礦井回采工作面合理錯(cuò)距分析

王 輝

(太原華潤(rùn)煤業(yè)有限公司原相煤礦，山西 太原 030200)

0 引言

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，由于各個(gè)區(qū)域的地質(zhì)條件復(fù)雜和地殼結(jié)構(gòu)變化，會(huì)使煤層的賦存狀態(tài)有一定的差異性。煤層的厚度也各有不同，其會(huì)直接影響采煤工作面開(kāi)采的難易程度，如果煤層的間距過(guò)大或者間距過(guò)小都將直接影響鄰近煤層的開(kāi)采[1-3]。過(guò)近的煤層在開(kāi)采作業(yè)活動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)有一定程度上的礦山壓力存在，相互之間均會(huì)受到很大的影響，在煤層同時(shí)進(jìn)行采煤的過(guò)程中，如果下層煤層的頂板出現(xiàn)冒落或巷道支護(hù)等出現(xiàn)問(wèn)題，將可能會(huì)對(duì)上層煤層有著一定的影響，對(duì)工作面的開(kāi)采造成很大的壓力，所以，近距離煤層合理錯(cuò)距的選擇對(duì)井下煤層的開(kāi)采有著很重要的作用[4-6]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于單一煤層在開(kāi)采過(guò)程中的巖層移動(dòng)規(guī)律及變化情況有了很大的進(jìn)步，然而對(duì)于近距離煤層群的開(kāi)采技術(shù)的研究與探討相對(duì)少一些，礦井內(nèi)部的近距離煤層的采掘大部分是以實(shí)踐性和經(jīng)驗(yàn)為主，對(duì)于全面的理論模擬研究相對(duì)比較少。國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者對(duì)礦井回采工作面合理錯(cuò)距也進(jìn)行了一定的研究[7-10]，都提出了不同的研究方法。為此，通過(guò)FLAC3D建立礦井煤層的同采模擬模型，來(lái)確定其合理的錯(cuò)距，以期為整個(gè)礦井的安全開(kāi)采奠定良好的基礎(chǔ)。

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(hào)、10號(hào)煤聯(lián)合布置開(kāi)采，煤層平均32.92 m。間距5號(hào)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(jié)核夾矸，夾矸厚度0.07 m。10號(hào)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(hào)煤層和10號(hào)煤層，使用聯(lián)合布置開(kāi)采的方式，錯(cuò)距為35 m。5號(hào)和10號(hào)煤層兩者的走向分別為SW215°～220°、SE160°，5號(hào)和10號(hào)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(hào)煤層煤炭的直接頂是穩(wěn)定性較好的粉砂巖，厚3.9 m，其下部是K2石灰?guī)r，厚0.1～0.5 m。5號(hào)煤層煤炭的基本頂是細(xì)砂巖，厚5.3 m，其底板厚3.50 m，為砂質(zhì)泥巖。礦井10號(hào)煤層的頂板是呈堅(jiān)硬塊狀的K2石灰?guī)r，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(jié)理較弱黃鐵礦的鋁質(zhì)泥巖。

1.2 水文、瓦斯情況

水文概況：礦井含水層為奧灰?guī)r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(jìn)入5號(hào)和10號(hào)煤層，造成回采工作面的水量過(guò)大。為了減少水量過(guò)大對(duì)煤炭開(kāi)采工作影響，開(kāi)采時(shí)需使用鉆探和井下放排水等方法來(lái)控制水量，使采礦工作安全、順利進(jìn)行。礦井所在的區(qū)域氣候變化相對(duì)較大，雨水根據(jù)不同的季節(jié)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(shí)候是在每年的一月份，最熱的時(shí)候是在每年的7月份。

瓦斯概況：本次開(kāi)采的礦井內(nèi)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(lái)自開(kāi)采煤層與相近煤層，煤層瓦斯的產(chǎn)生主要有開(kāi)采和掘進(jìn)工作面在采煤或進(jìn)行挖掘、巷道圍巖與采區(qū)挖空部位涌出瓦斯等。到目前為止，礦井從建井初期至今沒(méi)有發(fā)生煤層自燃的情況。

1.3 礦井開(kāi)拓

本次開(kāi)采的礦井大致是一個(gè)走向長(zhǎng)度相對(duì)較短、傾斜長(zhǎng)度相對(duì)較寬的單斜構(gòu)造，開(kāi)采的方式是走向長(zhǎng)壁后退式開(kāi)采的綜合機(jī)械化采煤。而礦井所采用的通風(fēng)方法主要是抽出式通風(fēng)，通風(fēng)方式采用不同進(jìn)風(fēng)井和不同回風(fēng)井的混合式通風(fēng)。

