隆德煤礦淺埋上下煤層協(xié)調(diào)同采技術(shù)研究

冉星仕

(神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000)

隨著我國(guó)西部淺埋礦區(qū)的持續(xù)開(kāi)發(fā)，煤層群開(kāi)采所占的比重逐漸增大，改擴(kuò)建或新建礦井為了延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限和提高經(jīng)濟(jì)效益，也開(kāi)始設(shè)計(jì)采用多煤層同采，因此，煤層群協(xié)調(diào)開(kāi)采技術(shù)越來(lái)越引起行業(yè)的重視。煤層群開(kāi)采與單一煤層開(kāi)采在礦壓顯現(xiàn)及巖層控制上具有差異性[1-6]，當(dāng)上下煤層間距較小時(shí)，上煤層開(kāi)采導(dǎo)致底板破壞嚴(yán)重，增加下煤層巖層控制的難度；當(dāng)兩煤層同采錯(cuò)距較小時(shí)，圍巖應(yīng)力場(chǎng)相互疊加，產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，不利于巷道維護(hù)和工作面煤壁的穩(wěn)定性。淺埋煤層協(xié)調(diào)開(kāi)采實(shí)踐[7-12]表明，回采下部煤層時(shí)，上覆采空區(qū)遺留煤柱在底板形成應(yīng)力集中，下煤層應(yīng)力影響區(qū)內(nèi)的頂板和煤層結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育，極易發(fā)生冒頂、漏頂現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)煤柱失穩(wěn)破壞導(dǎo)致的下煤層頂板大面積突然垮落等現(xiàn)象，造成切頂壓架事故，嚴(yán)重威脅工作面安全生產(chǎn)[13-15]。

隆德煤礦1-1煤、2-2煤同步開(kāi)采，且2-2煤工作面推采速度較快，勢(shì)必面臨重疊開(kāi)采問(wèn)題，當(dāng)上下煤層工作面回采間距減小至某一值后，下煤層大采高工作面圍巖應(yīng)力狀況將更加復(fù)雜，圍巖控制難度加大，可能造成煤壁片幫漏頂、支架下縮量顯著增加、巷道嚴(yán)重變形等問(wèn)題，給礦井生產(chǎn)帶來(lái)較大的安全隱患，而隆德煤礦尚缺乏該方面的研究工作，因此，有必要基于隆德煤礦具體地質(zhì)開(kāi)采條件，對(duì)上下煤層協(xié)調(diào)同采技術(shù)進(jìn)行深入研究，以保障工作面安全高效生產(chǎn)。

1 礦井概況

隆德煤礦目前主采1-1煤、2-2煤，其中，1-1煤可采厚度1.50～2.15m，平均1.73m，埋深為92.91～153.23m，平均129.04m；2-2煤可采厚度4.12～5.96m，平均4.89m，埋深為40.68～211.42m，平均162.27m。

1-1煤101綜采工作面可采長(zhǎng)度2529m，工作面長(zhǎng)度288.9m。偽頂為厚度0～0.5m的砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖；直接頂為厚度4.2～12.5m的細(xì)粒砂巖、粉砂巖；基本頂為厚度5.5～13m的細(xì)-中粒砂巖；底板為厚度為1.2～4.5m的粉砂巖、細(xì)粒砂巖。101工作面布置3條回采巷道，即輔運(yùn)巷、主運(yùn)巷和回風(fēng)巷，工作面采用ZY10000/13/26D型兩柱掩護(hù)式液壓支架控頂。

2-2煤209工作面可采長(zhǎng)度3477m，工作面寬度300m，偽頂為厚度0.2～0.5m的泥巖，直接頂為厚度2.4～5.6m的粉砂巖，基本頂為厚度7.3～14.8m的細(xì)砂巖、粉砂巖，底板為厚度8.2～14.3m的粉砂巖，209工作面同樣布置3條回采巷道，采用ZY12000/25/50D型兩柱掩護(hù)式液壓支架控頂。101工作面與209工作面重疊，層間距平均54.16m。

2 上下煤層同采應(yīng)力分布實(shí)測(cè)研究

2.1 CT探測(cè)2-2煤層工作面應(yīng)力分布

2.1.1 探測(cè)方案

CT探測(cè)采用的設(shè)備為PASAT-M型便攜式微震探測(cè)系統(tǒng)，探測(cè)方案包含2個(gè)測(cè)區(qū)，其中，測(cè)區(qū)1范圍為209工作面煤壁前方200m實(shí)體煤，測(cè)區(qū)2范圍為以正回采的1-1煤工作面為分界線，下方2-2煤工作面前后100m實(shí)體煤，如圖1所示。激發(fā)端設(shè)計(jì)在工作面主運(yùn)巷回采幫，激發(fā)端炮孔間距為10.0m，炮孔深度2.0m，每孔裝藥量約150g，共20組；接收端檢波器設(shè)計(jì)安裝在回風(fēng)巷回采幫錨桿上，檢波器間距18m，共12個(gè)。

