极近距离煤层联合开采工作面合理错距研究*

石 灏，查文华

(1.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

目前极近距离煤层联合开采的技术难题就是上下煤层联合开采下工作面错距的确定[1-3]，煤层群联合开采造成下煤层工作面围岩应力复杂而剧烈，严重影响工作面推进速度和安全[4-6]。合理错距[7-8]可以减小上煤层顶板[9-10]冒落对下煤层开采的影响，同时，下煤层开采后，错距的合理性也能对上煤层开采影响相应的减弱。查文华等[11]研究了坚硬顶板下极近距离煤层联合开采工作面的安全错距，其错距控制在顶板周期来压步距的1.6～2.0倍；朱涛等[12]针对极近距离煤层开采下煤层的顶板岩层结构，构建了“散体—块体”顶板结构模型，并对此进行了理论和力学分析；杨伟等[13-14]通过理论和现场分析，给出了石圪节煤矿联采条件下工作面合理错距的选取方法；严国超等[15]提出了极近距离薄煤层联合开采常规错距开采模型，并进行了理论和物理模拟试验研究；相关学者通常采用上层煤采动应力对下煤层应力的影响确定工作面合理错距，本文以山西灵石某煤矿9#和10#煤层极近距离联合开采为背景，运用数值模拟和现场实测研究方法，主要分析下煤层采动应力对上煤层回采的影响，并揭示其应力传递规律，确定工作面合理错距。

1 工程概况

山西灵石某煤矿9#和10#两层煤属于极近距离煤层，0908和1008工作面是该矿首个联合开采工作面。9#煤平均厚度为1.0 m，10#煤平均厚度为3.5 m，两煤层间距为2.3 m，煤层为近水平煤层，平均角度4°；9#煤坚硬顶板K2石灰岩平均厚7.25 m，底板砂质泥岩平均厚为2.3 m。0908高档普采面和1008综采工作面相对位置关系如图1所示。

图1 上下工作面相对位置关系Fig.1 Relative position of upper and lower working face

2 极近距离煤层联合开采的数值模拟分析

2.1 数值模拟模型

为了研究极近距离联合开采工作面不同错距下应力传递规律，采用FLAC3D模拟软件建立数值模型，如图2所示。模型主要模拟范围为9#煤顶板K2石灰岩到10#煤底板泥岩之间的煤岩体，数值计算模型尺寸为长×宽×高=250 m×260 m×110 m，围岩物理力学特征如表1所示。

图2 几何模型Fig.1 The geometric model

2.2 边界条件和数值模拟过程

在模型前后、左右以及底部边界，采用零位移边界条件，上煤层埋深343 m，模型上覆岩层采用施加载荷，每100 m地层自重以2.4 MPa作用力施加在模型上部边界。考虑边界效应，巷道外侧边界留设60 m煤柱，工作面边界留50 m再进行开挖。

表1 围岩物理力学性质特征Table 1 The physical and mechanical parameters of rock

模型中，上下工作面以20,26,30,35,40 m错距同时开挖，推进步距为5 m，每次计算稳定后，再开挖下一步计算直至稳定；极近距离煤层联合开采下煤层采空区为上部煤层开采后冒落的矸石和上下煤层间夹矸，则计算过程中，改变局部材料特征，模拟采空区冒落矸石对顶板的支撑作用，滞后15 m充填；按照不同错距值依次进行计算，分析下煤层采动应力对上煤层应力的影响，并揭示其应力传递规律，确定工作面合理错距。

3 上煤层应力变化规律

极近距离煤层联合开采条件下，受下工作面二次采动影响，下煤层的采动应力通过层间岩层，上煤层应力会发生明显变化。在上煤层工作面煤壁前方形成应力集中区，如图3所示，与错距26,30,35,40 m相比，错距20 m时垂直应力集中范围明显较大，垂直应力峰值达到22.8 MPa，应力集中系数为2.12；垂直应力影响范围为44 m，较其他错距同样很大；随着错距进一步拉大，垂直应力集中范围有所减小，影响范围比较稳定，而垂直应力峰值有进一步增大的趋势，错距40 m时垂直应力峰值达到22.22 MPa，如表2所示。

而在上煤层采空区下方形成卸压区，采空区后方受上工作面采空区形成的残余支撑压力与下工作面超前支撑压力作用，该区域的垂直应力峰值为5 MPa左右，如图3(f)所示。上下工作面采动应力同时又影响层间应力，而与其他错距相比，在上工作面前方20 m错距层间垂直应力明显较大，峰值为23.7 MPa；在上工作面采空区后方层间垂直应力峰值普遍为5 MPa左右，如图3(g)所示。

表2 不同错距上工作面垂直应力对比Table 2 Comparison of vertical stress of upperworking face at different malposition

图3 不同错距下垂直应力变化Fig. 3 Variation of vertical stress under different malposition

通过对上下工作面不同错距下极近距离煤层同采的数值模拟分析可知，错距20 m上工作面煤壁前方压力较大，而随着错距拉大，其压力值有增大的趋势，故将上下工作面布置在26～35 m范围是保证安全开采条件下比较合理的错距。

4 工程实践

该矿9#、10#上下两煤层联合开采，0908高档普采面长度140 m，采高1.0 m，沿工作面倾斜方向，在20#,45#,70#,90#溜槽位置末排柱上安装单体支柱压力自测仪，监测上下工作面联合开采过程中0908工作面矿压显现。在工作面回采过程中，根据前文的模拟结果，工作面由初采开始，设计20,26,35 m 3种错距，来分析不同错距下工作面单体支柱矿压显现特征。回采过程中0908工作面矿压观测数据如表3所示，由表3数据得到工作面压力随错距的变化曲线和分布云图，分别如图4,图5所示。

表3 0908工作面单体支柱压力数据

图4 0908工作面单体压力变化曲线Fig. 4 Single pressure change curve of 0908 working face

图5 不同错距下0908工作面单体压力分布Fig.5 Single pressure distribution of 0908 working face under different malposition

图4，图5显示，当工作面错距达到20 m时，在观测过程中，0908工作面压力持续在35 MPa以上，其顶板属于缓慢下沉，工作面顶板的悬空端直接作用在采空区的单体支柱上，造成单体支柱压力很大，甚至压爆，1008工作面综采支架压力很大，片帮严重。而且，0908工作面单体有时并不是直接作用在K2石灰岩顶板上，中间夹杂有一层薄煤，受联合开采1008工作面采动影响，未受单体支护的部分直接掉落，严重影响单体工作面的控顶支护效果。为防止这种现象出现，最有效的方法就是拉大上下工作面错距。

之后将错距逐步加大，当错距达到26 m时，工作面生产条件得到了较好的改善，0908工作面单体支柱压力值有所减小，1008片帮现象明显减少；为了得到更加合理的错距，又将错距逐步增加至35 m。当工作面错距在26～35m之间时，0908工作面单体支柱压力值普遍低于35 MPa，上煤层回采受下煤层采动影响明显减小，矿压显现效果良好；错距大于35 m时，工作面单体支柱压力变化相对平缓。综合以上分析，该错距范围26～35 m是保证安全开采条件下比较合理的错距。

5 结论

1)通过建立数值模拟分析，极近距离煤层联合开采条件下，上煤层应力变化随着错距值不断拉大受下煤层采动应力具有明显的不同，20 m错距上工作面前方垂直应力较大，26～35 m错距范围是保证安全开采条件下比较合理的错距。

2)工程实践表明，上下工作面后续生产过程中，工作面条件明显改善，联合开采错距确定合理，并取得了显著的经济效益。

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