不同采煤工藝在極近距煤層中的聯合應用

卞志強

(山西焦煤西山煤電集團有限責任公司官地煤礦，山西 太原 030053)

引 言

煤炭作為我國國民經濟增長的核心動力，其產率是保證其用量的關鍵。近年來，隨著綜采工作面設備自動化水平的不斷提升，影響工作面采煤效率的關鍵因素為不同采煤工藝在不同煤層中的應用。對于極近距煤層而言，鑒于其獨特的性質，當其上部煤層開采完成繼續開采其下部煤層時容易在下部形成集中壓力，導致開采過程中出現頂板垮落的事故。因此，針對極近距煤層的開采需特別關注出現冒頂、漏風的事故[1]。故，針對極近距煤層需對采煤工藝的要求極高。目前，針對極近距煤層采用相同采煤工藝時，可準確得出開采錯距的具體值，而對于極近距煤層采用不同采煤工藝時，尚缺乏可靠的依據確定開采錯距。本文將著重探討極近距煤層采用不同采煤工藝時開采錯距參數的確定依據。

1 工程概況

極近距煤層指的是，煤層與群層之間的距離非常小，在開采過程中受上下煤層影響較大的煤層。在開采過程中，煤層的圍巖應力會重新分布導致對相鄰煤層的頂板或者底板塑形造成影響[2]。經研究可知，煤層間距越小，相鄰煤層開采的相互影響程度越嚴重。在對極近距煤層進行判定時，可依據式(1)進行判定。

(1)

式中，γ為煤層上方巖層的平均容重，kN/m3；H煤層的平均埋藏厚度，m；L為煤層所處工作面的長度，m；Rrmc為煤層上方巖層的單軸抗壓強度，MPa。

本文所研究的工作面9#、10#煤層的γ=25 kN/m3、H=210 m、L=150 m、Rrmc=55.2 MPa～55.63 MPa。將上述參數帶入式(1)中，得該煤層的最大間距范圍為4.18 m～5.92 m<6 m。因此，可以定義本文所研究煤層為極近距煤層。

9#煤層和10#煤層的相對位置關系如圖1所示。

圖1 煤層分布示意圖

如圖1所示，9#煤層歸屬于0908工作面，10#煤層歸屬于1008工作面。其中，9#煤層的平均厚度為1 m，其底板類型為砂質泥巖，平均厚度為2.3 m。10#煤層的平均厚度為3.5 m，其頂板為9#煤層的底板。

2 錯距不合理的影響

鑒于9#煤層和10#煤層煤層厚度相差較大，且頂底板情況不同，所以9#和10#煤層采用不同的采煤工藝。錯距作為不同煤層開采時的關鍵參數，該參數的合理性直接決定兩個工作面的開采效率和安全性[3]。

在實際開采過程中，隨著9#煤層開采任務的不斷推進，其頂板會在開采結束后不斷下沉。由于9#煤層的厚度僅為1 m，導致9#煤層頂板下沉1 m后就與10#煤層的頂板相接觸。此時，9#煤層砂質泥巖的頂板與10#煤層頂板相接觸，在砂質泥巖的作用下導致10#煤層的頂板膨脹系數為1.2。而10#煤層頂板此時的頂板厚度為1.2 m×2.3 m=2.76 m。隨著10#煤層開采的不斷推進，9#煤層頂板的下沉量為：(1+3.5) m-2.76 m=1.74 m，從而導致9#煤層工作面出現周期性斷裂。根據現場所測得數據可得，當步距為16 m～18 m時9#煤層工作面會出現周期性垮落現象；10#煤層出現超前影響劇烈區為25 m～27 m。

當錯距為15 m時，當對9#和10#煤層工作面同時進行回采時，9#煤層的周期性斷裂和10#煤層的支撐導致其各自工作面的液壓支架的壓力和煤壁壓力不斷增大，最終導致9#工作面液壓支架被壓爆、10#工作面出現煤壁片幫的事故[4]。

3 不同采煤工藝下錯距的確定

3.1 錯距確定原則

極近距煤層采用不同采煤工藝時錯距的確定需遵循如下原則：

1) 基于合理錯距的確定盡可能地規避9#煤層(上層)頂板圍巖活動的區域和10#煤層(下層)超前支撐壓力峰值相重疊的區域。

2) 針對9#煤層工作面不斷推進出現頂板緩慢下沉的現象，需適當增大9#煤層采空區觸感段的距離，從而有效緩解9#煤層頂板的下沉情況，進而減小9#煤層液壓支架的的壓力。

3) 針對9#煤層和10#煤層的間距僅為2.3 m，其間距小于10#煤層厚度的情況，而9#煤層采用綜采的開采方式，而10#煤層采用高檔普采的開采方式。在此情況下，錯距值應盡可能大，即，大錯距的安全性高于小錯距的安全性。

4) 錯距的數值不能為上層出現周期性垮落步距的整數倍，應盡可能避開下層工作面出現超前影響劇烈區域[5]。

3.2 最小錯距的計算

極近距煤層采用不同采煤工藝最小錯距的計算公式如式(2)所示。

X=b+L+Hcotδ

(2)

式中，X為最小錯距，m；b為兩煤層的最大控頂距，取b=3 m；L為綜合9#煤層頂板巖石垮落、推經速度不均衡情況下的安全距離，一般L的取值范圍為20 m～25 m，鑒于本文9#煤層與10#煤層之間的間距小于10#煤層的厚度，L應取最大值25 m；δ為上下煤層頂底板圍巖的移動角，一般的，對于堅硬巖石而言，δ=65°；對于軟巖石而言，取δ=50°。本文9#煤層和10#煤層頂底板的巖石均為軟巖石，取δ=50°。

將上述各值代入式(2)中，得不同采煤工藝下9#煤層和10#煤層的最小錯距為30.3 m。

3.3 效果驗證

經3.2計算，適用于9#煤層和10#煤層不同采煤工藝時的最小錯距為30 m。因此，將錯距為30 m應用于極近距煤層的開采中。對9#煤層和10#煤層的礦壓進行監測可知，9#煤層工作面的液壓支架未出現壓爆的事故；10#煤層工作面未出現煤壁片幫的現象。

4 結論

極近距煤層的開采一直困擾著綜采工作面煤層的開采，在開采中錯距參數的不合理常導致煤層工作面出現液壓支架壓爆、煤壁片幫的現象。尤其是針對極近距煤層采用不同采煤工藝時準確確定合理的錯距更加重要。針對我礦9#煤層和10#煤層采用不同采煤工藝開采時，為確保生產的安全性最小錯距應確定為30 m。此外，在實際開采時還需注意以下幾點：

1) 9#煤層工作面應加強對采空區的支護；

2) 10#煤層工作面應利用好液壓支架的護幫板和端頭支架的作用，從而達到防止液壓支架前出現漏頂現象并對頂板壓力進行很好的控制。