薄煤层联合开采工作面合理错距及矿压显现规律研究

李文献

(潞安集团 左权五里堠煤业有限公司，山西 左权 032600)

1 工程概况

五里堠煤业主采3号、4号和15号煤层，其中3号和4号煤层的平均间距为6.6 m，属于近距离煤层，下组煤15号煤层与4号煤层的平均间距为139.6 m。为提高矿井生产效益，对3号和4号煤层采用联合开采的方式，将煤层胶带运输大巷和辅助运输大巷布置在4号煤层内，回风大巷布置在3号煤层内，其中3号煤层均厚为1.13 m，4号煤层均厚为1.37 m；3号煤层直接顶多为泥岩，基本顶为K8砂岩；4号煤层顶板多为砂质泥岩，还含有细砂岩。

3号煤层和4号煤层采用顺序前进的方式，两煤层的工作面面长均为150 m，采煤机截割深度为0.6～0.8 m，工作面采用ZY3600/11/28型支撑掩护式液压支架。本文采用理论分析和现场实测的方法对3号和4号煤层工作面间的合理错距及矿压显现规律进行了研究。

2 联合开采合理错距分析

针对近距离上下煤层同采两工作面间的合理错距问题，主要考虑两方面因素的影响，其一为上下两个工作面间的推进速度问题，另一方面为上下两个工作面间的水平距离。根据五里堠煤业3号和4号煤层的回采方式先开采3号煤层、再开采4号煤层，分析合理错距时采用稳压区和减压区开采理论进行分析。

1) 稳压区理论。稳压区理论的核心是保障上下工作面间的合理错距，使得下工作面在回采作业时不会受到上工作面的采动影响，并且保障下部煤层在开采作业时，上覆岩层运动不会波及影响到上部煤层回采工作面的正常作业，稳压区理论是通过建立上下煤层联合开采的力学模型，通过理论分析得出上下工作面间错距最小值的计算公式[1-2]。具体稳压区理论计算模型如图1所示。

图1 稳压区开采计算模型

上下煤层同采工作面最小距离Xmin计算表达式如下：

Xmin=Mcotδ+L+B

式中：M为上、下煤层平均间距；δ为岩石移动角；B为上煤层工作面的最大控顶距；L为两煤层工作面推进速度不均衡度或上煤层工作面顶板岩石跨落基本稳定的安全距离。

根据3号煤层和4号煤层的具体地质条件，取M=6.6 m，δ=45°，L=15 m，B=6.44 m，代入上式计算得出同采工作面最小错距Xmin=28.04 m。

2) 减压区理论。基于减压区理论，工作面回采结束后，顶板垮落，老顶将承受上覆岩层裂隙带的全部重量，且上覆岩层压力通过老顶岩层传递到回采工作面煤壁前方和后方采空区垮落的矸石上。随着工作面回采推进，底板岩层在一定范围内移动和破坏，破碎后的底板处于碎块结构。图2为上下煤层同采时减压区开采计算模型，图中点H就是底板最大破坏深点，底板破坏后实际形成近似平行破坏线HK[3-4]。

图2 减压区开采计算模型

根据弹塑性力学理论和土力学的相关理论可知，回采工作面均会在回采煤壁的前方形成压塑带，用Y0表示该区域的长度。基于现有极限平衡区的研究理论[5]，能够推导出Y0的表达式如下：

式中：k为应力集中系数，2.0；γ为上覆岩层平均容重，25 kN/m3；H为煤层埋深，200 m；f为层面间的摩擦因数，取0.364；h为工作面(上煤层)采高，1.13 m；cm为煤体黏聚力，1.0 MPa；ε为三轴应力系数，取2.0；φ为岩石的内摩擦角，20°。

在计算工作面前方极限平衡区宽度后，可求得工作面到底板被动应力区边界的长度，从而得到最小常规错距的理论解Ymin，表达式如下：

经计算，3号煤层回采工作面与4号煤层工作面进行上下同采作业时工作面最小常规错距的理论解为14.35 m。

基于上述稳压区开采理论和减压区开采理论能够综合确定出3号煤层工作面和4号煤层工作面进行上下同采作业时工作面的最小合理错距在14.35～28.04 m的范围内。

3 联合开采矿压显现规律

为分析3号煤层与4号煤层进行联合开采时的矿压显现规律，通过在上下工作面上部、中部及下部液压支架上布置矿压监测站，上部、中部及下部监测的液压支架分别为8号、42号和72号，并在上下回采巷道内布置表面位移监测站，对近距离煤层联合开采的矿压数据进行监测，具体监测点的布置方式如图3所示。

图3 上下工作面矿压监测点布置示意

根据3号煤层回采过程中，液压支架的监测数据，统计出上下工作面在错距分别为15 m和30 m时液压支架的工作阻力曲线如图4所示。

图4 不同错距时上工作面支架工作阻力曲线

由图4可知，随着工作面不断向前推进，由于基本顶为K8砂岩，以及工作面采高较小，工作面在回采过程中无明显的周期来压现象，采空区顶板的运动主要表现为缓慢下沉。在上下工作面之间的错距为15 m时，此时上部工作面液压支架的工作阻力较大，支架经常出现安全阀开启的现象，当上下工作面间的错距为30 m时，液压支架的工作阻力基本处于额定工作阻力范围内，错距增大后，液压支架的工作阻力明显减小，同样根据下工作面的矿压监测数据可知，4号煤层回采工作面的周期来压步距在14.2～17.2 m的范围内，由于受到联合开采作用的影响，使得基本顶的周期来压步距相应增大，下煤层的平均周期来压步距为15.7 m，下工作面同样在错距为15 m时经常出现支架超出额定工作阻力(40 MPa)的情况，且经常出现煤壁片帮现象，在错距增大到30 m时，支架的受力状态变为正常状态，煤壁片帮现象大大减少。

根据回采巷道表面位移监测结果，统计得出4号煤层回采过程中运输巷和回风巷的围岩变形情况如图5所示。

图5 回采巷道围岩变形曲线

由图5可知，在3号和4号煤层进行联合开采作业时，4号煤层回采工作面煤壁前方30 m的范围为采动影响的剧烈区域，当工作面与测点的距离小于30 m时，巷道围岩变形较大，围岩的变形速率也较大，回风巷和运输巷最大的变形速率分别为1.5 mm/d和1.3 mm/d，当测点与工作面间的距离为30～60 m时，围岩变形速度加快，当超过60 m时，回采巷道顶底板及两帮移近量基本很小。据此可知工作面距测点超过60 m时，处于采动影响的稳定区域；另外由于4号煤层的采高较小，煤层较为坚硬，回采巷道直接顶多为砂质泥岩，岩体节理裂隙发育较少，故回采巷道围岩的变形量较小，其中回采巷道顶底板及两帮的最大移近量分别为79 mm和70 mm。

4 结 语

根据3号煤层和4号煤层赋存的具体地质条件，采用稳压区理论和减压区理论计算分析得出上下工作面间最小的合理错距为14.35～28.04 m，通过矿压监测可知，当工作面间的错距为15 m时，上下工作面液压支架的工作阻力均较高，经常出现支架工作阻力超限现象，当工作面之间的合理错距增大到30 m后，上下工作面的支架工作阻力处于正常工作状态；在上下工作面回采期间，下工作面的采动超强支撑应力影响区域为工作面前方30 m，由于工作面采高较小，回采巷道围岩的变形量较小，以此可为后续的工作面联合开采提供指导。