極近距離煤層同采工作面合理錯(cuò)距研究

劉洪太

(山西晉煤集團(tuán) 澤州天安圣華煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048021)

隨著煤炭資源的開采,局部礦區(qū)煤層間距較大的煤層已采盡,近距離煤層開采成為近年來關(guān)注的問題。上煤層的開采會(huì)引起下煤層應(yīng)力重新分布,對(duì)下煤層的開采造成安全影響[1-3]。康健[4]研究了不同錯(cuò)距情況下,工作面覆巖移動(dòng)規(guī)律、應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律。張貴銀[5]對(duì)極近距離工作面同采合理錯(cuò)距進(jìn)行研究。張百勝[6]給出了極近距離煤層的定義、分析了下工作面頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)過程。本文針對(duì)某礦具體地質(zhì)條件做出理論分析和數(shù)值模擬,對(duì)極近距離煤層同采工作面合理錯(cuò)距進(jìn)行研究。

1 工程地質(zhì)概況

9#煤層埋深約310 m,煤層平均厚度1.12 m,煤層平均傾角4°,頂板自下而上為石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖。10#煤層平均厚度4.26 m,煤層平均傾角6°。9#、10#煤層間距平均5.34 m,以砂質(zhì)泥巖為主。

2 9#煤層開采對(duì)底板的破壞分析

煤層的開采會(huì)使工作面煤體超前支承壓力傳遞到底板,當(dāng)壓力超過底板巖石的強(qiáng)度時(shí),底板產(chǎn)生塑性破壞,符合塑性破壞理論。若此壓力過大,底板破壞區(qū)域?qū)?huì)形成一個(gè)滑移面,如圖1所示。

圖1 支承壓力形成底板破壞深度Fig.1 Failure depth of floor caused by abutment pressure

煤體屈服區(qū)長(zhǎng)度xa計(jì)算:

(1)

(2)

(3)

式中:M為9#煤采高,1.12 m;γ為巖石容重,25 kN/m3;H為煤層埋深,m;φ為煤層內(nèi)摩擦角,27°。

采動(dòng)底板最大破壞深度hmax為:

(4)

式中:φf為底板巖層內(nèi)摩擦角,φf=39°。

工作面煤壁前方底板最大破壞深度距工作面端部的距離L1:

L1=hmaxtanφf.

(5)

采空區(qū)內(nèi)底板破壞區(qū)沿水平方向的最大長(zhǎng)度L2:

(6)

將參數(shù)代入公式,計(jì)算得到K1=2.92,F=2.45,xa=3.82 m,hmax=9.11 m,L1=7.53 m,L2=25.62 m。

由上述計(jì)算得出最大破壞深度大于兩煤層夾層距離,破壞深度延伸到10#煤層中,結(jié)合圖1可知,9#煤層開采對(duì)工作面后方底板破壞區(qū)域長(zhǎng)度為33.15 m。

3 同采工作面布置形式及錯(cuò)距確定

關(guān)于同采工作面布置形式的理論有穩(wěn)壓區(qū)理論和減壓區(qū)理論,下面分別進(jìn)行計(jì)算和分析。

3.1 穩(wěn)壓區(qū)覆巖穩(wěn)定性分析

隨著上部煤層工作面開采,頂板斷裂、采空區(qū)矸石壓實(shí)形成壓力穩(wěn)定區(qū),下部煤層工作面布置在上部煤層穩(wěn)壓區(qū)下,其工作面可避免上部煤層開采的擾動(dòng)影響。穩(wěn)壓區(qū)錯(cuò)距計(jì)算模型見圖2。

圖2 穩(wěn)壓區(qū)開采計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of mining in the zone with stable pressure

最小錯(cuò)距計(jì)算公式為:

Xmin=M1cotδ+L+B=28.54 m～33.54 m .

(7)

式中:M1為兩煤層間距,5.34 m;δ為巖石移動(dòng)角,取55°;L為安全距離,取20 m～25 m;B為9#煤層工作面的最大控頂距,4.8 m。

3.2 減壓區(qū)覆巖穩(wěn)定性分析

上部煤層開采之后形成“砌體梁”結(jié)構(gòu),工作面前后巖層相互擠壓形成的“三鉸拱”結(jié)構(gòu)區(qū)域即為減壓區(qū)。把下部煤層工作面布置在減壓區(qū)下,工作面和巷道受力較小,易于維護(hù)。減壓區(qū)計(jì)算模型見圖3。

圖3 減壓區(qū)計(jì)算模型Fig.3 Calculation model in the zone with reduced pressure

近距離煤層同采上、下工作面最大、小錯(cuò)距為:

Tmin=M1cotδ+B+b=10.54 m.

