礦井回采工作面合理錯距分析

王 輝

(太原華潤煤業有限公司原相煤礦，山西 太原 030200)

0 引言

我國煤炭資源儲量豐富，由于各個區域的地質條件復雜和地殼結構變化，會使煤層的賦存狀態有一定的差異性。煤層的厚度也各有不同，其會直接影響采煤工作面開采的難易程度，如果煤層的間距過大或者間距過小都將直接影響鄰近煤層的開采[1-3]。過近的煤層在開采作業活動的過程中，會有一定程度上的礦山壓力存在，相互之間均會受到很大的影響，在煤層同時進行采煤的過程中，如果下層煤層的頂板出現冒落或巷道支護等出現問題，將可能會對上層煤層有著一定的影響，對工作面的開采造成很大的壓力，所以，近距離煤層合理錯距的選擇對井下煤層的開采有著很重要的作用[4-6]。目前，國內外對于單一煤層在開采過程中的巖層移動規律及變化情況有了很大的進步，然而對于近距離煤層群的開采技術的研究與探討相對少一些，礦井內部的近距離煤層的采掘大部分是以實踐性和經驗為主，對于全面的理論模擬研究相對比較少。國內外的專家學者對礦井回采工作面合理錯距也進行了一定的研究[7-10]，都提出了不同的研究方法。為此，通過FLAC3D建立礦井煤層的同采模擬模型，來確定其合理的錯距，以期為整個礦井的安全開采奠定良好的基礎。

1 礦井概況

1.1 煤層基本情況

走向及厚度：①選取的某礦井安排以5號、10號煤聯合布置開采，煤層平均32.92 m。間距5號煤煤層走向SW215°～220°、傾向NW290°～300°，煤層傾角為3°，煤層厚度0.60～1.60 m，平均厚度1.3 m，局部有黃鐵礦結核夾矸，夾矸厚度0.07 m。10號煤煤層走向SE160°、傾向SW250°，煤層平均傾角2°，煤層厚度為1.80～2.45 m，平均厚度2.3 m，局部有平均0.05 m厚的夾矸。②在該煤礦中5號煤層和10號煤層，使用聯合布置開采的方式，錯距為35 m。5號和10號煤層兩者的走向分別為SW215°～220°、SE160°，5號和10號煤層的傾向NW290°～300°、SW250°，傾角分別為3°、2°。煤層厚度為1.80～2.45 m，平均厚度2.3 m。局部有平均0.05 m厚的夾矸。

頂板巖性：礦井的5號煤層煤炭的直接頂是穩定性較好的粉砂巖，厚3.9 m，其下部是K2石灰巖，厚0.1～0.5 m。5號煤層煤炭的基本頂是細砂巖，厚5.3 m，其底板厚3.50 m，為砂質泥巖。礦井10號煤層的頂板是呈堅硬塊狀的K2石灰巖，厚9.8 m，其底板厚4 m，是一種遇水體積增大、且含層理與節理較弱黃鐵礦的鋁質泥巖。

1.2 水文、瓦斯情況

水文概況：礦井含水層為奧灰巖層，厚度約為6.88～9.32 m，平均8.15 m。含水層溶裂隙水直接進入5號和10號煤層，造成回采工作面的水量過大。為了減少水量過大對煤炭開采工作影響，開采時需使用鉆探和井下放排水等方法來控制水量，使采礦工作安全、順利進行。礦井所在的區域氣候變化相對較大，雨水根據不同的季節所降的雨量有不同，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，整體上為大陸性氣候。一年最冷的時候是在每年的一月份，最熱的時候是在每年的7月份。

瓦斯概況：本次開采的礦井內部瓦斯突出量較大，是高瓦斯礦井。一般情況下，瓦斯大部分來自開采煤層與相近煤層，煤層瓦斯的產生主要有開采和掘進工作面在采煤或進行挖掘、巷道圍巖與采區挖空部位涌出瓦斯等。到目前為止，礦井從建井初期至今沒有發生煤層自燃的情況。

1.3 礦井開拓

本次開采的礦井大致是一個走向長度相對較短、傾斜長度相對較寬的單斜構造，開采的方式是走向長壁后退式開采的綜合機械化采煤。而礦井所采用的通風方法主要是抽出式通風，通風方式采用不同進風井和不同回風井的混合式通風。

