張元振, 黃克軍, 李亮, 丁國峰

(1.陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065；2.煤炭綠色開采工程研究中心，陜西 西安 710065)

陜北侏羅紀煤田是我國特大型煤炭資源基地，該區(qū)煤炭儲量大、煤層埋藏淺，可采煤層多，開采條件相對簡單[1-2]。煤層群開采一般都采用“分層分采”和“分層同采”兩種形式，由于“分層分采”方式，工作面接替比較困難，目前現(xiàn)場主要采用“分層同采”的開采方式。

目前，神南礦區(qū)因工作面接替緊張，決定采用煤層群聯(lián)合布置的形式，該方式可以減少準備工程量，比較經濟，可實現(xiàn)上、下煤層工作面正常開采。同時，研究煤層群聯(lián)合布置同采時上層煤采動應力對下煤層應力的影響和上、下工作面的合理錯距可以避免煤層群因同時開采所造成的相互制約，保證上下兩工作面安全、高效、穩(wěn)定的生產。

1 工程概況

神南礦區(qū)紅柳林井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，各煤層自東至西呈階梯狀壓茬賦存，井田主采煤層為2-2、3-1、4-2和5-2，各煤層平均厚度分別為4.31 m、2.71 m、3.07 m、5.87 m，平均埋深為75 m、108 m、153.5 m和227.50 m。各主采煤層平均間距分別為：2-2與3-1煤層間距為28.33 m，3-1與4-2煤層間距為42.48 m。為了減小各壓茬煤層的制約關系，關鍵在于各煤層同采合錯距的分析，以及下煤層開采后覆巖破壞對上煤層的影響。

2 多煤層同采合理錯距的理論分析

2.1 淺埋單一煤層開采支承壓力分析

單一煤層開釆支承壓力分布狀態(tài)表現(xiàn)形式如圖1所示，其分布特點有:①增壓區(qū)范圍內，回釆工作面煤壁前方一定范圍內煤體幾乎承載回釆空間上覆巖層大部分重量；②采空區(qū)跨落帶及工作面煤壁隨時間推移向前移動；③回采工作面空間位于減壓帶范圍內[3-4]。

圖1 單一煤層工作面前后支承壓力分布

圖2 近距離煤層群同采減壓式錯距模型

2.2 煤層群穩(wěn)壓式同采工作面布置模型分析

根據(jù)近距離煤層同采工作面合理錯距的基本理論[5]，視同2-2、3-1、4-2煤3層煤同采，利用常規(guī)錯距理論計算公式，分析計算同采工作面合理錯距。

Xmin=M·cotδ + L + b

(1)

式中，M-煤層間距；δ-巖層移動角，取65°；b-上部煤層工作面的最大控頂距，取8 m；L-下架煤層工作面推進速度不均衡的安全距離，一般不小于15～20 m，綜采工作面L值可取1.5～2倍周期來壓步距，即20～30 m。

由公式(1)得，穩(wěn)壓式最小錯距Xmin為：

2-2與3-1煤，Xmin=13.2+(20～30)+8 = 41.2～51.2m；

3-1與4-2煤，Xmin=19.80+(20～30)+5.8 = 45.6～55.6m。

計算結果顯示，穩(wěn)壓區(qū)開采，上下煤層合理錯距較大，則頂板冒落對下架面開采產生的動力擾動??；下架回采頂板發(fā)生巖層移動，不波及煤層的回采工作面；可保障回采工作面工作安全性。

2.3 減壓式同采合理錯距的理論分析

根據(jù)減壓區(qū)開采理論[5]，建立了近距離煤層群聯(lián)合開采減壓式工作面合理錯距模型(圖2)，通過模型可知，則有近距離煤層群聯(lián)合開采時上、下工作面減壓式合理錯距計算公式：

+Mcotδ

(2)

式中，K-工作面應力集中系數(shù)取2；γ-上覆巖層平均容重，取25 kN/m3；M-兩煤層間距，m； m-各煤層釆高，m；H-煤層埋深，m； Cm-內聚力，取1.8 MPa；φ-煤層內摩擦角，取32.5°；δ-巖層移動角，取65°；f-煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)，取0.3。

由公式(2)得，減壓式最小錯距XFmin為：

2-2與3-1煤：XFmin=10.11m； 3-1與4-2煤：XFmin=23.07m；

計算結果表明，同采減壓式上下煤層工作面錯距較小，減壓區(qū)的距離難以掌控；結合紅柳林煤礦煤層賦存情況及煤層間的影響關系，同采工作面采用穩(wěn)壓式布置比較合理；即2-2煤與3-1煤同采時合理錯距范圍為41.2～51.2 m，3-1煤與4-2煤同采時合理錯距范圍為45. 6～55.6 m。

3 多煤層同采合理錯距的物理模擬分析

3.1 實驗模型

實驗主要針對紅柳林煤礦3層煤開采進行物理模擬研究；模型長5.0 m，寬0.2 m；模型幾何相似比例為1∶125；模型實物全景如圖3所示。

圖3 煤層群開采模擬實驗模型全景

3.2 多煤層同采的錯距影響分析

1) 3-1煤層工作面受上煤層工作面的影響

2-2煤層埋深為75.2 m，采高為4.25 m，基巖厚度為41.6 m，上覆松散層厚度為33.6 m。2-2煤層共開采了兩個工作面，區(qū)段煤柱寬度為20 m；工作面初次來壓步距為58.8 m，平均周期來壓為12.8 m，如圖4所示。

