極近距離煤層聯合開采工作面合理錯距研究*

石 灝，查文華

(1.安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

目前極近距離煤層聯合開采的技術難題就是上下煤層聯合開采下工作面錯距的確定[1-3]，煤層群聯合開采造成下煤層工作面圍巖應力復雜而劇烈，嚴重影響工作面推進速度和安全[4-6]。合理錯距[7-8]可以減小上煤層頂板[9-10]冒落對下煤層開采的影響，同時，下煤層開采后，錯距的合理性也能對上煤層開采影響相應的減弱。查文華等[11]研究了堅硬頂板下極近距離煤層聯合開采工作面的安全錯距，其錯距控制在頂板周期來壓步距的1.6～2.0倍；朱濤等[12]針對極近距離煤層開采下煤層的頂板巖層結構，構建了“散體—塊體”頂板結構模型，并對此進行了理論和力學分析；楊偉等[13-14]通過理論和現場分析，給出了石圪節煤礦聯采條件下工作面合理錯距的選取方法；嚴國超等[15]提出了極近距離薄煤層聯合開采常規錯距開采模型，并進行了理論和物理模擬試驗研究；相關學者通常采用上層煤采動應力對下煤層應力的影響確定工作面合理錯距，本文以山西靈石某煤礦9#和10#煤層極近距離聯合開采為背景，運用數值模擬和現場實測研究方法，主要分析下煤層采動應力對上煤層回采的影響，并揭示其應力傳遞規律，確定工作面合理錯距。

1 工程概況

山西靈石某煤礦9#和10#兩層煤屬于極近距離煤層，0908和1008工作面是該礦首個聯合開采工作面。9#煤平均厚度為1.0 m，10#煤平均厚度為3.5 m，兩煤層間距為2.3 m，煤層為近水平煤層，平均角度4°；9#煤堅硬頂板K2石灰巖平均厚7.25 m，底板砂質泥巖平均厚為2.3 m。0908高檔普采面和1008綜采工作面相對位置關系如圖1所示。

圖1 上下工作面相對位置關系Fig.1 Relative position of upper and lower working face

2 極近距離煤層聯合開采的數值模擬分析

2.1 數值模擬模型

為了研究極近距離聯合開采工作面不同錯距下應力傳遞規律，采用FLAC3D模擬軟件建立數值模型，如圖2所示。模型主要模擬范圍為9#煤頂板K2石灰巖到10#煤底板泥巖之間的煤巖體，數值計算模型尺寸為長×寬×高=250 m×260 m×110 m，圍巖物理力學特征如表1所示。

圖2 幾何模型Fig.1 The geometric model

2.2 邊界條件和數值模擬過程

在模型前后、左右以及底部邊界，采用零位移邊界條件，上煤層埋深343 m，模型上覆巖層采用施加載荷，每100 m地層自重以2.4 MPa作用力施加在模型上部邊界。考慮邊界效應，巷道外側邊界留設60 m煤柱，工作面邊界留50 m再進行開挖。

表1 圍巖物理力學性質特征Table 1 The physical and mechanical parameters of rock

模型中，上下工作面以20,26,30,35,40 m錯距同時開挖，推進步距為5 m，每次計算穩定后，再開挖下一步計算直至穩定；極近距離煤層聯合開采下煤層采空區為上部煤層開采后冒落的矸石和上下煤層間夾矸，則計算過程中，改變局部材料特征，模擬采空區冒落矸石對頂板的支撐作用，滯后15 m充填；按照不同錯距值依次進行計算，分析下煤層采動應力對上煤層應力的影響，并揭示其應力傳遞規律，確定工作面合理錯距。

3 上煤層應力變化規律

極近距離煤層聯合開采條件下，受下工作面二次采動影響，下煤層的采動應力通過層間巖層，上煤層應力會發生明顯變化。在上煤層工作面煤壁前方形成應力集中區，如圖3所示，與錯距26,30,35,40 m相比，錯距20 m時垂直應力集中范圍明顯較大，垂直應力峰值達到22.8 MPa，應力集中系數為2.12；垂直應力影響范圍為44 m，較其他錯距同樣很大；隨著錯距進一步拉大，垂直應力集中范圍有所減小，影響范圍比較穩定，而垂直應力峰值有進一步增大的趨勢，錯距40 m時垂直應力峰值達到22.22 MPa，如表2所示。