2 工作面合理錯距

2.1 模型的建立

在理論和原有研究的基礎上[11-16]，得出結論，10號煤層的巷道等布置應設在穩壓區的區域內，且不宜在減壓區的區域內布置巷道、工作面。其錯距大小為Xmin，模型如圖1所示。

圖1 工作面穩壓區計算模型

由圖1可知它的最小錯距為Xmin，可以根據以下公式求得

Xmin=Mcotδ+L+b

(1)

式中，M—煤層之間的距離，可取32.92 m；δ—井巷巖石的移動角度，可取55°；L—2個煤層之間的安全距離，可取20～25 m；b—上覆煤層中工作面最大控頂距，可取5 m。

計算可得Xmin=48.1～53.1 m。由此可知，采用穩壓區開采理論計算5號煤層、10號煤層兩同采工作面的合理錯距不應小于26～31 m。因此，通過對穩壓區域的計算得出：該礦井內部的5號煤層和10號煤層在同時采動的過程中，錯距應該要大于26～31 m。

2.2 數值模擬

FLAC3D數值模擬軟件介紹：通常情況下，對礦井內部的設計、施工以及開采，都需要深入熟知井下巖層的巖性以及在施工的影響下所導致的巖層或者煤層的應力變化以及破壞的規律，這樣能夠更加準確地評價其穩定性，從而對礦井的安全開采進行進一步的優化。然而，礦井在采動的過程中會受到多種因素的影響，解決此類問題的要求也越來越高，如果按照傳統的方法來解決可能導致的誤差偏大，因此尋求更高級的計算模擬軟件來科學的解決此類問題是目前的一個趨勢。目前對于礦井開采的合理錯距研究最常用的模擬軟件是FLAC3D軟件[17-18]，是迄今為止比較優秀的巖土力學數值模擬的軟件之一，主要是利用顯式拉格朗日差分分析法。它可以模擬相對比較復雜的礦井內部巖石力學工程的問題，在界面出現滑動或開裂的情況下，可以進一步修改模型的參數，例如礦井在開采過程中的分布推進和回填；它還具有一種強大的內嵌式的程序語言，從而可以定義參數的變量以及建立的函數和模型，最終將產生的數據為用戶提供需求。

工作面模型的建立：綜合礦井地質因素、采煤方法和含水巖層等眾多因素，以邊界效應為原理建立出礦井5號和10號煤層的仿真模型，該模型的走向長為250 m，傾斜長為50 m，同時預先在模型的兩側留有50 m的過渡區。其模型如圖2所示。

圖2 礦井5號煤層、10號煤層同采模擬模型

模擬結果：① 圖3為5號煤層采煤工作面獨立開采應力等值線云圖。可看出，5號煤層采煤工作面進行開采時，上端頭傾斜方向最大的應力及其集中系數分別為1.2×107Pa、1.2；而下端頭傾斜方向的最大應力及其集中系數分別為1.4×107Pa、1.4；5號煤層采煤工作面進行開采時，采煤工作面的前端進行超前支護，且前端的壓力正常，采空區的頂板在采煤工作面后方大于7 m的地方垮落。②圖4為10號煤層采煤工作面獨立開采應力等值線云圖。可看出，10號煤層采煤工作面進行開采時，上下端頭傾斜方向的應力和應力集中系數均取最大值，它們分別為1.4×107Pa、1.4，應力集中于頂板的現象會緩慢出現。10號煤層采煤工作面進行開采時，應在采煤工作面壓力作用區域前約7 m處進行超前支護；上部巖層支撐的頂板會隨著煤炭的采掘而垮落。

圖3 礦井5號煤層采煤工作面獨立開采應力等值線云圖

圖4 礦井10號煤層工作面獨立開采應力等值線云圖

3 結論

(1)經過對5號和10號煤層頂板的巖層特性研究與分析可知，本次該礦井5號煤層的基本頂初期壓力變化小，級別定為Ⅰ級，煤層的上部巖層無直接頂；而10號煤層在回采后，由于上部巖層的穩定性較差導致巖層隨之垮落。

(2)根據FLAC3D軟件對礦井煤層的模擬分析可得，礦井5號和10號煤層在同時進行開采時，當錯距大于35 m時，10號煤層的開采與5號煤層的開采互不影響，而錯距增大到50 m時，工作面前端超前支護壓力的作用面積最少。