(8)

Tmax=Xmin-(1～1.5)Sz=7.54 m～19.54 m.

(9)

式中:b為煤壁塑性破壞寬度,取2 m;Sz為9#煤層周期來壓距離,取14 m。

綜上得到減壓區(qū)布置形式下合理錯(cuò)距為10.54 m～19.54 m。

3.3 布置形式對(duì)下部煤層工作面影響分析

1)減壓區(qū)布置形式分析。9#煤層開采勢(shì)必對(duì)10#煤層頂板造成破壞,兩煤層之間間距為5.34 m,該夾層在10#煤層回采時(shí)覆巖活動(dòng)更加劇烈,會(huì)產(chǎn)生更大的破壞。10#煤層工作面在回采時(shí)頂板易冒露,支架易失穩(wěn),不具備運(yùn)用減壓區(qū)理論時(shí)必須滿足的夾層厚度,不滿足安全距離條件,所以減壓區(qū)布置形式不滿足此礦井同采條件。

2)穩(wěn)壓區(qū)布置形式分析。10#煤層工作面布置在9#煤層工作面穩(wěn)壓區(qū)范圍內(nèi),9#上覆巖層處于穩(wěn)定狀態(tài),10#煤層工作面受上部巖層開采影響較小,對(duì)10#煤層工作面和巷道起到保護(hù)作用。

4 數(shù)值模擬

采用FLAC3D模擬極近距離同采工作面在穩(wěn)壓區(qū)布置形式下的合理錯(cuò)距。模型的長(zhǎng)寬高為300 m×150 m×80 m,模型邊界施加均布載荷。針對(duì)上下煤層來壓情況,賦予其對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)進(jìn)行采空區(qū)充填。其模擬的巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。不同錯(cuò)距下垂直應(yīng)力云圖見圖4。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanics parameters of rocks

4-a 錯(cuò)距為20 m

4-b 錯(cuò)距為25 m

4-c 錯(cuò)距為30 m

4-d 錯(cuò)距為35 m

4-e 錯(cuò)距為40 m圖4 不同錯(cuò)距下垂直應(yīng)力云圖Fig.4 Vertical stress nephogram at different offset distances

由圖4-a、4-b可知,上部煤層工作面和下部煤層工作面錯(cuò)距為20 m、25 m時(shí),下部煤層工作面受到上部煤層底板應(yīng)力的影響較大,且在錯(cuò)距為25 m受到應(yīng)力影響更大。由圖4-c可知,當(dāng)錯(cuò)距為30 m時(shí),下部煤層工作面已開始擺脫上部煤層工作面后方底板應(yīng)力的影響。由圖4-d、4-e可知,當(dāng)錯(cuò)距為35 m時(shí),下部煤層工作面基本不受上部煤層工作面后方應(yīng)力的影響;當(dāng)錯(cuò)距為40 m時(shí),下部煤層工作面控頂區(qū)完全不受上部煤層工作面后方應(yīng)力影響。圖5為不同錯(cuò)距下10#煤層工作面控頂區(qū)頂板下沉量曲線圖。

圖5 距10#煤層工作面煤壁1 m、3 m、5 m處頂板下沉量Fig.5 Roof subsidence at 1,3,and 5 meters of No.10 coal seam

由圖5可知,當(dāng)錯(cuò)距小于30 m時(shí),工作面控頂區(qū)下沉量隨錯(cuò)距的增加而急速下降;當(dāng)錯(cuò)距大于30 m時(shí),頂板下沉速度急速變緩;當(dāng)錯(cuò)距大于35 m時(shí),工作面下沉量基本無變化。從頂板下沉量可以看出,將兩工作面錯(cuò)距布置在大于35 m時(shí),影響較小。

綜上從下部工作面垂直應(yīng)力分布和頂板下沉量?jī)蓚€(gè)方面確定同采工作面錯(cuò)距應(yīng)不小于35 m。

5 結(jié)論

1)通過理論計(jì)算得到9#煤層開采最大破壞深度為9.11 m,對(duì)工作面后面底板擾動(dòng)范圍為33.15 m。

2)對(duì)減壓區(qū)開采、穩(wěn)壓區(qū)開采兩種布置形式分析和計(jì)算,否定減壓區(qū)布置形式的可行性。

3)利用數(shù)值模擬方法和理論分析最終確定10#煤層工作面布置在9#煤層工作面穩(wěn)壓區(qū)范圍內(nèi),合理錯(cuò)距應(yīng)大于等于35 m。