柴 巖

（長(zhǎng)治三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046600）

合理工作面錯(cuò)距的確定是保證煤層同采安全性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵[1-3]，針對(duì)山西晉煤集團(tuán)趙莊煤礦二采區(qū)2301、2401 工作面同采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)明顯的現(xiàn)象，根據(jù)工作面煤層賦存狀態(tài)實(shí)際情況，對(duì)近煤層同采工作面最大支承壓力變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為近距離煤層安全開(kāi)采提供理論依據(jù)。

1 工程概況

山西晉煤集團(tuán)趙莊煤礦二采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造為簡(jiǎn)單水平構(gòu)造，低瓦斯。目前二采區(qū)主要開(kāi)采3煤、4煤，3、4 煤層傾角3°～8°，平均傾角為5°。3 煤厚為0.03～3.28 m，平均煤厚2.0 m；4 煤厚為2.03～4.38 m，平均煤厚3.0 m；煤間距 5.35～9.54 m，平均間距7 m。根據(jù)鉆孔柱狀表1 可知，3 煤層頂板主要成分為細(xì)砂巖，底板為泥巖；4 煤層底板主要為粉砂巖。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r性特征

2 基于穩(wěn)壓區(qū)開(kāi)采理論確定工作面合理錯(cuò)距

穩(wěn)壓區(qū)理論[4-5]提出，下煤層工作面開(kāi)采前，要在上煤層工作面頂板垮落壓實(shí)后，礦壓慢慢恢復(fù)穩(wěn)定后，再進(jìn)行下煤層的開(kāi)采。在近距離煤層同采時(shí)，需要把下煤層工作面布置在穩(wěn)壓區(qū)內(nèi)，穩(wěn)壓區(qū)合理錯(cuò)距如圖1。

圖1 穩(wěn)壓區(qū)合理錯(cuò)距示意圖

式中：M為上、下煤層平均間距，取7 m；δ為巖石移動(dòng)角，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)巖層移動(dòng)角取60°；L為考慮采煤工作面頂板巖層冒落基本穩(wěn)定及大煤層工作面推進(jìn)速度不均衡的安全距離，即L取20～25 m；B為上煤層工作面的最大控頂距，考慮到支架參數(shù)取4.0 m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，錯(cuò)距結(jié)果需要在27.5～32.5 m之間。若兩個(gè)工作面之間錯(cuò)距越大，則兩個(gè)工作面同采相互影響越??；兩個(gè)工作面之間錯(cuò)距越小，下工作面回采持續(xù)受上工作面的影響。

3 數(shù)值模型建立

為更好地解釋水平煤層賦存狀態(tài)對(duì)同采工作面錯(cuò)距的影響規(guī)律，本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)3 煤工作面產(chǎn)生的最大支承壓力進(jìn)行重點(diǎn)研究。煤層平均埋深650 m，考慮到模型計(jì)算速度及邊界效應(yīng)，確定模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=160 m×120 m×150 m，如圖2 所示。模型頂面施加垂直應(yīng)力15 MPa，模型四周及底面全部施加位移約束，模型中煤層及煤層頂、底板巖層物理參數(shù)見(jiàn)表2。為了讓數(shù)值模擬更接近于現(xiàn)實(shí)情況，工作面開(kāi)采后，工作面后方20 m 外采空區(qū)進(jìn)行充填，用于模擬頂板垮落后載荷的傳遞。

圖 2 數(shù)值模型示意圖

表 2 巷道巖層及煤的物理力學(xué)參數(shù)

4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)上述理論計(jì)算得出在不考慮煤層賦存條件下，同采工作面合理錯(cuò)距為27.5～32.5 m，為簡(jiǎn)化條件，取兩煤層同采工作面合理錯(cuò)距為30 m 保持不變。采用數(shù)值模擬與正交試驗(yàn)進(jìn)行研究分析，選擇3 煤層厚度、層間巖層厚度、4 煤層厚度為研究變量，其他條件不變。若采用全面搭配法則，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此采用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)中應(yīng)用較為廣泛的正交試驗(yàn)方法。選取L9（33）三因素三水平的正交模擬方法，確定9 次數(shù)值模擬，試驗(yàn)因素見(jiàn)表3。

表3 三因素三水平的試驗(yàn)因素表 m

4.2 正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

選擇3 煤層工作面前方最大支承壓力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)判斷各個(gè)因素對(duì)工作面錯(cuò)距的影響程度，工作面前方支承壓力越大，越容易導(dǎo)致劇烈的礦壓顯現(xiàn)，在工作面實(shí)際開(kāi)采的過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

其中，表5 中Z1、Z2、Z3代表的含義為一個(gè)因素相同其他兩個(gè)因素不同的最大支承壓力平均值。以Z1 行中數(shù)據(jù)“37.799”為例，所代表的含義為當(dāng)3 煤層厚全部為1 m 時(shí)，不考慮其他兩個(gè)因素，所有試驗(yàn)方案中最大支承壓力相加求均值，如式（2）：

