極近距離煤層同采工作面合理錯距研究

劉洪太

(山西晉煤集團 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注的問題。上煤層的開采會引起下煤層應力重新分布,對下煤層的開采造成安全影響[1-3]?？到4]研究了不同錯距情況下,工作面覆巖移動規(guī)律、應力場變化規(guī)律。張貴銀[5]對極近距離工作面同采合理錯距進行研究。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構失穩(wěn)過程。本文針對某礦具體地質條件做出理論分析和數(shù)值模擬,對極近距離煤層同采工作面合理錯距進行研究。

1 工程地質概況

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、砂質泥巖、細粒砂巖。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,以砂質泥巖為主。

2 9#煤層開采對底板的破壞分析

煤層的開采會使工作面煤體超前支承壓力傳遞到底板,當壓力超過底板巖石的強度時,底板產生塑性破壞,符合塑性破壞理論。若此壓力過大,底板破壞區(qū)域將會形成一個滑移面,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)長度xa計算:

(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為煤層內摩擦角,27°。

采動底板最大破壞深度hmax為:

(4)

式中:φf為底板巖層內摩擦角,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)內底板破壞區(qū)沿水平方向的最大長度L2:

(6)

將參數(shù)代入公式,計算得到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,結合圖1可知,9#煤層開采對工作面后方底板破壞區(qū)域長度為33.15 m。

3 同采工作面布置形式及錯距確定

關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,下面分別進行計算和分析。

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影響。穩(wěn)壓區(qū)錯距計算模型見圖2。

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

最小錯距計算公式為:

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”結構,工作面前后巖層相互擠壓形成的“三鉸拱”結構區(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。減壓區(qū)計算模型見圖3。

圖3 減壓區(qū)計算模型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)布置形式下合理錯距為10.54 m～19.54 m。

3.3 布置形式對下部煤層工作面影響分析

1)減壓區(qū)布置形式分析。9#煤層開采勢必對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#煤層回采時覆巖活動更加劇烈,會產生更大的破壞。10#煤層工作面在回采時頂板易冒露,支架易失穩(wěn),不具備運用減壓區(qū)理論時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,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10#煤層工作面和巷道起到保護作用。

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距。模型的長寬高為300 m×150 m×80 m,模型邊界施加均布載荷。針對上下煤層來壓情況,賦予其對應的物理參數(shù)進行采空區(qū)充填。其模擬的巖石力學參數(shù)如表1所示。不同錯距下垂直應力云圖見圖4。

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

4-a 錯距為20 m

4-b 錯距為25 m

4-c 錯距為30 m

4-d 錯距為35 m

4-e 錯距為40 m圖4 不同錯距下垂直應力云圖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距為20 m、25 m時,下部煤層工作面受到上部煤層底板應力的影響較大,且在錯距為25 m受到應力影響更大。由圖4-c可知,當錯距為30 m時,下部煤層工作面已開始擺脫上部煤層工作面后方底板應力的影響。由圖4-d、4-e可知,當錯距為35 m時,下部煤層工作面基本不受上部煤層工作面后方應力的影響;當錯距為40 m時,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力影響。圖5為不同錯距下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,當錯距小于30 m時,工作面控頂區(qū)下沉量隨錯距的增加而急速下降;當錯距大于30 m時,頂板下沉速度急速變緩;當錯距大于35 m時,工作面下沉量基本無變化。從頂板下沉量可以看出,將兩工作面錯距布置在大于35 m時,影響較小。

綜上從下部工作面垂直應力分布和頂板下沉量兩個方面確定同采工作面錯距應不小于35 m。

5 結論

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

2)對減壓區(qū)開采、穩(wěn)壓區(qū)開采兩種布置形式分析和計算,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,合理錯距應大于等于35 m。