近距離煤層群開采工作面布置方式確定

劉 彪,趙玉桃，鄭建偉，金聲堯，郝明明

(1.陜煤銅川礦業有限公司下石節煤礦，陜西 銅川 727101；2.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013；3.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710070)

0 引言

我國多數礦區目前已經需要面對近距離煤層群條件的安全開采問題，如銅川礦區、淮南礦區、大同礦區、六盤水礦區等，近距離煤層群開采由于巖體的重復采動影響，覆巖破壞及采動裂隙發育更加劇烈[1-2]。

李淑軍等[3]研究得到上覆煤層回采結束后，覆巖結構表現為上覆煤層采后單一關鍵層結構；重復采動時，單一關鍵層結構破斷，上覆巖層表現為臺階下沉，頂板整體切落垮落后，工作面來壓劇烈。計平等[4]通過對上下兩分層工作面錯距開采的礦壓顯現現場檢測認為下分層工作面布置時合理的錯距將有助于工作面壓力控制。近距離煤層群開采后頂板運動規律與破壞結構的復雜程度增加，上覆煤層開采后頂板的完整性遭到破壞，下分層煤層開采過程中上覆破斷的頂板將給回采應力分布帶來不確定性，部分區域應力疊加、集中，給下伏回采巷道圍巖穩定帶來嚴重的威脅[5-7]。為此，以下石節煤礦222工作面為研究對象，依據近距離煤層群工作面布置原則，綜合UDEC軟件分析并確定222工作面的合理位置，以期為下石節煤礦下伏4-2煤工作面布置提供一定的理論支撐。

1 工程概況

下石節煤礦位于陜西黃隴侏羅系煤田焦坪礦區西南部一個獨立的含煤塊段，主采煤層為4-2煤層，礦井東翼為合層狀態，全區可采；礦井西翼在220工作面區域分叉為上部3-2煤和下部4-2煤，如圖1所示。3-2煤層可采區分布于井田中深部+950 m水平，煤厚0.98～6.29 m，平均4.18 m，屬局部可采的較穩定厚煤層。4-2煤層厚度為0～34.28 m，平均煤厚10.50 m，屬基本全區可采的較穩定巨厚煤層。目前上部3-2煤已臨近井田邊界，計劃開采下部4-2煤。

圖1 煤層群下分層4-2煤首采面開采剖面Fig.1 Mining profile of the first mining face of 4-2 coal seam in lower layer of coal seam group

綜合分析3-2煤和下部4-2煤的煤層賦存條件，結合淺部220、2301、2302、2303工作面回采情況以及相互空間位置特征，如圖2所示，可將煤層群下分層4-2煤開采特征分為一側采空煤體條件下(首采面222工作面)、兩側采空煤體條件下2種情況(4-2煤后續工作面224、226工作面)。下石節煤礦煤層群開采下分層首采工作面開采特征為一側采空煤體條件下，如圖3所示。首采面222工作面兩順槽合理位置設計將受到頂板上方采空區、上方工作面遺留煤柱以及鄰近已封閉220工作面回采狀況的綜合影響，主要針對首采面開采特征研究其合理布置方式。

圖2 煤層群下分層4-2煤工作面分布Fig.2 Layout of 4-2 coal face in lower layer of coal seam group

圖3 煤層群下分層4-2煤首采面開采特征Fig.3 Mining characteristics of the first mining face of 4-2 coal seam in lower layer of coal seam group

2 222工作面布置原則及分析

2.1 222工作面布置原則

煤層群采用由上向下的次序開采時，上覆煤層工作面布置方式的差異會直接影響下伏煤層工作面布置方式。222工作面上覆3-2煤工作面間煤柱的留設決定了222工作面兩巷應力集中分布狀況，處于塑性狀態的煤柱，其彈性區的寬度將會非常小，同時其承載能力降低，相應煤柱在底板煤巖層中的影響范圍和程度也會降低，此種應力分布結果對下伏煤層工作面巷道布置帶來積極影響[8]。

2.2 222工作面布置分析

2.2.1 內錯式布置

一般來說，近距離煤層開采受到破損圍巖及二次擾動的影響，巷道幫頂較為破碎，支護難度大[9]。因此，針對上覆煤層布置形式，分析煤柱下方應力分布規律，下伏煤層工作面兩巷布置應避開煤柱應力集中區域；針對圍巖條件與巷道賦存特征，選擇符合實際的支護材料和支護技術，提高圍巖穩定性；科學論證礦井地質和技術情況，確定支護參數，降低巷道圍巖變形量。

其中上覆煤層煤柱殘留應力的影響較為關鍵，應優先考慮殘留煤柱應力集中區域對下分層回采巷道的布置形式帶來的影響。根據下石節煤礦煤層賦存特征，回采巷道的布置方式主要有內錯式布置、外錯式布置、重疊式布置。綜合下石節煤礦上覆3-2煤殘留煤柱的分布特征和煤柱(體)底板巖層應力分布規律，確定下石節煤礦近距離煤層222工作面選擇采用內錯式布置，以避免回采巷道位于上煤層煤柱應力集中區內。

