近距离煤层条采工作面开采设计研究

张永钢

（山西汾西矿业集团 河东煤矿，山西 灵石031302）

1 煤层概况

矿区内村庄密集，井田面积约22.2422km2，压煤面积约7.66km2，村庄压煤面积约占井田面积的34%。由于矿区内村庄稠密，采用村庄搬迁解放储量，经济上不合理。因此，应大力开展特殊开采方法研究，探索建筑物下有效的采煤方法，降低吨煤成本，提高资源回收率。

16煤层厚度稳定，结构简单（局部含有一层夹矸），无分叉现象。煤层倾角最小3°，最大18°，一般在5°～11°左右。可采性指数100%，为稳定可采煤层。本预计区域内16煤层厚度0.9～1.02m，平均0.94m。16煤层顶板为十下灰岩，厚度为4.37～5.47m，厚度较稳定，裂隙较发育。16煤层直接底为灰白色粘土岩，平均厚度为1.3～1.4m左右，遇水易破碎，但是体积膨胀不明显。

17煤层厚度稳定，结构简单（煤层没有夹矸或只有一层夹矸），无分叉现象。煤层倾角最小3°，最大20°，一般在5°～11°左右。可采性指数100%，为稳定可采煤层。本预计区域内17煤层厚度0.8～1.02m，平均为0.9m。17煤层的直接顶为十一灰，厚度不稳定，容易冒落。17煤层的底板为粘土岩，平均厚度为1.4m左右，遇水容易破碎。

由于该煤矿16煤与17煤间距仅为9m，若采用煤柱部分错开与全部错开方式，下部煤层采宽应小于20m，这与该矿实际不符。

当上下煤柱对齐时，上下煤柱的稳定性可以采用单一煤层煤柱稳定性评价方法，即采用单一煤层条带开采煤柱稳定性研究方法进行评价。本次近距离煤层群条带开采采用煤柱对齐的方式布置煤柱，上层煤（17煤）条带开采采用下层煤（16煤）的开采方案即采40m，留30m。

2 下层煤条带开采设计方案的校核

2.1 塑性区宽度及其垂直应力分析

17煤开采后，煤柱所受的垂直应力见图1，最大垂直应力为9MPa，鞍部的垂直应力为8MPa，小于煤柱的抗压强度（29.5～48.1MPa），满足煤柱长期稳定的要求。

图1 煤柱垂直应力等值线

由UDEC模拟得到，17煤开采后，16煤所留煤柱塑性区宽度为4m，17煤所留煤柱塑性区宽度为6m。煤柱核区率为80%，满足核区率需要大于60%的要求，塑性区宽度见图2。

图2 煤柱塑性区宽度

2.2 地表移动与变形预计

17煤开采后，根据下沉系数有关的公式〔4〕，可以确定采动下沉系数为0.19；根据水平移动系数有关的公式〔4〕，可以确定水平移动系数为0.27；根据主要影响角正切有关的公式〔4〕，可以确定主要影响角正切为1.7。

可求得使用该方案时，三采区条带开采地表移动和变形的最大值（见表1）。

表1 地表移动及变形最大值

通过模拟的该方案引起的最大地表下沉值，将该数据导入EXCEL中，通过EXCEL自动生成地表下沉曲线（见图3）。满足砖石结构建筑物的破坏（保护）等级小于一级的要求。

图3 17煤开采地表下沉曲线

3 下层煤条带开采对上层煤已留煤柱稳定性影响分析

本方案采用条带下行式开采，上层煤开采留设的煤柱，受到本层开采的影响，还要受到下层煤开采的影响。通过UDEC模拟下层煤开采前后煤柱的最大垂直应力、煤柱塑性区宽度，进行对比分析，找出下行开采时下层煤开采对上层已留煤柱的作用规律。

通过对图4～图7的分析发现：

1）开采17煤后，上下层煤柱垂直应力均为“鞍形”分布，上层煤柱的塑性区应力较下层煤柱大，核区应力较下层煤柱小。

2）开采17煤后，条带煤柱的最大垂直应力为14MPa，大于只开采16煤时的最大垂直应力10MPa。

3）开采17煤后，16煤煤柱塑性区的宽度较开采17煤前增大2m。

上述差异说明，17煤开采对16煤已留煤柱的垂直应力分布造成影响；16煤已留煤柱对17煤煤柱的应力分布形式也有影响。17煤条带开采的采动影响使16煤煤柱的应力集中程度增大，16煤煤柱的作用使17煤煤柱弹性核区的应力较单一煤层条带开采时增大。

图4 仅采16煤时的煤柱垂直应力

图5 两层煤均采后的垂直应力

图6 16煤开采后煤柱塑性区分布

图7 两层煤均采后煤柱塑性区分布

4 结语

1）运用数值模拟对上下层煤柱对齐情况下的下煤层条带开采关键参数进行校核，得出下层煤条带开采时煤柱塑性区宽度、煤柱垂直应力分布、地表变形均在要求的范围内。

2）通过对下煤层开采前后的数值模拟结果进行对比，研究了下煤层条带开采对上煤层已留煤柱稳定性的影响，发现下煤层条带开采的采动影响使上煤层煤柱的应力集中程度增大。

〔1〕张宏梅.煤层群条带开采煤柱应力分析〔J〕.山西焦煤科技，2012，2：14－21.

〔2〕张普田.建筑群下煤层群条带开采研究与实践〔J〕.矿山测量，2012，2：32－33.

〔3〕田 坤，冯耀庭，张建超，等.条带开采保护煤柱受力变化规律研究〔J〕.现代商贸工业，2012，18：189－190.

〔4〕王 芳.急倾斜煤层条带开采地表移动与变形规律研究〔D〕.淮南：安徽理工大学，2006.6

〔5〕刘 贵，张华兴，徐乃忠.深部厚煤层条带开采煤柱的稳定性〔J〕.煤炭学报，2008，33（10）：1086－1091.

〔6〕马力强，汪里全，等.近距离煤层群上行开采可行性研究与工程应用〔J〕.湖南科技大学学报（自然科学版），2007，22（4）：1－5.

〔7〕刘金辉.东、西江村建筑群下条带开采可行性研究〔J〕.水力采煤与管道运输，2008（2）：24－26.