近距離煤層聯合開采可行性分析

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，很多礦區都有近距煤層開采的問題，如西山礦區、大同礦區、淮南礦區、井陘礦區等。開采近距離煤層一般有3種方法，分別是逐層開采、聯合開采和合層開采。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，很難保證礦井產量；合層開采雖然有提高煤炭產量、減少工作面搬家次數等優點，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太原組和二疊系下統山西組，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巖為主。

杜兒坪礦下組煤層現主要開采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#煤層滿足聯合開采條件，則能簡化生產過程，降低生產成本，提高生產效率。

2 聯合開采頂底板破壞范圍分析

2.1 覆巖破壞高度分析

根據杜兒坪礦8#、9#煤層頂底板巖性可知，8#煤層的頂底板巖層主要由泥巖、石灰巖、細砂巖等組成。依據傳遞巖梁理論，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，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 聯合開采合理錯距的確定

3.1 理論計算

近距離煤層聯合開采時，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，造成生產的安全隱患。因此，必須根據工作面實際情況，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，一種是減壓區理論，另一種是穩壓區理論。減壓區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，本文將采用穩壓區理論對工作面錯距進行合理推算。

穩壓區理論認為，下煤層應在上煤層頂板冒落塌實，礦壓顯現逐漸穩定后再開采，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。

根據穩壓區理論，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.

說明采用穩壓區方案，兩煤層工作面錯距最小應為31.1～36.1 m.

3.2 數值模擬

3.2.1建立模型

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

圖2 數值模型

模型長250 m，寬200 m，高100 m，根據理論計算結果，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規律。

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

通過理論分析和數值模擬，對西山煤電杜兒坪礦8#、9#煤層聯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) 通過穩壓區理論和數值模擬驗證，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#煤層聯合開采的成功經驗，認為在制定完善的安全措施后，杜兒坪礦8#、9#煤層聯合開采是具有可行性的。

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