浅埋煤层群同采工作面合理错距的实验研究

2015-01-12张元振黄克军李亮丁国峰

华北科技学院学报 2015年4期

张元振, 黄克军, 李亮, 丁国峰

(1.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西西安 710065；2.煤炭绿色开采工程研究中心，陕西西安 710065)

陕北侏罗纪煤田是我国特大型煤炭资源基地，该区煤炭储量大、煤层埋藏浅，可采煤层多，开采条件相对简单[1-2]。煤层群开采一般都采用“分层分采”和“分层同采”两种形式，由于“分层分采”方式，工作面接替比较困难，目前现场主要采用“分层同采”的开采方式。

目前，神南矿区因工作面接替紧张，决定采用煤层群联合布置的形式，该方式可以减少准备工程量，比较经济，可实现上、下煤层工作面正常开采。同时，研究煤层群联合布置同采时上层煤采动应力对下煤层应力的影响和上、下工作面的合理错距可以避免煤层群因同时开采所造成的相互制约，保证上下两工作面安全、高效、稳定的生产。

1 工程概况

神南矿区红柳林井田含煤地层为侏罗系中统延安组，各煤层自东至西呈阶梯状压茬赋存，井田主采煤层为2-2、3-1、4-2和5-2，各煤层平均厚度分别为4.31 m、2.71 m、3.07 m、5.87 m，平均埋深为75 m、108 m、153.5 m和227.50 m。各主采煤层平均间距分别为：2-2与3-1煤层间距为28.33 m，3-1与4-2煤层间距为42.48 m。为了减小各压茬煤层的制约关系，关键在于各煤层同采合错距的分析，以及下煤层开采后覆岩破坏对上煤层的影响。

2 多煤层同采合理错距的理论分析

2.1 浅埋单一煤层开采支承压力分析

单一煤层开釆支承压力分布状态表现形式如图1所示，其分布特点有:①增压区范围内，回釆工作面煤壁前方一定范围内煤体几乎承载回釆空间上覆岩层大部分重量；②采空区跨落带及工作面煤壁随时间推移向前移动；③回采工作面空间位于减压带范围内[3-4]。

图1 单一煤层工作面前后支承压力分布

图2 近距离煤层群同采减压式错距模型

2.2 煤层群稳压式同采工作面布置模型分析

根据近距离煤层同采工作面合理错距的基本理论[5]，视同2-2、3-1、4-2煤3层煤同采，利用常规错距理论计算公式，分析计算同采工作面合理错距。

Xmin=M·cotδ + L + b

(1)

式中，M-煤层间距；δ-岩层移动角，取65°；b-上部煤层工作面的最大控顶距，取8 m；L-下架煤层工作面推进速度不均衡的安全距离，一般不小于15～20 m，综采工作面L值可取1.5～2倍周期来压步距，即20～30 m。

由公式(1)得，稳压式最小错距Xmin为：

2-2与3-1煤，Xmin=13.2+(20～30)+8 = 41.2～51.2m；

3-1与4-2煤，Xmin=19.80+(20～30)+5.8 = 45.6～55.6m。

计算结果显示，稳压区开采，上下煤层合理错距较大，则顶板冒落对下架面开采产生的动力扰动小；下架回采顶板发生岩层移动，不波及煤层的回采工作面；可保障回采工作面工作安全性。

2.3 减压式同采合理错距的理论分析

根据减压区开采理论[5]，建立了近距离煤层群联合开采减压式工作面合理错距模型(图2)，通过模型可知，则有近距离煤层群联合开采时上、下工作面减压式合理错距计算公式：

+Mcotδ

(2)

式中，K-工作面应力集中系数取2；γ-上覆岩层平均容重，取25 kN/m3；M-两煤层间距，m； m-各煤层釆高，m；H-煤层埋深，m； Cm-内聚力，取1.8 MPa；φ-煤层内摩擦角，取32.5°；δ-岩层移动角，取65°；f-煤层与顶底板接触面的摩擦因数，取0.3。

由公式(2)得，减压式最小错距XFmin为：

2-2与3-1煤：XFmin=10.11m； 3-1与4-2煤：XFmin=23.07m；

计算结果表明，同采减压式上下煤层工作面错距较小，减压区的距离难以掌控；结合红柳林煤矿煤层赋存情况及煤层间的影响关系，同采工作面采用稳压式布置比较合理；即2-2煤与3-1煤同采时合理错距范围为41.2～51.2 m，3-1煤与4-2煤同采时合理错距范围为45. 6～55.6 m。

