极近距离煤层同采工作面合理错距研究

刘洪太

(山西晋煤集团 泽州天安圣华煤业有限公司,山西 晋城 048021)

随着煤炭资源的开采,局部矿区煤层间距较大的煤层已采尽,近距离煤层开采成为近年来关注的问题。上煤层的开采会引起下煤层应力重新分布,对下煤层的开采造成安全影响[1-3]。康健[4]研究了不同错距情况下,工作面覆岩移动规律、应力场变化规律。张贵银[5]对极近距离工作面同采合理错距进行研究。张百胜[6]给出了极近距离煤层的定义、分析了下工作面顶板结构失稳过程。本文针对某矿具体地质条件做出理论分析和数值模拟,对极近距离煤层同采工作面合理错距进行研究。

1 工程地质概况

9#煤层埋深约310 m,煤层平均厚度1.12 m,煤层平均倾角4°,顶板自下而上为石灰岩、砂质泥岩、细粒砂岩。10#煤层平均厚度4.26 m,煤层平均倾角6°。9#、10#煤层间距平均5.34 m,以砂质泥岩为主。

2 9#煤层开采对底板的破坏分析

煤层的开采会使工作面煤体超前支承压力传递到底板,当压力超过底板岩石的强度时,底板产生塑性破坏,符合塑性破坏理论。若此压力过大,底板破坏区域将会形成一个滑移面,如图1所示。

图1 支承压力形成底板破坏深度Fig.1 Failure depth of floor caused by abutment pressure

煤体屈服区长度xa计算:

(1)

(2)

(3)

式中:M为9#煤采高,1.12 m;γ为岩石容重,25 kN/m3;H为煤层埋深,m;φ为煤层内摩擦角,27°。

采动底板最大破坏深度hmax为:

(4)

式中:φf为底板岩层内摩擦角,φf=39°。

工作面煤壁前方底板最大破坏深度距工作面端部的距离L1:

L1=hmaxtanφf.

(5)

采空区内底板破坏区沿水平方向的最大长度L2:

(6)

将参数代入公式,计算得到K1=2.92,F=2.45,xa=3.82 m,hmax=9.11 m,L1=7.53 m,L2=25.62 m。

由上述计算得出最大破坏深度大于两煤层夹层距离,破坏深度延伸到10#煤层中,结合图1可知,9#煤层开采对工作面后方底板破坏区域长度为33.15 m。

3 同采工作面布置形式及错距确定

关于同采工作面布置形式的理论有稳压区理论和减压区理论,下面分别进行计算和分析。

3.1 稳压区覆岩稳定性分析

随着上部煤层工作面开采,顶板断裂、采空区矸石压实形成压力稳定区,下部煤层工作面布置在上部煤层稳压区下,其工作面可避免上部煤层开采的扰动影响。稳压区错距计算模型见图2。

图2 稳压区开采计算模型Fig.2 Calculation model of mining in the zone with stable pressure

最小错距计算公式为:

Xmin=M1cotδ+L+B=28.54 m～33.54 m .

(7)

式中:M1为两煤层间距,5.34 m;δ为岩石移动角,取55°;L为安全距离,取20 m～25 m;B为9#煤层工作面的最大控顶距,4.8 m。

3.2 减压区覆岩稳定性分析

上部煤层开采之后形成“砌体梁”结构,工作面前后岩层相互挤压形成的“三铰拱”结构区域即为减压区。把下部煤层工作面布置在减压区下,工作面和巷道受力较小,易于维护。减压区计算模型见图3。

图3 减压区计算模型Fig.3 Calculation model in the zone with reduced pressure

近距离煤层同采上、下工作面最大、小错距为:

Tmin=M1cotδ+B+b=10.54 m.

(8)

Tmax=Xmin-(1～1.5)Sz=7.54 m～19.54 m.

(9)

式中:b为煤壁塑性破坏宽度,取2 m;Sz为9#煤层周期来压距离,取14 m。

综上得到减压区布置形式下合理错距为10.54 m～19.54 m。

3.3 布置形式对下部煤层工作面影响分析

1)减压区布置形式分析。9#煤层开采势必对10#煤层顶板造成破坏,两煤层之间间距为5.34 m,该夹层在10#煤层回采时覆岩活动更加剧烈,会产生更大的破坏。10#煤层工作面在回采时顶板易冒露,支架易失稳,不具备运用减压区理论时必须满足的夹层厚度,不满足安全距离条件,所以减压区布置形式不满足此矿井同采条件。

2)稳压区布置形式分析。10#煤层工作面布置在9#煤层工作面稳压区范围内,9#上覆岩层处于稳定状态,10#煤层工作面受上部岩层开采影响较小,对10#煤层工作面和巷道起到保护作用。

4 数值模拟

采用FLAC3D模拟极近距离同采工作面在稳压区布置形式下的合理错距。模型的长宽高为300 m×150 m×80 m,模型边界施加均布载荷。针对上下煤层来压情况,赋予其对应的物理参数进行采空区充填。其模拟的岩石力学参数如表1所示。不同错距下垂直应力云图见图4。

表1 岩石力学参数Table 1 Mechanics parameters of rocks

4-a 错距为20 m

4-b 错距为25 m

4-c 错距为30 m

4-d 错距为35 m

4-e 错距为40 m图4 不同错距下垂直应力云图Fig.4 Vertical stress nephogram at different offset distances

由图4-a、4-b可知,上部煤层工作面和下部煤层工作面错距为20 m、25 m时,下部煤层工作面受到上部煤层底板应力的影响较大,且在错距为25 m受到应力影响更大。由图4-c可知,当错距为30 m时,下部煤层工作面已开始摆脱上部煤层工作面后方底板应力的影响。由图4-d、4-e可知,当错距为35 m时,下部煤层工作面基本不受上部煤层工作面后方应力的影响;当错距为40 m时,下部煤层工作面控顶区完全不受上部煤层工作面后方应力影响。图5为不同错距下10#煤层工作面控顶区顶板下沉量曲线图。

图5 距10#煤层工作面煤壁1 m、3 m、5 m处顶板下沉量Fig.5 Roof subsidence at 1,3,and 5 meters of No.10 coal seam

由图5可知,当错距小于30 m时,工作面控顶区下沉量随错距的增加而急速下降;当错距大于30 m时,顶板下沉速度急速变缓;当错距大于35 m时,工作面下沉量基本无变化。从顶板下沉量可以看出,将两工作面错距布置在大于35 m时,影响较小。

综上从下部工作面垂直应力分布和顶板下沉量两个方面确定同采工作面错距应不小于35 m。

5 结论

1)通过理论计算得到9#煤层开采最大破坏深度为9.11 m,对工作面后面底板扰动范围为33.15 m。

2)对减压区开采、稳压区开采两种布置形式分析和计算,否定减压区布置形式的可行性。

3)利用数值模拟方法和理论分析最终确定10#煤层工作面布置在9#煤层工作面稳压区范围内,合理错距应大于等于35 m。