而在上煤層采空區下方形成卸壓區，采空區后方受上工作面采空區形成的殘余支撐壓力與下工作面超前支撐壓力作用，該區域的垂直應力峰值為5 MPa左右，如圖3(f)所示。上下工作面采動應力同時又影響層間應力，而與其他錯距相比，在上工作面前方20 m錯距層間垂直應力明顯較大，峰值為23.7 MPa；在上工作面采空區后方層間垂直應力峰值普遍為5 MPa左右，如圖3(g)所示。

表2 不同錯距上工作面垂直應力對比Table 2 Comparison of vertical stress of upperworking face at different malposition

圖3 不同錯距下垂直應力變化Fig. 3 Variation of vertical stress under different malposition

通過對上下工作面不同錯距下極近距離煤層同采的數值模擬分析可知，錯距20 m上工作面煤壁前方壓力較大，而隨著錯距拉大，其壓力值有增大的趨勢，故將上下工作面布置在26～35 m范圍是保證安全開采條件下比較合理的錯距。

4 工程實踐

該礦9#、10#上下兩煤層聯合開采，0908高檔普采面長度140 m，采高1.0 m，沿工作面傾斜方向，在20#,45#,70#,90#溜槽位置末排柱上安裝單體支柱壓力自測儀，監測上下工作面聯合開采過程中0908工作面礦壓顯現。在工作面回采過程中，根據前文的模擬結果，工作面由初采開始，設計20,26,35 m 3種錯距，來分析不同錯距下工作面單體支柱礦壓顯現特征。回采過程中0908工作面礦壓觀測數據如表3所示，由表3數據得到工作面壓力隨錯距的變化曲線和分布云圖，分別如圖4,圖5所示。

表3 0908工作面單體支柱壓力數據

圖4 0908工作面單體壓力變化曲線Fig. 4 Single pressure change curve of 0908 working face

圖5 不同錯距下0908工作面單體壓力分布Fig.5 Single pressure distribution of 0908 working face under different malposition

圖4，圖5顯示，當工作面錯距達到20 m時，在觀測過程中，0908工作面壓力持續在35 MPa以上，其頂板屬于緩慢下沉，工作面頂板的懸空端直接作用在采空區的單體支柱上，造成單體支柱壓力很大，甚至壓爆，1008工作面綜采支架壓力很大，片幫嚴重。而且，0908工作面單體有時并不是直接作用在K2石灰巖頂板上，中間夾雜有一層薄煤，受聯合開采1008工作面采動影響，未受單體支護的部分直接掉落，嚴重影響單體工作面的控頂支護效果。為防止這種現象出現，最有效的方法就是拉大上下工作面錯距。

之后將錯距逐步加大，當錯距達到26 m時，工作面生產條件得到了較好的改善，0908工作面單體支柱壓力值有所減小，1008片幫現象明顯減少；為了得到更加合理的錯距，又將錯距逐步增加至35 m。當工作面錯距在26～35m之間時，0908工作面單體支柱壓力值普遍低于35 MPa，上煤層回采受下煤層采動影響明顯減小，礦壓顯現效果良好；錯距大于35 m時，工作面單體支柱壓力變化相對平緩。綜合以上分析，該錯距范圍26～35 m是保證安全開采條件下比較合理的錯距。

5 結論

1)通過建立數值模擬分析，極近距離煤層聯合開采條件下，上煤層應力變化隨著錯距值不斷拉大受下煤層采動應力具有明顯的不同，20 m錯距上工作面前方垂直應力較大，26～35 m錯距范圍是保證安全開采條件下比較合理的錯距。

2)工程實踐表明，上下工作面后續生產過程中，工作面條件明顯改善，聯合開采錯距確定合理，并取得了顯著的經濟效益。

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