近距離下部特厚煤層工作面安全錯距研究

王 普，曲 華，許 斌，武泉林，張培鵬

(山東科技大學 礦山災(zāi)害預防與控制重點實驗室，山東 泰安 271002)

近距離下部特厚煤層工作面安全錯距研究

王 普，曲 華，許 斌，武泉林，張培鵬

(山東科技大學 礦山災(zāi)害預防與控制重點實驗室，山東 泰安 271002)

在近距離下部特厚煤層條件下，由于下部煤層厚度大，經(jīng)驗方法類比計算的工作面錯距偏小。因此根據(jù)鮑店上部2煤層與下部3煤層實際情況，采用UDEC2D數(shù)值模擬及理論分析，綜合研究了近距離下部特厚煤層工作面開采的安全錯距。研究表明：近距離下部特厚煤層工作面同采時，不同工作面錯距條件下的應(yīng)力分布與覆巖運移特征有著明顯的差異，當工作面錯距大于50m時相互采動影響較小，確定工作面安全錯距為60m。

近距離；下部特厚煤層；工作面錯距；應(yīng)力分布；覆巖移動

近距離煤層下行開采時，下煤層工作面將在上煤層工作面采空區(qū)下進行開采，工作面頂板破碎難以維護，且會受到上工作面采空區(qū)水、有毒有害氣體的威脅，給下工作面開采帶來諸多安全隱患。近距離煤層同采的關(guān)鍵在于上、下工作面的安全錯距[1-3]，既要保證上、下工作面開采的巖層移動與礦山壓力不會相互影響，又要保證下煤層工作面頂板的完整性。若上、下工作面錯距過小，將會使上、下煤層工作面出現(xiàn)顯著的應(yīng)力疊加現(xiàn)象，并產(chǎn)生強烈的礦山壓力顯現(xiàn)，不利于工作面頂?shù)装鍘r層控制。以鮑店煤礦6201,6301工作面同采為例，采用理論分析和UDEC2D數(shù)值模擬方法，研究了下部特厚煤層工作面的安全錯距。

1地質(zhì)概況

鮑店煤礦六采區(qū)位于井田的西南部，地質(zhì)構(gòu)造比較簡單，平均傾角為7°?？刹擅簩訛?煤、3煤，2煤平均厚度1.2m，f=3.0，頂?shù)装鍘r性較為穩(wěn)定，大部分為粉細砂巖和泥巖，局部為粗砂巖，間夾薄層鋁質(zhì)泥巖；3煤為特厚煤層，平均厚度為8.6m，f=2.9，頂?shù)装鍘r性較為穩(wěn)定，大部分為粉細砂巖，局部為少量的粉砂巖和鋁質(zhì)泥巖。2煤與3煤的層間距為19.57～24.88m，平均為21.06m。6201，6301工作面同采關(guān)系如圖1所示。

圖1 6201，6301工作面同采關(guān)系

2 下部特厚煤層工作面安全錯距分析

分析下煤層工作面最小錯距的依據(jù)主要有2個方面：一是下煤層工作面在上煤層工作面頂板冒落穩(wěn)定后開采；二是下煤層工作面位于上煤層工作面減壓區(qū)內(nèi)。

2.1 上煤層頂板冒落穩(wěn)定后開采下煤層

隨著6201工作面不斷推進，2煤頂板逐漸垮落、壓實，礦山壓力顯現(xiàn)逐漸穩(wěn)定，在2煤頂板垮落運動穩(wěn)定的采空區(qū)下進行3煤開采，如圖2所示。此時，近距離煤層同采的最小錯距[4]為：

圖2 頂板冒落穩(wěn)定后開采下煤層

Xmin=Mcotδ+L+b

式中，M為兩煤層層間距，m；δ為層間巖層移動角，堅硬巖石為60～70°，軟弱巖石為45～50°；L為考慮上煤層工作面頂板巖石冒落基本穩(wěn)定及上、下煤層工作面推進速度不均衡的安全距離，一般L≥20～25m；b為上煤層最大控頂距，m；Xmin為兩工作面間最小錯距，m。

根據(jù)鮑店煤礦6201工作面最大控頂距b=5m，上下煤層層間巖層移動角δ=60°，6201工作面超前6301工作面的最小錯距為：

Xmin=21.06·cot60°+(20～25)+5=37～42(m)

