晋保煤业极近距离煤层联合错距同采技术研究与应用

宗保东

（煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030000）

1 概况

晋保煤业主采3、12、13 号煤层，目前矿井开采12 号和上13 号煤层，12 号煤层厚度1.19～1.27 m，平均1.23 m，煤层内不含夹矸；13 号煤层位于太原组中下部，煤层均厚15.34 m，含1～3 层夹矸，其中上下煤层分层夹矸厚度0.44～6.39 m，平均4.68 m，上距12 号均厚为5.62 m，具体煤层顶底板岩层特征如图1 所示。若单独开采12 号煤层和13 号上煤层工作面，无法保证矿井产能，现计划12 号和13 号上煤层进行联合开采。

图1 煤层顶底板岩层柱状图Fig.1 The histogram of roof and floor strata in coal seam

12 号、13 上号煤层之间为5.62 m 厚的泥岩隔层，当两煤层同时开采时，会对上下煤层的安全回采产生威胁，尤其应避开采动影响应力峰值区域。为保障12 号煤层和13 上号煤层联合开采期间围岩的稳定，进行12 号煤层和13 号煤层联合错距同采技术的研究分析。

2 同采走向合理错距分析

2.1 理论分析

（1）稳压区计算分析。根据稳压区理论，当进行上下煤层同采时，下煤层工作面应该在上煤层工作面顶垮落稳定后在进行开采，以避免下煤层工作面回采期间受上煤层采动影响造成围岩变形量大、顶板大范围冒落及煤壁片帮现象的出现。稳压区理论计算模型如图2 所示。

图2 稳压区开采计算模型Fig.2 Calculation model diagram of mining in stable pressure area

同采最小错距Xmin表达式为：

式中：M 为煤层间距，平均5.62 m；δ 为岩层移动角，取55°；L 为安全距离，一般为20～25 m；b为12 号煤层工作面的最大控顶距，取4 m。代入式（1）得出，Xmin=25.93～31.93 m。

（2）减压区开采计算分析。减压区计算最小错距公式如下：

式中：B 为煤壁塑性破坏宽度，取2 m。

根据减压区理论分析研究12 煤层与13上煤层同时开采时的最大错距：

由式（2）、式（3）计算分析可知，12 煤层和13上煤层联合开采时运用减压区理论计算其合理错距范围约为9.93～19.93 m。

综合考虑12 号和13上号煤层的赋存情况，结合近距离煤层同采相关研究成果，确定理论分析采用稳压区理论，即两煤层同采合理错距为25.93～31.93 m。

2.2 数值模拟

为准确掌握12 号煤层和13上号煤层同采期间围岩运动特征，现根据煤层赋存特征，采用UDEC数值模拟软件进行两煤层同采条件下围岩应力分布及演化规律，为对比分析稳压区理论和减压区理论对同采工作面错距的影响，分别取两煤层煤壁交错距离25 m 和45 m，进行两煤层同采80 m 时围岩应力的分布规律研究。现分别对不同错距下同采40 m 和80 m 时围岩垂直应力的分布规律具体进行出图分析，如图3 所示。

图3 不同错距下同采不同距离时围岩垂直应力分布云图Fig.3 Vertical stress distribution cloud chart of surrounding rock at different mining distances under different offsets

分析图3（a）、3（b）可知，当近距离煤层工作面错距25 m 且两煤层同采小于50 m 时，13 上煤层工作面开采处于12 煤采空区卸压区下，12 煤基本顶仍悬空，对13 上煤工作面开采影响很小。但当近距离煤层继续同采时，下煤层开采逐渐进入上煤层采空区压实区内，且由于下煤层工作面开采扰动影响，两煤层层间岩层逐渐破裂、弯曲，在煤壁侧形成应力集中，应力峰值急剧升高至4.55 MPa，此时应注意降低煤壁侧应力，加强工作面支护等。当近距离煤层同采至80 m 时，两煤层层间岩层弯曲运移，并与13 上煤层底板接触，但应力峰值继续升高至7.31 MPa，仍处于上煤层采空区压实区内，表明上煤层采空区压实作用而造成的重复扰动对下煤层工作面开采影响显著。