圖1 CT探測(cè)測(cè)區(qū)布置方案

2.1.2 探測(cè)結(jié)果分析

采用PASAT-RHA軟件對(duì)探測(cè)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2可知，第1測(cè)區(qū)在209工作面前方59.5m以外，無(wú)顯著應(yīng)力集中區(qū)，表明超前采動(dòng)應(yīng)力范圍不大于59.5m；第2測(cè)區(qū)在工作面后方47.5m以外，211工作面應(yīng)力開(kāi)始升高，表明1-1煤采空區(qū)頂板開(kāi)始垮落。

圖2 PASAT測(cè)試掃描分析

2.2 鉆孔應(yīng)力計(jì)實(shí)測(cè)2-2煤層工作面應(yīng)力分布

2.2.1 監(jiān)測(cè)方案

通過(guò)安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)，實(shí)測(cè)1-1煤開(kāi)采對(duì)下方2-2煤工作面的影響，共布置3組測(cè)站，如圖3所示，測(cè)站1用于監(jiān)測(cè)1-1煤回采對(duì)下方2-2煤工作面的采動(dòng)應(yīng)力影響特征，測(cè)站2、測(cè)站3用于監(jiān)測(cè)2-2煤工作面超前采動(dòng)應(yīng)力分布特征。具體方案如下：

圖3 各測(cè)站鉆孔應(yīng)力計(jì)布置(m)

1)測(cè)站1超前于1-1煤102工作面約600m，在209工作面輔運(yùn)巷向211工作面實(shí)體煤幫安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)6部，孔深分別為9m、14m(各3組)，間距5m。

2)測(cè)站2超前于209工作面約600m，從209工作面回風(fēng)巷向?qū)嶓w煤幫安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)6部，鉆孔深度分別為9m、14m(各3組)，間距5m。

3)測(cè)站3超前于209工作面約600m，從209工作面主運(yùn)巷向?qū)嶓w煤幫安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)4部，鉆孔深度分別為9m、14m(各2組)，間距5m。

2.2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，采動(dòng)應(yīng)力分布特征見(jiàn)表1。分析表1可知，2-2煤工作面超前應(yīng)力影響范圍27.6～50.7m，平均40.8m，應(yīng)力峰值在工作面前方6m，應(yīng)力集中系數(shù)1.23。結(jié)合煤體承載性能與應(yīng)力分布特征[16]，超前應(yīng)力可分為3個(gè)區(qū)域：①工作面前方0～6m，屬于應(yīng)力降低區(qū)；②工作面前方6～40.8m，屬于應(yīng)力升高區(qū)；③工作面前方40.8m以遠(yuǎn)，屬于初始應(yīng)力區(qū)。其中，測(cè)站1受側(cè)向間距30m的209工作面和上覆間距54m的102工作面雙重采動(dòng)影響；由測(cè)站3典型鉆孔應(yīng)力曲線可知，采動(dòng)應(yīng)力曲線全過(guò)程基本保持恒定，即上覆1-1煤工作面回采對(duì)2-2煤工作面的影響不明顯。

表1 各測(cè)站采動(dòng)應(yīng)力變化特征

3 上下煤層協(xié)調(diào)開(kāi)采安全間距確定

上下煤層同采的安全間距確定由3部分組成：2-2煤工作面超前影響距離l1、一定的安全距離l2、1-1煤開(kāi)采對(duì)2-2煤工作面的滯后影響距離l3。根據(jù)鉆孔應(yīng)力計(jì)及CT探測(cè)實(shí)測(cè)結(jié)果，并結(jié)合理論計(jì)算，綜合確定上下煤層協(xié)調(diào)開(kāi)采安全間距L。

3.1 鉆孔應(yīng)力計(jì)實(shí)測(cè)確定安全間距

1)209工作面回風(fēng)巷超前應(yīng)力影響范圍27.6～50.7m，209主運(yùn)巷超前應(yīng)力影響范圍37～43m，取大值50.7m。

2)一定的安全距離，取1.5～2.0倍周期來(lái)壓步距，1-1煤工作面周期來(lái)壓步距平均15.7m，安全距離取大值31.4m。

3)209工作面及上覆102工作面雙重采動(dòng)影響下，211工作面應(yīng)力基本不發(fā)生變化，因此，1-1煤開(kāi)采對(duì)2-2煤工作面的滯后影響距離取0。

從鉆孔應(yīng)力實(shí)測(cè)角度，隆德煤礦上下煤層同采安全間距L≥50.7+31.4+0=82.1m。

3.2 CT探測(cè)確定安全間距

根據(jù)CT探測(cè)結(jié)果，第1測(cè)區(qū)209工作面超前應(yīng)力范圍l1≤59.5m，第2測(cè)區(qū)1-1煤層開(kāi)采對(duì)2-2煤工作面滯后影響距離l3≥47.5m，考慮一定的安全距離l2=31.4m，則從CT探測(cè)角度，隆德煤礦上下煤層同采安全間距L≥59.5+31.4+47.5=138.4m。