極差計(jì)算方法為同一列中最大支承壓力平均值的最大值減去最小值。以“最大支承壓力直觀分析”中的極差“10.638”為例，其代表含義為只考慮3煤層厚度為1 m、2 m、3 m 時(shí)，其他因素不予考慮，所有試驗(yàn)方案中最大支承壓力平均值的最大值減去平均值的最小值即為極差，如式（3）：

極差（10.638）=Z1-Z3= 37.799-27.161 （3）

極差越大，該因素對(duì)工作面錯(cuò)距的影響越敏感。

4.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

建立9 次數(shù)值模擬模型，其中模型中各巖層力學(xué)參數(shù)為固定值，工作面錯(cuò)距30 m 保持不變，只改變3 煤層厚、層間巖層厚度及4 煤層厚，其他條件相同，對(duì)模型在y=60 m 處做切片處理。根據(jù)垂直方向上的應(yīng)力云圖（SZZ）切片分別統(tǒng)計(jì)在不同因素影響下的3 煤層工作面最大支承壓力的具體數(shù)值。垂直應(yīng)力云圖如圖3，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖 3 垂直應(yīng)力云圖

通過(guò)對(duì)表4 分析可得：根據(jù)最大支承壓力這一試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)的最大組合方案為方案3，其最大支承壓力達(dá)到42.401 MPa；試驗(yàn)的最小組合方案為方案8，最大支承壓力達(dá)到26.730 MPa。此時(shí)方案3 礦壓顯現(xiàn)比方案8 要更明顯，應(yīng)在開(kāi)采過(guò)程中予以重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

4.4 極差分析

為更好地體現(xiàn)煤層賦存狀態(tài)對(duì)工作面錯(cuò)距的影響規(guī)律，通過(guò)正交試驗(yàn)得出各影響因素下工作面錯(cuò)距最大支承壓力值，求其平均值，得到影響因素極差圖如圖3。其中a、b、c代表3 煤層厚、層間巖層厚度及4 煤層厚，2b代表當(dāng)層間巖層厚為7 m 時(shí)，最大支承壓力平均值為30.791 MPa；1、2、3 代表單一試驗(yàn)因素層厚。極差分析表見(jiàn)表5。

表5 極差分析表

通過(guò)表5、圖4 分析可知：層間巖層厚度在3個(gè)水平（5 m、7 m、9 m）下的平均響應(yīng)值分別為30.278 MPa、30.791 MPa、33.071 MPa；4 煤 層 厚度在3 個(gè)水平（2 m、3 m、4 m）下的平均響應(yīng)值分別為30.345 MPa、30.698 MPa、33.097 MPa。兩者的平均響應(yīng)值接近，其變化規(guī)律呈增大趨勢(shì)，說(shuō)最最大支承壓力隨著層間巖層厚度及4 煤層厚度的增大而增大，呈正相關(guān)。3 煤層開(kāi)采后，4 煤層工作面受采動(dòng)的影響會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，若4 煤層再進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，3 煤層產(chǎn)生的應(yīng)力集中與4 煤層產(chǎn)生的應(yīng)力集中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力疊加現(xiàn)象，造成3 煤層礦壓增大。3 煤層厚度在3 個(gè)水平（1 m、2 m、3 m）下的平均響應(yīng)值分別為37.799 MPa、29.180 MPa、27.161 MPa，其變化規(guī)律呈遞減趨勢(shì)，說(shuō)明在工作面同采過(guò)程中，隨著3 煤層厚度的增大，其前方支承壓力減小，這說(shuō)明3 煤層越薄，其工作面前方支承壓力越大，導(dǎo)致劇烈的礦壓顯現(xiàn)，在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋? 煤層采高越大，工作面煤層發(fā)生塑性破壞，因此支承壓力減小。3 個(gè)因素的極差分別為10.638 MPa、2.793 MPa、2.752 MPa，說(shuō)明3 煤層厚度是影響工作面錯(cuò)距最大支承壓力最主要因素，其影響因素排序?yàn)椋? 煤層厚度>層間巖層厚度>4 煤層厚度。

圖4 影響因素極差圖

5 結(jié)論

（1）基于穩(wěn)壓區(qū)開(kāi)采理論，通過(guò)計(jì)算得出3 煤和4 煤兩同采工作面最小合理錯(cuò)距為27.5～32.5 m。

（2）根據(jù)最大支承壓力這一試驗(yàn)指標(biāo)，得出煤層賦存狀態(tài)對(duì)工作面錯(cuò)距支承壓力的影響嚴(yán)重，最大支承壓力值隨著層間巖層厚度及4 煤層厚度的增大而增大，隨著3 煤層厚度的增大而減小，其排序?yàn)椋? 煤層厚度>層間巖層厚度>4 煤層厚度。