鄰礦下組煤工作面開采對9508工作面影響研究

張鵬鵬

(煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

陽泉市燕龕煤炭有限責任公司程莊煤礦生產能力為240萬t/a，井田內分兩個水平開采，一水平開采9號煤層，二水平開采15號煤層。9508工作面位于一水平9號煤層井田西北部，西鄰清城煤礦下組15號煤層的15101綜放工作面，兩工作留設井田邊界煤柱寬度均為20 m，9號煤和15號煤平均層間距為85 m左右，工作面位置關系如圖1所示。

程莊煤礦9508工作面切眼長度為217 m，推進長度為1 158 m，主要開采井田內一水平9號煤層，9號煤厚度為1.72～3.95 m，均厚2.0 m，平均傾角4°，工作面共布置進風巷、回風巷、抽采措施巷3條巷道，各巷道均采用錨索+鋼筋網聯合支護方式。9508工作面采用綜采一次采全高工藝，全部垮落法管理頂板，采煤機每刀截割進尺為0.6 m，采用“三八制”作業，兩班生產，一班檢修，日循環個數為4個，每天可推進2.4 m。

清城煤礦15101工作面走向長為960 m，傾向長為148 m，由于工作面布置方向與主副斜井斜交，為保護兩個井筒，15101工作面正常推進300 m后，將工作面切眼長度縮減為70 m，繼續向前推進300 m左右停采，共計推進600 m左右。

圖1 工作面位置關系(m)

15101工作面開采礦井下組15號煤層，15號煤層厚度為6.30～7.78 m，均厚7.24 m，平均傾角8°，工作面基本頂為均厚13.75 m的K2石灰巖。工作面采用走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤采煤方法，一采一放，采高為2.4～2.6 m，放煤高度為4.8～4.6 m，采放比為1∶2～1∶1.8，循環步距為0.6 m，工作面每日可完成5個循環，日推進距離為3.0 m。

程莊煤礦9508工作面于2019年4月初進行回采，清城煤礦15101工作面于2019年6月初進行回采，9508工作面推進速度為2.4 m/d，15101工作面推進速度為3 m/d，為探究清城煤礦下組15號煤15101工作面回采過程中對程莊煤礦上組9號煤9508工作面回采的影響，特展開相關研究，以對9508工作面回采安全性進行評估，并提出相關針對性安全保護措施，為工作面的安全生產保駕護航。

2 工作面開采覆巖變形破壞理論分析

2.1 9號煤層開采底板破壞深度分析

程莊煤礦9508工作面9號煤層在采掘過程中由于礦山壓力作用，造成煤層底板下方應力重新分布，底板受回采動壓影響會發生一定程度的變形破壞，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，工作面底板破壞深度可由式(1)進行計算：

h=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中：h為煤層底板破壞帶深度，m；H為開采深度，取131～345.1 m；α為地層傾角，取工作面地層平均傾角4°；L為工作面斜長，取217 mm。

經計算可得，程莊煤礦9號煤9508工作面回采對底板破壞深度約為20.8～22.7 m。

2.2 15號煤層開采上覆巖層裂隙帶高度理論計算

清城煤礦15101工作面回采會造成上覆巖層的垮落變形，形成覆巖三帶，15101工作面上覆基本頂為K2石灰巖(屬于中硬巖層)，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》[1-2]，對其垮落帶和裂隙帶由式(2)和(3)進行計算：

(2)

(3)

式中：Hm為冒落帶高度，m；Hd為裂隙帶高度，m；M為煤層厚度，取7.2 m。

根據公式(2)與(3)計算得出15號煤開采上覆巖層冒落帶高度為11.4～15.8 m，裂隙帶高度為42.0～53.2 m。

由理論計算可知，程莊煤礦9號煤9508工作面回采對底板破壞深度和清城煤礦15號煤層15101工作面回采造成上覆巖層裂隙發育深度之和為62.8～75.9 m，而兩工作面間的平均層間距為85 m，兩工作面的采動裂隙并不會溝通。

3 鄰礦下組煤工作面開采對9508工作面影響數值模擬研究

前面理論計算了兩工作面同步回采過程中垂直方向巖層裂隙發育深度，而兩工作面并不是重疊布置，水平方向上二者間還有共計40 m寬的礦井邊界煤柱，因此本節采用數值模擬的方法對兩工作面同步回采過程中，兩工作面間煤柱變形破壞情況進行分析。

3.1 模型建立及方案設計

以程莊煤礦9號煤層9508工作面和清城煤礦15號煤15101工作面實際開采地質條件為背景，建立FLAC3D數值計算模型，9號煤層厚度取2.8 m，15號煤層厚度取7.2 m，煤層層間距取85 m，模型中兩層煤都按近水平煤層設計。模型中9508工作面寬度取200 m，15101工作面寬度取150 m，工作面推進長度為600 m，兩工作面間的煤柱寬度取40 m，為消除邊界效應，兩工作面外側各留50 m實體煤，因此模型長度按520 m計，最終建立的數值計算模型尺寸為：長×寬×高=520 m×700 m×160 m，計算使用摩爾庫倫本構模型。

