晉保煤業(yè)極近距離煤層聯(lián)合錯距同采技術(shù)研究與應(yīng)用

宗保東

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院集團有限公司，山西 太原 030000）

1 概況

晉保煤業(yè)主采3、12、13 號煤層，目前礦井開采12 號和上13 號煤層，12 號煤層厚度1.19～1.27 m，平均1.23 m，煤層內(nèi)不含夾矸；13 號煤層位于太原組中下部，煤層均厚15.34 m，含1～3 層夾矸，其中上下煤層分層夾矸厚度0.44～6.39 m，平均4.68 m，上距12 號均厚為5.62 m，具體煤層頂?shù)装鍘r層特征如圖1 所示。若單獨開采12 號煤層和13 號上煤層工作面，無法保證礦井產(chǎn)能，現(xiàn)計劃12 號和13 號上煤層進行聯(lián)合開采。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖Fig.1 The histogram of roof and floor strata in coal seam

12 號、13 上號煤層之間為5.62 m 厚的泥巖隔層，當(dāng)兩煤層同時開采時，會對上下煤層的安全回采產(chǎn)生威脅，尤其應(yīng)避開采動影響應(yīng)力峰值區(qū)域。為保障12 號煤層和13 上號煤層聯(lián)合開采期間圍巖的穩(wěn)定，進行12 號煤層和13 號煤層聯(lián)合錯距同采技術(shù)的研究分析。

2 同采走向合理錯距分析

2.1 理論分析

（1）穩(wěn)壓區(qū)計算分析。根據(jù)穩(wěn)壓區(qū)理論，當(dāng)進行上下煤層同采時，下煤層工作面應(yīng)該在上煤層工作面頂垮落穩(wěn)定后在進行開采，以避免下煤層工作面回采期間受上煤層采動影響造成圍巖變形量大、頂板大范圍冒落及煤壁片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)。穩(wěn)壓區(qū)理論計算模型如圖2 所示。

圖2 穩(wěn)壓區(qū)開采計算模型Fig.2 Calculation model diagram of mining in stable pressure area

同采最小錯距Xmin表達式為：

式中：M 為煤層間距，平均5.62 m；δ 為巖層移動角，取55°；L 為安全距離，一般為20～25 m；b為12 號煤層工作面的最大控頂距，取4 m。代入式（1）得出，Xmin=25.93～31.93 m。

（2）減壓區(qū)開采計算分析。減壓區(qū)計算最小錯距公式如下：

式中：B 為煤壁塑性破壞寬度，取2 m。

根據(jù)減壓區(qū)理論分析研究12 煤層與13上煤層同時開采時的最大錯距：

由式（2）、式（3）計算分析可知，12 煤層和13上煤層聯(lián)合開采時運用減壓區(qū)理論計算其合理錯距范圍約為9.93～19.93 m。

綜合考慮12 號和13上號煤層的賦存情況，結(jié)合近距離煤層同采相關(guān)研究成果，確定理論分析采用穩(wěn)壓區(qū)理論，即兩煤層同采合理錯距為25.93～31.93 m。

2.2 數(shù)值模擬

為準(zhǔn)確掌握12 號煤層和13上號煤層同采期間圍巖運動特征，現(xiàn)根據(jù)煤層賦存特征，采用UDEC數(shù)值模擬軟件進行兩煤層同采條件下圍巖應(yīng)力分布及演化規(guī)律，為對比分析穩(wěn)壓區(qū)理論和減壓區(qū)理論對同采工作面錯距的影響，分別取兩煤層煤壁交錯距離25 m 和45 m，進行兩煤層同采80 m 時圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律研究。現(xiàn)分別對不同錯距下同采40 m 和80 m 時圍巖垂直應(yīng)力的分布規(guī)律具體進行出圖分析，如圖3 所示。

圖3 不同錯距下同采不同距離時圍巖垂直應(yīng)力分布云圖Fig.3 Vertical stress distribution cloud chart of surrounding rock at different mining distances under different offsets

分析圖3（a）、3（b）可知，當(dāng)近距離煤層工作面錯距25 m 且兩煤層同采小于50 m 時，13 上煤層工作面開采處于12 煤采空區(qū)卸壓區(qū)下，12 煤基本頂仍懸空，對13 上煤工作面開采影響很小。但當(dāng)近距離煤層繼續(xù)同采時，下煤層開采逐漸進入上煤層采空區(qū)壓實區(qū)內(nèi)，且由于下煤層工作面開采擾動影響，兩煤層層間巖層逐漸破裂、彎曲，在煤壁側(cè)形成應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值急劇升高至4.55 MPa，此時應(yīng)注意降低煤壁側(cè)應(yīng)力，加強工作面支護等。當(dāng)近距離煤層同采至80 m 時，兩煤層層間巖層彎曲運移，并與13 上煤層底板接觸，但應(yīng)力峰值繼續(xù)升高至7.31 MPa，仍處于上煤層采空區(qū)壓實區(qū)內(nèi)，表明上煤層采空區(qū)壓實作用而造成的重復(fù)擾動對下煤層工作面開采影響顯著。