3.3 理論分析確定安全間距

根據(jù)隆德煤礦地表移動(dòng)規(guī)律測(cè)試分析，2-2煤層工作面超前影響角為68.9°，按1-1煤與2-2煤層間距54.16m計(jì)算，得出2-2煤開(kāi)采對(duì)1-1煤的水平影響距離為20.9m，如圖4所示，同樣考慮安全距離l2=31.4m，則從理論分析角度，隆德煤礦上下煤層同采安全間距L≥20.9+31.4=52.4m。

圖4 2-2煤工作面開(kāi)采巖層移動(dòng)示意圖

綜合以上3種方法，為提高隆德煤礦上下煤層同采的安全性，合理安全間距取為138.4m。

4 上下煤層協(xié)調(diào)開(kāi)采驗(yàn)證

由于隆德煤礦當(dāng)前尚不具備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證條件，因此，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)確定的協(xié)調(diào)開(kāi)采安全間距進(jìn)行驗(yàn)證。以209工作面切眼附近的BK4鉆孔揭示的煤巖層為建模參數(shù)依據(jù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，建立平面模型，分析不同開(kāi)采間距對(duì)2-2煤工作面覆巖應(yīng)力的影響特征。模型巖層巖性及主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。建立的平面模型尺寸：長(zhǎng)×高=200m×113m，上覆厚度160m的基巖層和表土層采用均布載荷形式加載在模型上表面。模擬方案為先從左側(cè)50m開(kāi)始，開(kāi)采上部1-1煤層，開(kāi)挖長(zhǎng)度400m；再?gòu)淖髠?cè)50m開(kāi)始，開(kāi)采下部2-2煤層，分別開(kāi)挖150m、200m、250m、300m、350m、400m，即滯后1-1煤工作面水平距離分別為250m、200m、150m、100m、50m、0m，分析對(duì)應(yīng)的頂板應(yīng)力變化特征。

表2 數(shù)值模擬巖層巖性及主要物理力學(xué)參數(shù)

滯后距離250m、200m、150m、100m、50m、0m所對(duì)應(yīng)的頂板應(yīng)力分布情況如圖5所示，通常頂板以彎拉破壞為主，本次以拉應(yīng)力區(qū)表征頂板破壞發(fā)育范圍。由圖5可知，2-2煤工作面與1-1煤工作面水平間距由250m縮小至0m過(guò)程中，拉應(yīng)力區(qū)在垂直方向上呈逐漸擴(kuò)大趨勢(shì)。水平間距250m至100m過(guò)程中，拉應(yīng)力區(qū)沒(méi)有發(fā)生貫通；水平間距50m至0m，拉應(yīng)力區(qū)基本整體貫通2-2煤與1-1煤之間的巖層。2-2煤頂板拉應(yīng)力發(fā)育高度如圖6所示。水平間距250m至0m過(guò)程中，拉應(yīng)力區(qū)發(fā)育長(zhǎng)度在頂板垂直方向上有波動(dòng)，但整體呈增大趨勢(shì)，直至間距50m擴(kuò)展至整個(gè)層間距。可見(jiàn)，為了2-2煤層安全開(kāi)采，其工作面滯后1-1煤層工作面的水平距離不應(yīng)小于50m，上述確定的安全間距138.4m滿足要求，且有較大的安全富余量。

圖5 不同水平間距對(duì)應(yīng)的頂板拉應(yīng)力區(qū)

圖6 頂板拉應(yīng)力區(qū)高度統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

1)采用2種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，研究了1-1煤與2-2煤開(kāi)采相互影響關(guān)系，即CT探測(cè)得出了2-2煤工作面超前應(yīng)力影響范圍不大于59.5m，1-1煤推采47.5m采空區(qū)頂板開(kāi)始垮落對(duì)2-2煤工作面應(yīng)力產(chǎn)生影響；鉆孔應(yīng)力計(jì)實(shí)測(cè)得出了2-2煤工作面超前應(yīng)力范圍平均40.8m，應(yīng)力峰值位于工作面前方6m，應(yīng)力集中系數(shù)1.23，且2-2煤層回采基本不受間隔煤柱寬度20m的相鄰工作面以及間隔頂板巖層厚度54m的1-1煤工作面開(kāi)采影響。

2)通過(guò)CT探測(cè)、鉆孔應(yīng)力計(jì)實(shí)測(cè)以及理論計(jì)算3種方法，確定了隆德煤礦上下煤層協(xié)調(diào)開(kāi)采合理安全間距為138.4m。

3)采用數(shù)值模擬方法，研究了不同安全間距下頂板拉應(yīng)力區(qū)演化特征，得出了安全間距50m以?xún)?nèi)拉應(yīng)力貫穿整個(gè)層間距，驗(yàn)證了隆德煤礦上下煤層協(xié)調(diào)開(kāi)采安全間距138.4m的安全性。