隆德煤矿浅埋上下煤层协调同采技术研究

冉星仕

(神木县隆德矿业有限责任公司，陕西 榆林 719000)

随着我国西部浅埋矿区的持续开发，煤层群开采所占的比重逐渐增大，改扩建或新建矿井为了延长矿井服务年限和提高经济效益，也开始设计采用多煤层同采，因此，煤层群协调开采技术越来越引起行业的重视。煤层群开采与单一煤层开采在矿压显现及岩层控制上具有差异性[1-6]，当上下煤层间距较小时，上煤层开采导致底板破坏严重，增加下煤层岩层控制的难度；当两煤层同采错距较小时，围岩应力场相互叠加，产生应力集中区，不利于巷道维护和工作面煤壁的稳定性。浅埋煤层协调开采实践[7-12]表明，回采下部煤层时，上覆采空区遗留煤柱在底板形成应力集中，下煤层应力影响区内的顶板和煤层结构裂隙发育，极易发生冒顶、漏顶现象，甚至出现煤柱失稳破坏导致的下煤层顶板大面积突然垮落等现象，造成切顶压架事故，严重威胁工作面安全生产[13-15]。

隆德煤矿1-1煤、2-2煤同步开采，且2-2煤工作面推采速度较快，势必面临重叠开采问题，当上下煤层工作面回采间距减小至某一值后，下煤层大采高工作面围岩应力状况将更加复杂，围岩控制难度加大，可能造成煤壁片帮漏顶、支架下缩量显著增加、巷道严重变形等问题，给矿井生产带来较大的安全隐患，而隆德煤矿尚缺乏该方面的研究工作，因此，有必要基于隆德煤矿具体地质开采条件，对上下煤层协调同采技术进行深入研究，以保障工作面安全高效生产。

1 矿井概况

隆德煤矿目前主采1-1煤、2-2煤，其中，1-1煤可采厚度1.50～2.15m，平均1.73m，埋深为92.91～153.23m，平均129.04m；2-2煤可采厚度4.12～5.96m，平均4.89m，埋深为40.68～211.42m，平均162.27m。

1-1煤101综采工作面可采长度2529m，工作面长度288.9m。伪顶为厚度0～0.5m的砂质泥岩、炭质泥岩；直接顶为厚度4.2～12.5m的细粒砂岩、粉砂岩；基本顶为厚度5.5～13m的细-中粒砂岩；底板为厚度为1.2～4.5m的粉砂岩、细粒砂岩。101工作面布置3条回采巷道，即辅运巷、主运巷和回风巷，工作面采用ZY10000/13/26D型两柱掩护式液压支架控顶。

2-2煤209工作面可采长度3477m，工作面宽度300m，伪顶为厚度0.2～0.5m的泥岩，直接顶为厚度2.4～5.6m的粉砂岩，基本顶为厚度7.3～14.8m的细砂岩、粉砂岩，底板为厚度8.2～14.3m的粉砂岩，209工作面同样布置3条回采巷道，采用ZY12000/25/50D型两柱掩护式液压支架控顶。101工作面与209工作面重叠，层间距平均54.16m。

2 上下煤层同采应力分布实测研究

2.1 CT探测2-2煤层工作面应力分布

2.1.1 探测方案

CT探测采用的设备为PASAT-M型便携式微震探测系统，探测方案包含2个测区，其中，测区1范围为209工作面煤壁前方200m实体煤，测区2范围为以正回采的1-1煤工作面为分界线，下方2-2煤工作面前后100m实体煤，如图1所示。激发端设计在工作面主运巷回采帮，激发端炮孔间距为10.0m，炮孔深度2.0m，每孔装药量约150g，共20组；接收端检波器设计安装在回风巷回采帮锚杆上，检波器间距18m，共12个。

图1 CT探测测区布置方案

2.1.2 探测结果分析

采用PASAT-RHA软件对探测所得的数据进行分析，分析结果如图2所示。根据图2可知，第1测区在209工作面前方59.5m以外，无显著应力集中区，表明超前采动应力范围不大于59.5m；第2测区在工作面后方47.5m以外，211工作面应力开始升高，表明1-1煤采空区顶板开始垮落。

图2 PASAT测试扫描分析

2.2 钻孔应力计实测2-2煤层工作面应力分布

2.2.1 监测方案

通过安装钻孔应力计，实测1-1煤开采对下方2-2煤工作面的影响，共布置3组测站，如图3所示，测站1用于监测1-1煤回采对下方2-2煤工作面的采动应力影响特征，测站2、测站3用于监测2-2煤工作面超前采动应力分布特征。具体方案如下：

图3 各测站钻孔应力计布置(m)

1)测站1超前于1-1煤102工作面约600m，在209工作面辅运巷向211工作面实体煤帮安装钻孔应力计6部，孔深分别为9m、14m(各3组)，间距5m。

2)测站2超前于209工作面约600m，从209工作面回风巷向实体煤帮安装钻孔应力计6部，钻孔深度分别为9m、14m(各3组)，间距5m。

3)测站3超前于209工作面约600m，从209工作面主运巷向实体煤帮安装钻孔应力计4部，钻孔深度分别为9m、14m(各2组)，间距5m。

2.2.2 监测结果分析

通过长期监测，采动应力分布特征见表1。分析表1可知，2-2煤工作面超前应力影响范围27.6～50.7m，平均40.8m，应力峰值在工作面前方6m，应力集中系数1.23。结合煤体承载性能与应力分布特征[16]，超前应力可分为3个区域：①工作面前方0～6m，属于应力降低区；②工作面前方6～40.8m，属于应力升高区；③工作面前方40.8m以远，属于初始应力区。其中，测站1受侧向间距30m的209工作面和上覆间距54m的102工作面双重采动影响；由测站3典型钻孔应力曲线可知，采动应力曲线全过程基本保持恒定，即上覆1-1煤工作面回采对2-2煤工作面的影响不明显。