分析圖3（c）、3（d）可知，當(dāng)近距離煤層工作面錯距45 m 時，下煤層開采一直處于上煤層采空區(qū)壓實區(qū)內(nèi)。當(dāng)兩煤層同采小于40 m 時，13上煤層工作面開采處于12 煤采空區(qū)下，下煤層煤壁側(cè)應(yīng)力受自身開采擾動和上煤層采空區(qū)壓實作用影響，煤壁側(cè)應(yīng)力不斷增大，由1.21 MPa 均勻增加至4.51 MPa，對下煤層工作面的支護以及巷道維護等有利。當(dāng)近距離煤層同采至80 m 時，兩煤層層間巖層彎曲運移，并與13 上煤層底板接觸，煤壁側(cè)分擔(dān)的應(yīng)力顯著降低，應(yīng)力峰值至9.62 MPa，仍處于上煤層采空區(qū)壓實區(qū)內(nèi)，并重新開始下個層間巖層運動周期。

綜合分析近距離煤層工作面錯距45 m 和25 m時下煤層工作面應(yīng)力分布和演化規(guī)律，可知，當(dāng)下煤層工作面布置在上煤層采空區(qū)壓實區(qū)時（錯距45 m），上煤層采空區(qū)對下煤層工作面的礦壓影響相對較弱，但應(yīng)注意降低兩煤層層間巖層破裂彎曲時造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，加強工作面支護；而當(dāng)下煤層工作面布置在上煤層采空區(qū)卸壓區(qū)時（錯距25 m），前期礦壓顯現(xiàn)不明顯，但隨后將由上煤層采空區(qū)卸壓區(qū)進入上煤層采空區(qū)壓實區(qū)，應(yīng)力持續(xù)升高，對下煤工作面后續(xù)開采產(chǎn)生較大影響。因此，基于數(shù)值模擬結(jié)果可知，兩煤層同采合理錯距范圍為25～45 m，基本與理論分析結(jié)果合理錯距范圍一致。綜合對比分析兩種錯距方式，結(jié)合煤層賦存情況及特征，確定12 號和13 上號煤層同采合理錯距為45 m。

3 工程應(yīng)用

3.1 回采巷道支護方案

12 號煤層回采期間，由于其回采期間超前13號上煤層45 m，因此回采巷道受到同采壓力較小，回采巷道采用普通錨網(wǎng)索支護方案。針對13上煤層，由于其受到上煤層回采動壓影響，為保障巷道圍巖穩(wěn)定，巷道采用錨網(wǎng)帶索支護，錨桿采用φ18 mm×2 200 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×900 mm，錨索采用φ15.24 mm×5 000 mm 的1×7 股鋼絞線，每個斷面布置1 根錨索補強支護，排距為900 mm，巷道表面采用金屬網(wǎng)護表，錨桿間采用W 型鋼帶進行連接，如圖4 所示。

圖4 13上號煤層回采巷道支護斷面Fig.4 Supporting section chart of mining roadway in 13 upper coal seam

工作面回采期間，工作面超前支護距離大于40 m，超前支護巷道采用單體支柱+π 型鋼梁支護方式，具體上下煤層聯(lián)合同采錯距、超前支護方式如圖5 所示。

圖5 上下煤層聯(lián)合同采錯距、超前支護示意Fig.5 The schematic diagram of combined mining fault distance and advanced support in upper and lower coal seams

3.2 效果分析

以13101 工作面回采期間風(fēng)巷的礦壓觀測數(shù)據(jù)進行詳細分析，具體上下煤層同采期間圍巖變形與工作面距離間的關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖6 13 號上煤層回采期間圍巖變形曲線Fig.6 Surrounding rock deformation curve during No.13 upper coal seam mining

分析圖6 可知，12 號煤層和13上號煤層同采期間，13101 風(fēng)巷頂?shù)装寮皟蓭妥冃沃饕霈F(xiàn)在超前工作面50 m 范圍內(nèi)，其中在超前工作面20 m 范圍內(nèi)圍巖速率大幅提升，最終頂?shù)装遄冃瘟繛?46 mm，兩幫變形量為285 mm，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

另外根據(jù)上下工作面同采期間的工作面的礦壓監(jiān)測及現(xiàn)場情況可知，上下工作面均實現(xiàn)安全開采，下工作面無液壓支架壓架、大范圍冒頂片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4 結(jié)語

根據(jù)晉保煤業(yè)12 號與13上號煤層近距離煤層的特征，通過理論分析+數(shù)值模擬進行同采合理錯距的分析，根據(jù)分析結(jié)果確定上下煤層合理錯距為45 m，并對13上號煤層回采巷道支護參數(shù)進行設(shè)計，根據(jù)回采期間的圍巖變形觀測及現(xiàn)場監(jiān)測可知，兩煤層同采期間在現(xiàn)有錯距和支護方案下，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，實現(xiàn)了安全開采。