程莊煤礦9508工作面于2019年4月初回采，清城煤礦15101工作面于2019年6月初進行回采，9508工作面日推進速度為2.4 m，則9508工作面開采150 m左右后15101工作面進行回采，15101工作面以148 m切眼長推進300 m后，切眼縮短為70 m，繼續推進300 m后停采。因此按兩工作面正常生產銜接情況，模擬可分為三個階段：①僅9508工作面開采，推進150 m；②15101工作面長切眼開采，推進300 m，9508工作面同采，推進240 m；③15101工作面短切眼開采，推進300 m，9508工作面同采，推進240 m；最終15101工作面推進600 m末采后，9508工作面累計推進630 m，仍超前15101工作面30 m。

3.2 模擬結果分析

對兩工作面推進過程中，相距不同距離時煤柱變形及應力分布情況進行研究，選取關鍵推進位置進行分析。

15101工作面向前推進300 m(工作面長切眼段推進完)，則9508工作面推進距切眼390 m處，此時9508工作面超前15101工作面90 m，此位置關系下工作面周邊圍巖塑性區及垂直應力分布如圖2和圖3所示。由圖可知，隨著15101工作面回采距離的增加，頂板上覆巖層裂隙發育范圍進一步增加，工作面上方40 m范圍巖層已發生塑性變形，上方50～60 m范圍覆巖產生離層裂隙；在15101工作面開采范圍及其前方100 m范圍內，煤柱上覆巖層內50～70 m處出現大范圍的垂直應力集中，上下煤組兩工作面回采相互動壓影響趨于強烈。

圖2 15101工作面推進300 m后圍巖塑性區分布

圖3 15101工作面推進300 m后圍巖垂直應力分布

15101工作面繼續向前推進至600 m位置(工作面短切眼推進完)，則9508工作面推進至距切眼630 m處，此時9508工作面仍超前15101工作面30 m，此位置關系下工作面周邊圍巖塑性區及垂直應力分布如圖4和圖5所示。由圖可知，15101工作面末采后，兩工作面煤柱間并無明顯應力集中現象，煤柱仍有10 m左右彈性核區，兩工作面采動覆巖裂隙并未完全貫通，煤柱承載能力及穩定性較好，仍能起到隔絕采動裂隙的作用。

圖4 15101工作面推進600 m后圍巖塑性區分布

圖5 15101工作面推進600 m后圍巖垂直應力分布

4 上下組煤層同采工作面合理錯距理論分析

由穩壓區理論可知[3-4]，下煤層工作面應在上煤層工作面開采完、上覆巖層垮落穩定、礦壓顯現穩定后再進行開采，即要保證上下組煤層同采過程中，下煤層工作面在上煤層工作面開采后形成的穩壓區中回采。因此，采用穩壓區理論進行回采，上下煤層同采相互影響相對較小。穩壓區理論核心是一定不要讓上下煤層工作面的錯距過小，才能讓下部煤層工作面不受到上部煤層工作面的動壓影響，同時，要保證下部煤層開采的巖層移動不會傳遞到上部煤層工作面，穩壓區理論得出的合理錯距是一個最小值，計算模型如圖6所示。

圖6 穩壓區開采計算模型

上下煤層同采工作面最小距離Xmin計算表達式如下：

Xmin=Mcotδ+L+B

(4)

式中：M為上下組煤層層間距；δ為巖石移動角，堅硬巖層按60～70°取值；L為上煤層工作面開采頂板巖石跨落基本穩定的安全距離；B為上煤層工作面的最大控頂距。

由9508工作面及15101工作面開采技術條件可知，上下組煤層層間距M為85 m，巖層移動角δ取70°，安全距離L取15 m，上煤層工作面最大控頂距B為4.46 m，將這些參數帶入式(4)計算可知，Xmin=50.4 m。

由此可知，當上下組煤層同時進行采掘作業時，9508工作面超前15101工作面距離應不小于50.4 m，以減小上下組煤層同步回采作業時采動應力疊加的不利影響。

9508工作面在回采過程中，需加強工作面及與15101相鄰兩巷道的礦壓監測，如工作面支架工作阻力、巷道圍巖變形、錨桿(索)受力等，當發現巷道圍巖變形破壞程度增加或支架工作阻力異常等情況時，采取相關加強支護措施，如補打錨桿(索)、超前預注漿等，同時要加強對巷道底鼓的控制，必要時增加底角錨索或采用反底拱等措施。

5 結 語

1) 通過理論計算出程莊煤礦9號煤9508工作面回采對底板破壞深度和清城煤礦15號煤層15101工作面回采造成上覆巖層裂隙發育深度之和為62.8～75.9 m，而兩工作面間的平均層間距為85 m，兩工作面的采動裂隙并不會溝通。

2) 以9508工作面和15101工作面工程地質條件建立FLAC3D數值計算模型，對下組煤工作面開采對9508工作面影響進行研究，得出在兩工作面同采情況下，上覆巖層裂隙發育高度可達50～60 m，至15101工作面末采時，兩工作面煤柱間仍有10 m左右的彈性核區，兩工作面采動覆巖裂隙并未完全貫通，煤柱承載能力及穩定性較好，仍能起到隔絕采動裂隙的作用。

3) 現有開采技術條件下，下組煤工作面開采對9508工作面影響很小，基本可實現9508工作面的安全回采；然而9508工作面應適當加快推進速度，增加兩工作面的安全距離(控制在50 m以上)，以減小下組煤工作面開采對其的影響程度。