華苑煤業近距離煤層聯合開采可行性研究

楊庚慧

（太原煤氣化山西靈石華苑煤業有限公司，山西 靈石 031300）

華苑煤業位于山西省靈石縣附近，主采煤層包括7、9、10號煤層，其中9、10號煤層相距僅為4.35～6.21m，平均5.30m，屬于近距離煤層，9號煤層厚度為0.92～1.40m，平均1.12m，10號煤層厚度3.45～4.75m，平均4.23m，由于9號煤層厚度較薄，若采用下行開采的方法，則9號煤回采后采空區穩定時間較長，不利于安全生產，且工作面產量較低，難以達到生產需求，因此初步擬定采用近距離煤層聯合開采的方法進行回采工作。本文以華苑煤業實際地質條件為工程背景，對聯合開采的可行性進行分析研究，并確定合理的開采錯距，為相似條件下煤層的開采提供借鑒意義。

1 上煤層開采底板應力分布及破壞規律

1.1 上煤層開采底板應力分布規律

煤層開采后，圍巖原始應力場被打破，應力重新分布，分析受力情況，建立力學模型[1-2]，如圖1所示。

圖1 底板應力分布圖

根據圖1所示模型，取底板任意一點，其應力為：

式中：

σx、σy-分別為（x，y）點的水平應力和垂直應力，MPa；

k-應力集中系數；

H-煤層埋深， m；

γ-覆巖平均容重， kN/m3；

η-任一點距離支承壓力峰值位置的水平距離，m；

a-應力壓力峰值距離超前支承壓力邊界的距離，m；

b-煤壁到集中應力峰值位置距離，m。

根據礦井實際生產條件，取超前應力峰值位于煤壁前方4m處，應力集中系數為2.4。對工作面前后30m范圍內應力分布進行計算分析，繪制應力集中系數曲線圖，如圖2所示。

圖2 應力集中系數與距煤壁距離曲線圖

由圖2可以看出，在距離煤壁30m處的采空區內，底板水平應力集中系數接近于0，距離煤壁越近，應力集中系數越大，在距離煤壁3m左右處，水平應力達到原巖應力大小，在煤壁前方2m左右，水平應力系數達到最大值，約1.75，隨著遠離煤壁，應力逐漸減小，在煤壁前方30m左右，應力下降至原巖應力大小。與水平應力相比，垂直應力變化波動更大，在煤壁后方30m處，垂直應力系數約為0.6，在距離煤壁30～10m處的采空區內，應力集中系數逐漸減小，在距離煤壁10m，應力集中系數快速上升，這是由于受9號煤層開采影響，煤壁后方一定范圍內的采空區內，底板出現應力釋放，因此，下煤層工作面布置應盡量避開這一區域。

1.2 上煤層開采底板破壞特征

煤層開采后，受支承壓力影響，底板受到一定的損傷破壞，根據滑移線場理論，煤層底板破壞如圖 3所示[3]。

圖3 煤層底板破壞深度

如圖所示，煤層底板破壞最大深度為：

式中：

φf-底板巖層的內摩擦角，取40°；

L-支承壓力峰值距離煤壁距離，且有

式中：

M1-為9#煤層采高，取1.12m；

H-9#煤層開采深度，取300m；

C-煤層的內聚力，取2.0MPa；

φ-煤體的內摩擦角，取30°；

γ-上覆巖層的平均重率，可取0.025MN/m3；

f-煤層與頂底板的摩擦系數，取0.3；

應力峰值位置距離支承壓力影響邊界距離L2為：

通過計算可知，9號煤層開采后，底板破壞最大深度為9.17m，大于層間距離5.30m，因此10號煤層在開采前頂板便受到一定的損傷破壞，容易發生冒頂等安全事故，應注意加強對10號煤層頂板的管理控制。同時，支承壓力對底板的擾動范圍為34.23m，在這一區域內，煤層頂板破碎，支護管理困難，因此10號煤層工作面應避免布置在這一區域內。

根據前面的分析計算，結合相似條件礦井實際生產經驗，認為華苑煤業9、10煤層可以采用聯合開采的方式，但需制定完善的安全措施，選擇合理的工作面錯距，以保障工作面的安全生產。

2 聯合開采合理錯距分析

選擇合理的同采錯距，對煤層安全高效開采有著重要的影響。在確定工作面合理錯距時，第一是要盡量避免或降低上煤層支承壓力對下煤層工作面的影響；第二是要避免下煤層超前支承壓力與上煤層底板應力相互重疊；第三是要保障上下煤層工作面同步推進，保持錯距在合理范圍內。目前，對于工作面錯距的確定主要有兩種方法，即穩壓區理論和減壓區理論，下面根據華苑煤業實際條件，分別進行理論分析。

減壓區理論是指要將下煤層工作面布置在上煤層底板應力減壓區內，這種布置方式的工作面錯距較小，上下煤層開采相互影響較大，這種布置方式的前提是層間巖層具有足夠的厚度，能夠在下煤層開采時保證頂板相對穩定。但是根據前面的計算可知，9號煤層的底板破壞最大深度為9.17m，大于層間巖層厚度，即10號煤層開采前頂板便受到破壞，若將10號煤層工作面布置在減壓區內，受10號煤層開采影響，頂板受到二次擾動破壞，管理維護難度更大，因此，華苑煤業近距離煤層不具有減壓區開采條件，10號煤層工作面不能布置在減壓區內。

穩壓區理論認為下煤層工作面應布置在上煤層采空區壓實區域內，在此區域內可避免上煤層頂板垮落對下煤層工作面的影響。其開采示意圖如圖4所示[4]。

圖4 穩壓區開采計算模型

由圖4可以知道，按照穩壓區理論，工作面合理錯距為：

式中：

Xmin-工作面最小合理錯距，m；

hcj-上、下煤層層間巖層厚度，取5.3m；

La-9號煤層開采頂板巖層垮落基本穩定的安全距離，一般取20～25m；

B-9號煤層工作面控頂距，取4.7m。

將數據代入式（5），可得：

由此可以看出，采用穩壓區理論，上下煤層工作面錯距應大于34.16m。但是，在實際生產中，發現利用穩壓區理論計算工作面錯距有一定局限性，尤其是在下煤層厚度較大時，誤差可能超過5m[5]，因此，考慮工作面錯距還需考慮10號煤層的超前支承壓力影響范圍，實際觀測可知，影響范圍為25～30m，結合穩壓區理論計算結果，考慮10號煤層工作面錯距最少應為35m。

3 結論

根據華苑煤業實際地質條件，對9、10號近距離煤層聯合開采進行分析研究，得到以下結論：

（1）對上煤層開采后底板應力分布進行研究，分析水平應力和垂直應力的分布規律，認為底板水平應力隨著遠離煤壁，應力逐漸減小，垂直應力變化波動更大，在距離煤壁10m處，應力集中系數快速上升；

（2）對9號煤層底板破壞特征進行計算，煤層底板破壞最大深度為9.17m，大于層間距離，結合相似條件礦井生產經驗，認為采用合理支護方式后，可以采用聯合開采的方法；

（3）根據穩壓區理論，對聯合開采合理錯距進行計算，認為工作面錯距最小應為35m。