圖4 2-2 煤層開采結束后覆巖垮落狀況

3-1煤層位于2-2煤層底板下方30 m，采高為2.9 m。3-1煤層第一個工作面(稱3101面)開切眼位于2201面切眼的正下方。3101面進入2-2煤柱17.8 m時，支架后方出現(xiàn)明顯的裂隙，裂隙貫穿層間覆巖到達2-2煤柱底板，破斷巖塊在架后回轉下沉。3101面出煤柱4 m時，支架前方出現(xiàn)超前破斷裂隙，裂隙發(fā)育角度約為71.5°，同時從2202采空區(qū)底板向下發(fā)育形成一條豎向裂隙，如圖5所示。3101面出煤柱16.5 m時，頂板突然破斷，支架受力明顯，上方形成兩條貫穿層間覆巖的裂隙[6]，如圖6所示。

圖5 3101出2-2煤柱4 m

圖6 3101 出2-2煤柱16.5 m

3-1煤層相向開采了兩個工作面，分別為3101面和3102面，區(qū)段煤柱寬度為20 m。由物理模擬過程可知，3-1煤層工作面與2-2煤層工作面垂直布置時，3-1煤工作面在出2-2煤柱時，頂板破斷較為劇烈，存在壓架的可能性。3-1煤層工作面應盡量與2-2煤層工作面平行布置，若外錯于2-2煤柱布置時，外錯距離至少應大于17 m。

2) 4-2煤層工作面受上煤層工作面的影響

4-2煤層位于3-1煤層底板下方46 m，采高為3.4 m。4-2煤層第一個工作面(簡稱4201面)開切眼位于3101切眼的正下方，4201面共推進119 m，開采結束后，留設20 m的煤柱，繼續(xù)開采4202面。4202面出3-1煤柱16.25 m時，基本頂再次發(fā)生破斷，上覆巖層整體發(fā)生明顯下沉，開采側形成的豎向裂隙向上發(fā)育，觀測到該裂隙貫穿3-1煤層煤柱，煤柱上覆巖層整體性向3-1二面傾斜，導致煤柱前半部分出現(xiàn)裂隙，后半部分“翹起”，如圖7所示。

4202面出煤柱23.75 m時，覆巖突然整體性垮落，形成兩條貫穿層間覆巖的平行裂隙，裂隙下端部位于支架正上方，發(fā)育角度約為67.5°，上端部距離煤柱外側8.75 m，如圖8所示。

圖7 4202面出煤柱16.25 m

圖8 4202面出煤柱23.75 m

圖9 4-2 煤層開采結束后覆巖垮落狀況

由4-2煤開采結束后覆巖垮落狀況(圖9所示)，4-2煤層工作面應盡量與3-1煤層工作面平行布置，若外錯于3-1煤柱布置時，外錯距離至少應大于24 m。4-2煤層工作面與3-1煤層工作面垂直布置時，4-2工作面在出3-1煤柱時，也存在壓架的可能性，但相對于3-1煤工作面出2-2煤柱時覆巖垮落而言，覆巖垮落劇烈程度降低[7]。此外，2-2煤柱對4-2煤工作面開采基本沒有影響。

由物理模擬試驗過程可以看出，淺埋煤層群工作面在通過上煤層遺留煤柱的過程中，壓架事故往往僅出現(xiàn)在出煤柱階段，而進煤柱階段和煤柱區(qū)下的開采階段工作面礦壓顯現(xiàn)均不強烈，但是也存在較大危險。

4 多煤層同采工作面合理錯距的修正

依據(jù)初采合理錯距經驗公式[8](3)，結合物理實驗得出的2-2煤層開采初次來壓58.8 m和平均周期來壓12.8 m，則3-1煤初采合理錯距應為84.8 m。3-1煤層開采初次來壓48.9 m和平均周期來壓15.2 m，則4-2煤初采合理錯距應為79.3 m；因此下煤層初次回采時至少要在上煤層來壓后相對穩(wěn)定時期再進行開采。

Xmin 初= S初+2·S周

(3)

式中：Xmin初-初采的合理錯距；S初-上工作面初次來壓步距；S周-上工作面周期來壓步距。

根據(jù)正常回采合理錯距經驗公式[9](4)，物理實驗得出2-2煤和3-1煤平均周期來壓，對比得出2-2煤和3-1煤常規(guī)同采時的合理錯距應不小于40 m；3-1煤和4-2煤正常同采時的合理錯距應不小于46 m。

3S周

(4)

式中：X正-正?；夭傻暮侠礤e距；S周-上工作面周期來壓步距；L2-上煤層單獨開采時，在下煤層水平剖面處底板應力曲線中后支承壓力前邊緣到上工作面煤壁處的水平距。

5 結論

1) 通過兩種錯距布置的理論分析，結合礦井生產情況認為，同采工作面采用穩(wěn)壓式布置比較合理，即2-2煤與3-1煤同采時合理錯距范圍為41.2～51.2 m，3-1煤與4-2煤同采時合理錯距范圍為45. 6～55.6 m。

2) 采用物理相似模擬實驗，研究其煤層超前工作面支承壓力對工作面合理錯距的影響；實驗現(xiàn)象表明： 3-1煤層工作面應盡量與2-2煤層工作面平行布置，若外錯于2-2煤柱布置時，外錯距離至少應大于17 m；4-2煤與3-1煤同采時，錯距至少大于柱23.75 m。

3) 綜合礦壓理論和實驗結果，對煤層群開采錯距進行修正，即下伏3-1煤和4-2煤初采合理錯距應為84.8 m和79.3 m；3-1煤和4-2煤正常同采時的合理錯距應不小于40 m和46 m。

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