即當6201，6301工作面的錯距大于42m時，兩煤層開采的相互影響較小，6201工作面頂板垮落對6301工作面的動力擾動小，6301工作面頂板巖層移動也不會波及到6201工作面，壓力顯現(xiàn)緩和，有利于6301工作面安全生產(chǎn)及工作面支護。

2.2 利用上煤層減壓區(qū)開采下煤層

上煤層開采后，直接頂垮落，上位巖層形成砌體梁式平衡結(jié)構(gòu)，使回采工作面空間處于破裂擠壓巖塊形成的結(jié)構(gòu)保護下，基本頂暫時承受上覆巖層的重量，并把壓力傳遞到工作面前方煤壁和后方采空區(qū)冒落的矸石上[5-6]。一般在工作面后方 6～20m的范圍內(nèi)形成減壓區(qū)，壓力顯現(xiàn)更加緩和，有利于下煤層的回采。

在上煤層開采減壓區(qū)下開采下煤層的最小錯距如圖3所示，其計算式為：

圖3 上煤層減壓區(qū)開采下煤層

X砌min=Mcotδ+B+b

式中，B為煤柱的塑形破壞寬度，一般取2m；X砌min為下煤層開采不影響上煤層的最小錯距。

在6201工作面開采減壓區(qū)下開采6301工作面時，工作面最小錯距為：

X砌min=21.06·cot60°+2+5=19(m)

此時，工作面最小錯距為19m，處于6201工作面的減壓區(qū)內(nèi)。

但是，當6301工作面布置在6201工作面的減壓區(qū)范圍內(nèi)時， 6201工作面開采超前支承壓力和后方殘余支承壓力的作用，致使6301工作面及其頂板巖層出現(xiàn)較多不同發(fā)育程度的裂隙。同時，又受到6301工作面采動的重復擾動影響，使3煤及其上覆巖層出現(xiàn)不同程度的破壞，導致6301工作面頂板強度降低，又由于3煤煤層厚度大，頂板跨度大，一旦支護系統(tǒng)中局部出現(xiàn)支護問題，就可能出現(xiàn)漏垮事故的發(fā)生。

在上煤層減壓區(qū)下開采下煤層的基礎(chǔ)條件是下層煤必須有足夠的層間距，在下層煤回采過程中能夠形成穩(wěn)定性的頂板結(jié)構(gòu)保護上層煤回采空間。如果6301工作面布置在上煤層減壓區(qū)內(nèi)，兩工作面之間僅有21.06m巖層及上煤層開采垮落帶矸石，上煤層頂板冒落的矸石填充不滿采空區(qū)，那么6201工作面整個工作面就可能懸空，相當于工作面頂板“大離層”。3煤采高為8.5m，一旦工作面頂板出現(xiàn)擾動或不穩(wěn)，或支護整體性差，工作面易發(fā)生大面積冒頂和支架推倒的嚴重事故，不利于下工作面的安全生產(chǎn)[7-8]。

綜上所述，利用上煤層減壓區(qū)開采下煤層的最小錯距計算偏小。

3 下部特厚煤層工作面不同錯距的數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

模擬對象是鮑店煤礦6201和6301工作面，模型范圍為260m(長)×120m(高)。6301工作面底板上方111m作為上邊界，6301工作面底板下方19m作為下邊界。計算模型的煤、巖層組合及物理力學參數(shù)如表1所示。

利用UDEC2D數(shù)值模擬軟件模擬6201工作面和6301工作面錯距分別為70m，60m，50m，40m，30m，20m的開采狀態(tài)，分析不同錯距條件下圍巖垂直應(yīng)力及覆巖運移狀態(tài)，依據(jù)上、下工作面開采影響分析最小錯距。

3.2 不同錯距的垂直應(yīng)力分布

如圖4所示，當6301，6201工作面相距70m時，6201，6301工作面前方分別出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，但由于3煤采高很大，對采空區(qū)頂板巖層影響較大，采動引起的支撐壓力影響區(qū)域和集中應(yīng)力區(qū)域較大。此時兩個工作面的集中應(yīng)力沒有疊加，不會產(chǎn)生相互采動影響。當6301，6201工作面相距60m時，垂直應(yīng)力分布沒有較明顯的變化，但6301工作面集中應(yīng)力峰值逐漸向6201工作面靠攏，開始出現(xiàn)應(yīng)力疊加趨勢，兩工作面相互影響較小，礦山壓力顯現(xiàn)不明顯，可以進行安全開采。

表1 煤巖層物理力學參數(shù)