3 多煤层同采合理错距的物理模拟分析

3.1 实验模型

实验主要针对红柳林煤矿3层煤开采进行物理模拟研究；模型长5.0 m，宽0.2 m；模型几何相似比例为1∶125；模型实物全景如图3所示。

图3 煤层群开采模拟实验模型全景

3.2 多煤层同采的错距影响分析

1) 3-1煤层工作面受上煤层工作面的影响

2-2煤层埋深为75.2 m，采高为4.25 m，基岩厚度为41.6 m，上覆松散层厚度为33.6 m。2-2煤层共开采了两个工作面，区段煤柱宽度为20 m；工作面初次来压步距为58.8 m，平均周期来压为12.8 m，如图4所示。

图4 2-2 煤层开采结束后覆岩垮落状况

3-1煤层位于2-2煤层底板下方30 m，采高为2.9 m。3-1煤层第一个工作面(称3101面)开切眼位于2201面切眼的正下方。3101面进入2-2煤柱17.8 m时，支架后方出现明显的裂隙，裂隙贯穿层间覆岩到达2-2煤柱底板，破断岩块在架后回转下沉。3101面出煤柱4 m时，支架前方出现超前破断裂隙，裂隙发育角度约为71.5°，同时从2202采空区底板向下发育形成一条竖向裂隙，如图5所示。3101面出煤柱16.5 m时，顶板突然破断，支架受力明显，上方形成两条贯穿层间覆岩的裂隙[6]，如图6所示。

图5 3101出2-2煤柱4 m

图6 3101 出2-2煤柱16.5 m

3-1煤层相向开采了两个工作面，分别为3101面和3102面，区段煤柱宽度为20 m。由物理模拟过程可知，3-1煤层工作面与2-2煤层工作面垂直布置时，3-1煤工作面在出2-2煤柱时，顶板破断较为剧烈，存在压架的可能性。3-1煤层工作面应尽量与2-2煤层工作面平行布置，若外错于2-2煤柱布置时，外错距离至少应大于17 m。

2) 4-2煤层工作面受上煤层工作面的影响

4-2煤层位于3-1煤层底板下方46 m，采高为3.4 m。4-2煤层第一个工作面(简称4201面)开切眼位于3101切眼的正下方，4201面共推进119 m，开采结束后，留设20 m的煤柱，继续开采4202面。4202面出3-1煤柱16.25 m时，基本顶再次发生破断，上覆岩层整体发生明显下沉，开采侧形成的竖向裂隙向上发育，观测到该裂隙贯穿3-1煤层煤柱，煤柱上覆岩层整体性向3-1二面倾斜，导致煤柱前半部分出现裂隙，后半部分“翘起”，如图7所示。

4202面出煤柱23.75 m时，覆岩突然整体性垮落，形成两条贯穿层间覆岩的平行裂隙，裂隙下端部位于支架正上方，发育角度约为67.5°，上端部距离煤柱外侧8.75 m，如图8所示。

图7 4202面出煤柱16.25 m

图8 4202面出煤柱23.75 m

图9 4-2 煤层开采结束后覆岩垮落状况

由4-2煤开采结束后覆岩垮落状况(图9所示)，4-2煤层工作面应尽量与3-1煤层工作面平行布置，若外错于3-1煤柱布置时，外错距离至少应大于24 m。4-2煤层工作面与3-1煤层工作面垂直布置时，4-2工作面在出3-1煤柱时，也存在压架的可能性，但相对于3-1煤工作面出2-2煤柱时覆岩垮落而言，覆岩垮落剧烈程度降低[7]。此外，2-2煤柱对4-2煤工作面开采基本没有影响。

由物理模拟试验过程可以看出，浅埋煤层群工作面在通过上煤层遗留煤柱的过程中，压架事故往往仅出现在出煤柱阶段，而进煤柱阶段和煤柱区下的开采阶段工作面矿压显现均不强烈，但是也存在较大危险。

4 多煤层同采工作面合理错距的修正

依据初采合理错距经验公式[8](3)，结合物理实验得出的2-2煤层开采初次来压58.8 m和平均周期来压12.8 m，则3-1煤初采合理错距应为84.8 m。3-1煤层开采初次来压48.9 m和平均周期来压15.2 m，则4-2煤初采合理错距应为79.3 m；因此下煤层初次回采时至少要在上煤层来压后相对稳定时期再进行开采。

Xmin 初= S初+2·S周

(3)

式中：Xmin初-初采的合理错距；S初-上工作面初次来压步距；S周-上工作面周期来压步距。

根据正常回采合理错距经验公式[9](4)，物理实验得出2-2煤和3-1煤平均周期来压，对比得出2-2煤和3-1煤常规同采时的合理错距应不小于40 m；3-1煤和4-2煤正常同采时的合理错距应不小于46 m。

3S周

(4)

式中：X正-正常回采的合理错距；S周-上工作面周期来压步距；L2-上煤层单独开采时，在下煤层水平剖面处底板应力曲线中后支承压力前边缘到上工作面煤壁处的水平距。