性區域，該區域不大不小，既不讓煤層浪費，同時又可以保證煤柱的支撐力。此外，進一步分析最大主應力，發現當煤柱寬度小于15m時，不能形成較好的彈性核區域，而當煤柱寬度大于20m，該彈性核區域又較大，顯得浪費。

綜上所述，通過考察不同煤柱寬度條件下的煤柱應力分布特征和塑性區分布特征，同時考慮到2＃煤層自身的特點，最終決定將煤層間距定位15～20m。

〔1〕陳炎光，陸士良 .中國煤礦巷道圍巖控制〔M〕.徐州：中國礦業大學出版社，1994：68－99.

〔2〕馬全禮，李 洪，白景志 .極近距離下位煤層工作面巷道布置及其支護方式〔J〕.煤炭科學技術，2006，34（9）：37－39.

〔3〕周啟為 .王村礦極近距離煤層開采技術〔J〕.煤炭科學技術，2006，34（3）：6－10.

〔4〕鄭百生，謝文兵，竇林名，等 .不規則煤柱作用下工作面開采的三維數值模擬〔J〕.煤炭學報，2006，31（2）：137－140.