2.2.2 內錯距離計算

下伏煤層222工作面為4-2煤層的首采面，222工作面受3-2煤2301工作面采空區、220工作面已采區域重復采動的影響，3-2煤2301工作面為已開采采空區，距3-2煤底板距離為10.5 m，4-2煤層厚11.60 m。

根據對下石節煤礦3-2煤、4-2煤地質條件下，底板巖層應力傳遞規律的研究結果分析[10-12]，一側采空條件下其垂直應力傳遞影響角為32°,根據公式(1)，并代入相關的數值可得一側采空條件回采巷道合理錯距的大小。

L=μh×tanθ

(1)

式中，L為水平錯距大小，m；μ為安全系數，取1.4；h為近距離煤層層間距離，m；θ為應力傳遞影響角，(°)。計算得即L=10 m。故依此選取222工作面回采巷道布置的內錯距離應不小于10 m。

3 222工作面布置數值模擬分析

采用UDEC依據下石節煤礦220工作面、2301工作面、2302工作面區間范圍內不同的地質開采條件下，對煤柱(體)下底板巖層應力分布與變形特征、回采巷道布置方式進行研究。

3.1 分布與變形的特征

為了分析研究下石節煤礦222工作面分布的特征，即在2301工作面采空區下方，鄰近220工作面未開采區域圍巖垂直應力、水平應力分布特征，運用數值模擬進行計算，結果如圖4所示。

圖4 一側采空煤體下傾向底板巖層垂直應力分布Fig.4 Vertical stress distribution of inclined floor strata under one side goaf

由圖4可知，一側采空煤體下，垂直應力峰值等值線位于2301工作面側向煤體里，峰值位置在不同層位距離煤壁邊緣距離范圍為5～8 m，大小為30 MPa，峰值應力系數為1.97，垂直應力峰值等值線呈水平“U”字型。隨著其繼續向煤壁深處延伸，在距離煤壁邊緣14 m范圍內，其垂直應力等值線依舊呈水平“U”字型，垂直應力大小為25 MPa，應力系數為1.64。隨著其繼續向煤壁深處延伸，其應力等值線向頂板深處、煤壁深處、底板深處延伸，其中向頂板、底板延伸的速度較煤壁深處延伸的速度大，其應力等值線呈現出“W”型。

從圖5可知，一側采空煤體條件下，水平應力最大值出現在2301工作面煤壁邊緣頂底角位置處，并沿著頂底角方向向一側采空殘留煤體深部延伸，且水平應力大小逐漸降低，最大水平應力大小為18 MPa。220工作面所處區域基本未受2301工作面采動水平應力的影響。在2301工作面采空區下方，靠一側采空煤體側距煤壁邊緣1.4～23.5 m，距3-2煤底板6～13 m區域范圍內，其水平應力出現降低區，此區域水平應力大小為0～2 MPa。在2301工作面采空區正下方，靠近2301工作面采空區深部，距煤壁邊緣4.24～27.7 m，距3-2煤底板9.2～14.5 m區域范圍內，出現水平應力增加區，此區域水平應力大小為8～12 MPa。

圖5 一側采空煤體下傾向底板巖層水平應力分布Fig.5 Horizontal stress distribution of inclined floor strata under one side goaf

3.2 回采巷道布置方式

運用UDEC數值模擬分別計算下石節煤礦4-2煤222工作面回采巷道外錯10 m、5 m、2 m、垂直式、內錯2 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m下回采巷道應力變形特征，以確定合理的空間位置。4-2煤222工作面回采巷道頂底板豎向位移在不同空間錯距下的變形曲線，如圖6所示。

由圖6(a)可知，在采用外錯式5 m、2 m以及內錯2 m布置時，巷道底板會形成一定程度的底鼓變形，在采用內錯5 m以上布置時，其底板豎向變形為0。由圖6(b)可知，在采用外錯式布置時，頂板豎向位移較大，垂直式布置豎向位移相對降低，隨著進一步的內錯，回采巷道頂板豎向位移進一步減少，在內錯距離大于等于10 m時，222工作面回采巷道頂板豎向位移為0。

圖6 不同錯距下巷道豎向位移曲線Fig.6 Vertical displacement curve of roadway under different staggered distances

綜合考慮分析結果以及下石節煤礦上覆3-2煤層煤柱寬度，下伏煤層首采工作面222工作面宜與上覆2301工作面內錯布置，內錯距離10～20 m。

4 結論

(1)下石節煤礦下伏4-2煤首采面可簡化為一側采空條件下開采，其上覆煤柱底板應力傳遞影響范圍約為9.8 m。

(2)一側采空煤體下，垂直應力在距離煤壁邊緣14 m范圍內呈水平“U”字型分布，峰值位置范圍為5～8 m。水平應力在距煤壁邊緣4.24～27.7 m，距3-2煤底板9.2～14.5 m區域范圍內應力增加。

(3)222工作面與上覆2301工作面采用外錯式布置，底板會形成一定程度的底鼓變形，采用內錯5 m以上布置時，底板豎向變形為0，內錯10 m以上布置時，頂板豎向位移為0。

(4)為了使下伏煤層開采巷道布置于上覆煤層煤柱應力降低區內，結合下石節煤礦近距離煤層開采特征，綜合理論計算與數值分析結果得出，下石節煤礦下伏4-2煤首采面宜采用內錯式布置，內錯距離10～20 m。