分析图3（c）、3（d）可知，当近距离煤层工作面错距45 m 时，下煤层开采一直处于上煤层采空区压实区内。当两煤层同采小于40 m 时，13上煤层工作面开采处于12 煤采空区下，下煤层煤壁侧应力受自身开采扰动和上煤层采空区压实作用影响，煤壁侧应力不断增大，由1.21 MPa 均匀增加至4.51 MPa，对下煤层工作面的支护以及巷道维护等有利。当近距离煤层同采至80 m 时，两煤层层间岩层弯曲运移，并与13 上煤层底板接触，煤壁侧分担的应力显著降低，应力峰值至9.62 MPa，仍处于上煤层采空区压实区内，并重新开始下个层间岩层运动周期。

综合分析近距离煤层工作面错距45 m 和25 m时下煤层工作面应力分布和演化规律，可知，当下煤层工作面布置在上煤层采空区压实区时（错距45 m），上煤层采空区对下煤层工作面的矿压影响相对较弱，但应注意降低两煤层层间岩层破裂弯曲时造成的应力集中现象，加强工作面支护；而当下煤层工作面布置在上煤层采空区卸压区时（错距25 m），前期矿压显现不明显，但随后将由上煤层采空区卸压区进入上煤层采空区压实区，应力持续升高，对下煤工作面后续开采产生较大影响。因此，基于数值模拟结果可知，两煤层同采合理错距范围为25～45 m，基本与理论分析结果合理错距范围一致。综合对比分析两种错距方式，结合煤层赋存情况及特征，确定12 号和13 上号煤层同采合理错距为45 m。

3 工程应用

3.1 回采巷道支护方案

12 号煤层回采期间，由于其回采期间超前13号上煤层45 m，因此回采巷道受到同采压力较小，回采巷道采用普通锚网索支护方案。针对13上煤层，由于其受到上煤层回采动压影响，为保障巷道围岩稳定，巷道采用锚网带索支护，锚杆采用φ18 mm×2 200 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为1 000 mm×900 mm，锚索采用φ15.24 mm×5 000 mm 的1×7 股钢绞线，每个断面布置1 根锚索补强支护，排距为900 mm，巷道表面采用金属网护表，锚杆间采用W 型钢带进行连接，如图4 所示。

图4 13上号煤层回采巷道支护断面Fig.4 Supporting section chart of mining roadway in 13 upper coal seam

工作面回采期间，工作面超前支护距离大于40 m，超前支护巷道采用单体支柱+π 型钢梁支护方式，具体上下煤层联合同采错距、超前支护方式如图5 所示。

图5 上下煤层联合同采错距、超前支护示意Fig.5 The schematic diagram of combined mining fault distance and advanced support in upper and lower coal seams

3.2 效果分析

以13101 工作面回采期间风巷的矿压观测数据进行详细分析，具体上下煤层同采期间围岩变形与工作面距离间的关系曲线如图6 所示。

图6 13 号上煤层回采期间围岩变形曲线Fig.6 Surrounding rock deformation curve during No.13 upper coal seam mining

分析图6 可知，12 号煤层和13上号煤层同采期间，13101 风巷顶底板及两帮变形主要出现在超前工作面50 m 范围内，其中在超前工作面20 m 范围内围岩速率大幅提升，最终顶底板变形量为346 mm，两帮变形量为285 mm，围岩处于稳定状态。

另外根据上下工作面同采期间的工作面的矿压监测及现场情况可知，上下工作面均实现安全开采，下工作面无液压支架压架、大范围冒顶片帮现象的出现。

4 结语

根据晋保煤业12 号与13上号煤层近距离煤层的特征，通过理论分析+数值模拟进行同采合理错距的分析，根据分析结果确定上下煤层合理错距为45 m，并对13上号煤层回采巷道支护参数进行设计，根据回采期间的围岩变形观测及现场监测可知，两煤层同采期间在现有错距和支护方案下，围岩处于稳定状态，实现了安全开采。