表1 各测站采动应力变化特征

3 上下煤层协调开采安全间距确定

上下煤层同采的安全间距确定由3部分组成：2-2煤工作面超前影响距离l1、一定的安全距离l2、1-1煤开采对2-2煤工作面的滞后影响距离l3。根据钻孔应力计及CT探测实测结果，并结合理论计算，综合确定上下煤层协调开采安全间距L。

3.1 钻孔应力计实测确定安全间距

1)209工作面回风巷超前应力影响范围27.6～50.7m，209主运巷超前应力影响范围37～43m，取大值50.7m。

2)一定的安全距离，取1.5～2.0倍周期来压步距，1-1煤工作面周期来压步距平均15.7m，安全距离取大值31.4m。

3)209工作面及上覆102工作面双重采动影响下，211工作面应力基本不发生变化，因此，1-1煤开采对2-2煤工作面的滞后影响距离取0。

从钻孔应力实测角度，隆德煤矿上下煤层同采安全间距L≥50.7+31.4+0=82.1m。

3.2 CT探测确定安全间距

根据CT探测结果，第1测区209工作面超前应力范围l1≤59.5m，第2测区1-1煤层开采对2-2煤工作面滞后影响距离l3≥47.5m，考虑一定的安全距离l2=31.4m，则从CT探测角度，隆德煤矿上下煤层同采安全间距L≥59.5+31.4+47.5=138.4m。

3.3 理论分析确定安全间距

根据隆德煤矿地表移动规律测试分析，2-2煤层工作面超前影响角为68.9°，按1-1煤与2-2煤层间距54.16m计算，得出2-2煤开采对1-1煤的水平影响距离为20.9m，如图4所示，同样考虑安全距离l2=31.4m，则从理论分析角度，隆德煤矿上下煤层同采安全间距L≥20.9+31.4=52.4m。

图4 2-2煤工作面开采岩层移动示意图

综合以上3种方法，为提高隆德煤矿上下煤层同采的安全性，合理安全间距取为138.4m。

4 上下煤层协调开采验证

由于隆德煤矿当前尚不具备现场实测验证条件，因此，采用数值模拟的方法对确定的协调开采安全间距进行验证。以209工作面切眼附近的BK4钻孔揭示的煤岩层为建模参数依据，采用FLAC3D数值模拟方法，建立平面模型，分析不同开采间距对2-2煤工作面覆岩应力的影响特征。模型岩层岩性及主要物理力学参数见表2。建立的平面模型尺寸：长×高=200m×113m，上覆厚度160m的基岩层和表土层采用均布载荷形式加载在模型上表面。模拟方案为先从左侧50m开始，开采上部1-1煤层，开挖长度400m；再从左侧50m开始，开采下部2-2煤层，分别开挖150m、200m、250m、300m、350m、400m，即滞后1-1煤工作面水平距离分别为250m、200m、150m、100m、50m、0m，分析对应的顶板应力变化特征。

表2 数值模拟岩层岩性及主要物理力学参数

滞后距离250m、200m、150m、100m、50m、0m所对应的顶板应力分布情况如图5所示，通常顶板以弯拉破坏为主，本次以拉应力区表征顶板破坏发育范围。由图5可知，2-2煤工作面与1-1煤工作面水平间距由250m缩小至0m过程中，拉应力区在垂直方向上呈逐渐扩大趋势。水平间距250m至100m过程中，拉应力区没有发生贯通；水平间距50m至0m，拉应力区基本整体贯通2-2煤与1-1煤之间的岩层。2-2煤顶板拉应力发育高度如图6所示。水平间距250m至0m过程中，拉应力区发育长度在顶板垂直方向上有波动，但整体呈增大趋势，直至间距50m扩展至整个层间距。可见，为了2-2煤层安全开采，其工作面滞后1-1煤层工作面的水平距离不应小于50m，上述确定的安全间距138.4m满足要求，且有较大的安全富余量。

图5 不同水平间距对应的顶板拉应力区

图6 顶板拉应力区高度统计

5 结 论

1)采用2种现场测试方法，研究了1-1煤与2-2煤开采相互影响关系，即CT探测得出了2-2煤工作面超前应力影响范围不大于59.5m，1-1煤推采47.5m采空区顶板开始垮落对2-2煤工作面应力产生影响；钻孔应力计实测得出了2-2煤工作面超前应力范围平均40.8m，应力峰值位于工作面前方6m，应力集中系数1.23，且2-2煤层回采基本不受间隔煤柱宽度20m的相邻工作面以及间隔顶板岩层厚度54m的1-1煤工作面开采影响。

2)通过CT探测、钻孔应力计实测以及理论计算3种方法，确定了隆德煤矿上下煤层协调开采合理安全间距为138.4m。

3)采用数值模拟方法，研究了不同安全间距下顶板拉应力区演化特征，得出了安全间距50m以内拉应力贯穿整个层间距，验证了隆德煤矿上下煤层协调开采安全间距138.4m的安全性。