煤層賦存狀態對同采工作面錯距的影響研究

柴 巖

（長治三元中能煤業有限公司，山西 長治 046600）

合理工作面錯距的確定是保證煤層同采安全性和經濟性的關鍵[1-3]，針對山西晉煤集團趙莊煤礦二采區2301、2401 工作面同采過程中礦壓顯現明顯的現象，根據工作面煤層賦存狀態實際情況，對近煤層同采工作面最大支承壓力變化規律進行了系統研究，為近距離煤層安全開采提供理論依據。

1 工程概況

山西晉煤集團趙莊煤礦二采區地質構造為簡單水平構造，低瓦斯。目前二采區主要開采3煤、4煤，3、4 煤層傾角3°～8°，平均傾角為5°。3 煤厚為0.03～3.28 m，平均煤厚2.0 m；4 煤厚為2.03～4.38 m，平均煤厚3.0 m；煤間距 5.35～9.54 m，平均間距7 m。根據鉆孔柱狀表1 可知，3 煤層頂板主要成分為細砂巖，底板為泥巖；4 煤層底板主要為粉砂巖。

表1 煤層及頂底板巖性特征

2 基于穩壓區開采理論確定工作面合理錯距

穩壓區理論[4-5]提出，下煤層工作面開采前，要在上煤層工作面頂板垮落壓實后，礦壓慢慢恢復穩定后，再進行下煤層的開采。在近距離煤層同采時，需要把下煤層工作面布置在穩壓區內，穩壓區合理錯距如圖1。

圖1 穩壓區合理錯距示意圖

式中：M為上、下煤層平均間距，取7 m；δ為巖石移動角，根據經驗巖層移動角取60°；L為考慮采煤工作面頂板巖層冒落基本穩定及大煤層工作面推進速度不均衡的安全距離，即L取20～25 m；B為上煤層工作面的最大控頂距，考慮到支架參數取4.0 m。

根據計算結果，錯距結果需要在27.5～32.5 m之間。若兩個工作面之間錯距越大，則兩個工作面同采相互影響越小；兩個工作面之間錯距越小，下工作面回采持續受上工作面的影響。

3 數值模型建立

為更好地解釋水平煤層賦存狀態對同采工作面錯距的影響規律，本文采用數值模擬方法對3 煤工作面產生的最大支承壓力進行重點研究。煤層平均埋深650 m，考慮到模型計算速度及邊界效應，確定模型尺寸為長×寬×高=160 m×120 m×150 m，如圖2 所示。模型頂面施加垂直應力15 MPa，模型四周及底面全部施加位移約束，模型中煤層及煤層頂、底板巖層物理參數見表2。為了讓數值模擬更接近于現實情況，工作面開采后，工作面后方20 m 外采空區進行充填，用于模擬頂板垮落后載荷的傳遞。

圖 2 數值模型示意圖

表 2 巷道巖層及煤的物理力學參數

4 正交試驗設計及評價指標

4.1 正交試驗設計

通過上述理論計算得出在不考慮煤層賦存條件下，同采工作面合理錯距為27.5～32.5 m，為簡化條件，取兩煤層同采工作面合理錯距為30 m 保持不變。采用數值模擬與正交試驗進行研究分析，選擇3 煤層厚度、層間巖層厚度、4 煤層厚度為研究變量，其他條件不變。若采用全面搭配法則，費時費力，因此采用統計數學中應用較為廣泛的正交試驗方法。選取L9（33）三因素三水平的正交模擬方法，確定9 次數值模擬，試驗因素見表3。

表3 三因素三水平的試驗因素表 m

4.2 正交試驗評價指標

選擇3 煤層工作面前方最大支承壓力作為評價指標來判斷各個因素對工作面錯距的影響程度，工作面前方支承壓力越大，越容易導致劇烈的礦壓顯現，在工作面實際開采的過程中應重點監測。

其中，表5 中Z1、Z2、Z3代表的含義為一個因素相同其他兩個因素不同的最大支承壓力平均值。以Z1 行中數據“37.799”為例，所代表的含義為當3 煤層厚全部為1 m 時，不考慮其他兩個因素，所有試驗方案中最大支承壓力相加求均值，如式（2）：