圖4 工作面不同錯距下垂直應(yīng)力云圖

當6301，6201工作面相距50m時，兩工作面集中應(yīng)力區(qū)域開始出現(xiàn)疊加；相距40m時，6201工作面集中應(yīng)力區(qū)域變大，應(yīng)力疊加效果更加明顯；相距30m時，應(yīng)力疊加進一步加大，基本上出現(xiàn)一個應(yīng)力峰值；相距20m時，6301工作面與6201工作面垂直應(yīng)力基本完全疊加在一起，應(yīng)力峰值顯著增大。應(yīng)力疊加勢必會使6201工作面的回采受6301工作面采動的影響，引起比較顯著礦壓現(xiàn)象，不利于工作面安全生產(chǎn)。因此兩工作面最小錯距為50m。

3.3 不同錯距的覆巖移動分析

圖5 工作面不同錯距下覆巖運移云圖

如圖5所示，當6301工作面與6201工作面錯距60m時，對比錯距為70m時，頂板巖層不斷下沉，位移最大值區(qū)域不斷擴大，但6201工作面頂板最大下沉區(qū)域(下沉量1.5～2.5m)距離6201工作面基本保持不變，說明6301工作面的采動未能波及到6201工作面。當工作面錯距50m時，由于3煤煤層高度大，6301工作面對6201工作面產(chǎn)生了強烈的采動影響，引起了2煤頂板最大下沉區(qū)域范圍突然向6201工作面靠攏，并且中部采空區(qū)位移量有明顯的增加，此時頂?shù)装迨艿捷^強烈擾動，發(fā)生了顯著的礦壓現(xiàn)象。當工作面錯距40m，30m，20m時，最大下沉區(qū)域距離6201工作面位置進一步減小，位于工作面右側(cè)采空區(qū)頂板的下沉最大值穩(wěn)定區(qū)也逐漸向前推進，頂?shù)装鍞_動更加強烈，更容易發(fā)生顯著的礦壓現(xiàn)象，不利于工作面安全生產(chǎn)。

綜上所述，當兩工作面錯距大于50m時，6201工作面頂板移動變化較小。但當錯距小于50m時，距離6201工作面基本頂板移動驟然增加，上煤層工作面受下煤層工作面的影響十分明顯。因此，應(yīng)將50m作為最小錯距。

4 結(jié)論

(1)通過UDEC2D數(shù)值計算，分析不同錯距條件下圍巖垂直應(yīng)力及覆巖運移狀態(tài)，根據(jù)兩個工作面應(yīng)力場、覆巖移動的相互影響，得到下部特厚煤層工作面的最小錯距為50m。

(2)通過上煤層工作面頂板垮落穩(wěn)定后開采下煤層和在上煤層開采減壓區(qū)下開采下煤層兩種方法，類比分析得到下部特厚煤層工作面的最小錯距為42m。在下部特厚煤層條件下，經(jīng)驗類比計算結(jié)果偏小。

(3)綜合數(shù)值模擬計算、理論計算的結(jié)果，6201，6301工作面的最小錯距取50m，考慮K=1.2的安全系數(shù)，確定6201、6301工作面安全錯距為60m。

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[7]孫春東，楊本生，劉 超．1.0 m 極近距離煤層聯(lián)合開采礦壓規(guī)律[J]．煤炭學報，2011，36(9)：1423-1427.

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[責任編輯：王興庫]

SafetyDistanceofMiningFacesinClosedExtremely-thickCoal-seam

WANG Pu, QU Hua, XU Bin, WU Quan-lin, ZHANG Pei-peng

(Key Laboratory of Mine Disaster Prevention & Control, Shandong University of Science & Technology,Taian 271002 , China)

Under the condition of closed extremely-thick coalseams, safety distance of mining faces calculated by experience analogy method was small.Applying UDEC2Dsoftware and theoretical analysis, safety distance of mining faces was researched on the basis of 2nd Coal and 3rd Coal condition.Result showed that there were obvious difference in stress distribution and surrounding rock movement characteristic under different safety distances.When the distance was larger than 50m, mutual influence was small.Therefore, safety distance was designed as 60m.

closed distance; lower extremely-thick coalseam; faces distance; stress distribution; surrounding rock movement

2013-12-02

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.009

王 普(1990-)，男，山東單縣人，在讀碩士研究生，主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。

王 普，曲 華，許 斌，等.近距離下部特厚煤層工作面安全錯距研究[J].煤礦開采，2014，19(4)：31-34.

TD822.1

A

1006-6225(2014)04-0031-04