晉保煤業極近距離煤層聯合錯距同采技術研究與應用

宗保東

（煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030000）

1 概況

晉保煤業主采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，具體煤層頂底板巖層特征如圖1 所示。若單獨開采12 號煤層和13 號上煤層工作面，無法保證礦井產能，現計劃12 號和13 號上煤層進行聯合開采。

圖1 煤層頂底板巖層柱狀圖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，當兩煤層同時開采時，會對上下煤層的安全回采產生威脅，尤其應避開采動影響應力峰值區域。為保障12 號煤層和13 上號煤層聯合開采期間圍巖的穩定，進行12 號煤層和13 號煤層聯合錯距同采技術的研究分析。

2 同采走向合理錯距分析

2.1 理論分析

（1）穩壓區計算分析。根據穩壓區理論，當進行上下煤層同采時，下煤層工作面應該在上煤層工作面頂垮落穩定后在進行開采，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象的出現。穩壓區理論計算模型如圖2 所示。

圖2 穩壓區開采計算模型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）減壓區開采計算分析。減壓區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。

根據減壓區理論分析研究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上煤層聯合開采時運用減壓區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，結合近距離煤層同采相關研究成果，確定理論分析采用穩壓區理論，即兩煤層同采合理錯距為25.93～31.93 m。

2.2 數值模擬

為準確掌握12 號煤層和13上號煤層同采期間圍巖運動特征，現根據煤層賦存特征，采用UDEC數值模擬軟件進行兩煤層同采條件下圍巖應力分布及演化規律，為對比分析穩壓區理論和減壓區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 時圍巖應力的分布規律研究。現分別對不同錯距下同采40 m 和80 m 時圍巖垂直應力的分布規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 煤采空區卸壓區下，12 煤基本頂仍懸空，對13 上煤工作面開采影響很小。但當近距離煤層繼續同采時，下煤層開采逐漸進入上煤層采空區壓實區內，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，在煤壁側形成應力集中，應力峰值急劇升高至4.55 MPa，此時應注意降低煤壁側應力，加強工作面支護等。當近距離煤層同采至80 m 時，兩煤層層間巖層彎曲運移，并與13 上煤層底板接觸，但應力峰值繼續升高至7.31 MPa，仍處于上煤層采空區壓實區內，表明上煤層采空區壓實作用而造成的重復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壓實區內。當兩煤層同采小于40 m 時，13上煤層工作面開采處于12 煤采空區下，下煤層煤壁側應力受自身開采擾動和上煤層采空區壓實作用影響，煤壁側應力不斷增大，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，煤壁側分擔的應力顯著降低，應力峰值至9.62 MPa，仍處于上煤層采空區壓實區內，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時下煤層工作面應力分布和演化規律，可知，當下煤層工作面布置在上煤層采空區壓實區時（錯距45 m），上煤層采空區對下煤層工作面的礦壓影響相對較弱，但應注意降低兩煤層層間巖層破裂彎曲時造成的應力集中現象，加強工作面支護；而當下煤層工作面布置在上煤層采空區卸壓區時（錯距25 m），前期礦壓顯現不明顯，但隨后將由上煤層采空區卸壓區進入上煤層采空區壓實區，應力持續升高，對下煤工作面后續開采產生較大影響。因此，基于數值模擬結果可知，兩煤層同采合理錯距范圍為25～45 m，基本與理論分析結果合理錯距范圍一致。綜合對比分析兩種錯距方式，結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，為保障巷道圍巖穩定，巷道采用錨網帶索支護，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，具體上下煤層聯合同采錯距、超前支護方式如圖5 所示。

圖5 上下煤層聯合同采錯距、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 工作面回采期間風巷的礦壓觀測數據進行詳細分析，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 風巷頂底板及兩幫變形主要出現在超前工作面50 m 范圍內，其中在超前工作面20 m 范圍內圍巖速率大幅提升，最終頂底板變形量為346 mm，兩幫變形量為285 mm，圍巖處于穩定狀態。

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

4 結語

根據晉保煤業12 號與13上號煤層近距離煤層的特征，通過理論分析+數值模擬進行同采合理錯距的分析，根據分析結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進行設計，根據回采期間的圍巖變形觀測及現場監測可知，兩煤層同采期間在現有錯距和支護方案下，圍巖處于穩定狀態，實現了安全開采。