極差計算方法為同一列中最大支承壓力平均值的最大值減去最小值。以“最大支承壓力直觀分析”中的極差“10.638”為例，其代表含義為只考慮3煤層厚度為1 m、2 m、3 m 時，其他因素不予考慮，所有試驗方案中最大支承壓力平均值的最大值減去平均值的最小值即為極差，如式（3）：

極差（10.638）=Z1-Z3= 37.799-27.161 （3）

極差越大，該因素對工作面錯距的影響越敏感。

4.3 正交試驗結果分析

建立9 次數值模擬模型，其中模型中各巖層力學參數為固定值，工作面錯距30 m 保持不變，只改變3 煤層厚、層間巖層厚度及4 煤層厚，其他條件相同，對模型在y=60 m 處做切片處理。根據垂直方向上的應力云圖（SZZ）切片分別統計在不同因素影響下的3 煤層工作面最大支承壓力的具體數值。垂直應力云圖如圖3，其統計結果見表4。

圖 3 垂直應力云圖

通過對表4 分析可得：根據最大支承壓力這一試驗指標，試驗的最大組合方案為方案3，其最大支承壓力達到42.401 MPa；試驗的最小組合方案為方案8，最大支承壓力達到26.730 MPa。此時方案3 礦壓顯現比方案8 要更明顯，應在開采過程中予以重點監測。

表4 正交試驗結果

4.4 極差分析

為更好地體現煤層賦存狀態對工作面錯距的影響規律，通過正交試驗得出各影響因素下工作面錯距最大支承壓力值，求其平均值，得到影響因素極差圖如圖3。其中a、b、c代表3 煤層厚、層間巖層厚度及4 煤層厚，2b代表當層間巖層厚為7 m 時，最大支承壓力平均值為30.791 MPa；1、2、3 代表單一試驗因素層厚。極差分析表見表5。

表5 極差分析表

通過表5、圖4 分析可知：層間巖層厚度在3個水平（5 m、7 m、9 m）下的平均響應值分別為30.278 MPa、30.791 MPa、33.071 MPa；4 煤 層 厚度在3 個水平（2 m、3 m、4 m）下的平均響應值分別為30.345 MPa、30.698 MPa、33.097 MPa。兩者的平均響應值接近，其變化規律呈增大趨勢，說最最大支承壓力隨著層間巖層厚度及4 煤層厚度的增大而增大，呈正相關。3 煤層開采后，4 煤層工作面受采動的影響會產生應力集中現象，若4 煤層再進行開采時，3 煤層產生的應力集中與4 煤層產生的應力集中會出現應力疊加現象，造成3 煤層礦壓增大。3 煤層厚度在3 個水平（1 m、2 m、3 m）下的平均響應值分別為37.799 MPa、29.180 MPa、27.161 MPa，其變化規律呈遞減趨勢，說明在工作面同采過程中，隨著3 煤層厚度的增大，其前方支承壓力減小，這說明3 煤層越薄，其工作面前方支承壓力越大，導致劇烈的礦壓顯現，在開采過程中應重點監測。產生這種現象的原因為：3 煤層采高越大，工作面煤層發生塑性破壞，因此支承壓力減小。3 個因素的極差分別為10.638 MPa、2.793 MPa、2.752 MPa，說明3 煤層厚度是影響工作面錯距最大支承壓力最主要因素，其影響因素排序為：3 煤層厚度>層間巖層厚度>4 煤層厚度。

圖4 影響因素極差圖

5 結論

（1）基于穩壓區開采理論，通過計算得出3 煤和4 煤兩同采工作面最小合理錯距為27.5～32.5 m。

（2）根據最大支承壓力這一試驗指標，得出煤層賦存狀態對工作面錯距支承壓力的影響嚴重，最大支承壓力值隨著層間巖層厚度及4 煤層厚度的增大而增大，隨著3 煤層厚度的增大而減小，其排序為：3 煤層厚度>層間巖層厚度>4 煤層厚度。