2 工作面合理錯(cuò)距

2.1 模型的建立

在理論和原有研究的基礎(chǔ)上[11-16]，得出結(jié)論，10號(hào)煤層的巷道等布置應(yīng)設(shè)在穩(wěn)壓區(qū)的區(qū)域內(nèi)，且不宜在減壓區(qū)的區(qū)域內(nèi)布置巷道、工作面。其錯(cuò)距大小為Xmin，模型如圖1所示。

圖1 工作面穩(wěn)壓區(qū)計(jì)算模型

由圖1可知它的最小錯(cuò)距為Xmin，可以根據(jù)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(dòng)角度，可取55°；L—2個(gè)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(jì)算可得Xmin=48.1～53.1 m。由此可知，采用穩(wěn)壓區(qū)開(kāi)采理論計(jì)算5號(hào)煤層、10號(hào)煤層兩同采工作面的合理錯(cuò)距不應(yīng)小于26～31 m。因此，通過(guò)對(duì)穩(wěn)壓區(qū)域的計(jì)算得出：該礦井內(nèi)部的5號(hào)煤層和10號(hào)煤層在同時(shí)采動(dòng)的過(guò)程中，錯(cuò)距應(yīng)該要大于26～31 m。

2.2 數(shù)值模擬

FLAC3D數(shù)值模擬軟件介紹：通常情況下，對(duì)礦井內(nèi)部的設(shè)計(jì)、施工以及開(kāi)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(dǎo)致的巖層或者煤層的應(yīng)力變化以及破壞的規(guī)律，這樣能夠更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，從而對(duì)礦井的安全開(kāi)采進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。然而，礦井在采動(dòng)的過(guò)程中會(huì)受到多種因素的影響，解決此類(lèi)問(wèn)題的要求也越來(lái)越高，如果按照傳統(tǒng)的方法來(lái)解決可能導(dǎo)致的誤差偏大，因此尋求更高級(jí)的計(jì)算模擬軟件來(lái)科學(xué)的解決此類(lèi)問(wèn)題是目前的一個(gè)趨勢(shì)。目前對(duì)于礦井開(kāi)采的合理錯(cuò)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(yōu)秀的巖土力學(xué)數(shù)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(duì)比較復(fù)雜的礦井內(nèi)部巖石力學(xué)工程的問(wèn)題，在界面出現(xiàn)滑動(dòng)或開(kāi)裂的情況下，可以進(jìn)一步修改模型的參數(shù)，例如礦井在開(kāi)采過(guò)程中的分布推進(jìn)和回填；它還具有一種強(qiáng)大的內(nèi)嵌式的程序語(yǔ)言，從而可以定義參數(shù)的變量以及建立的函數(shù)和模型，最終將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為用戶提供需求。

工作面模型的建立：綜合礦井地質(zhì)因素、采煤方法和含水巖層等眾多因素，以邊界效應(yīng)為原理建立出礦井5號(hào)和10號(hào)煤層的仿真模型，該模型的走向長(zhǎng)為250 m，傾斜長(zhǎng)為50 m，同時(shí)預(yù)先在模型的兩側(cè)留有50 m的過(guò)渡區(qū)。其模型如圖2所示。

圖2 礦井5號(hào)煤層、10號(hào)煤層同采模擬模型

模擬結(jié)果：① 圖3為5號(hào)煤層采煤工作面獨(dú)立開(kāi)采應(yīng)力等值線云圖?？煽闯?，5號(hào)煤層采煤工作面進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，上端頭傾斜方向最大的應(yīng)力及其集中系數(shù)分別為1.2×107Pa、1.2；而下端頭傾斜方向的最大應(yīng)力及其集中系數(shù)分別為1.4×107Pa、1.4；5號(hào)煤層采煤工作面進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，采煤工作面的前端進(jìn)行超前支護(hù)，且前端的壓力正常，采空區(qū)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(hào)煤層采煤工作面獨(dú)立開(kāi)采應(yīng)力等值線云圖?？煽闯?，10號(hào)煤層采煤工作面進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，上下端頭傾斜方向的應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)均取最大值，它們分別為1.4×107Pa、1.4，應(yīng)力集中于頂板的現(xiàn)象會(huì)緩慢出現(xiàn)。10號(hào)煤層采煤工作面進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，應(yīng)在采煤工作面壓力作用區(qū)域前約7 m處進(jìn)行超前支護(hù)；上部巖層支撐的頂板會(huì)隨著煤炭的采掘而垮落。

圖3 礦井5號(hào)煤層采煤工作面獨(dú)立開(kāi)采應(yīng)力等值線云圖

圖4 礦井10號(hào)煤層工作面獨(dú)立開(kāi)采應(yīng)力等值線云圖

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)對(duì)5號(hào)和10號(hào)煤層頂板的巖層特性研究與分析可知，本次該礦井5號(hào)煤層的基本頂初期壓力變化小，級(jí)別定為Ⅰ級(jí)，煤層的上部巖層無(wú)直接頂；而10號(hào)煤層在回采后，由于上部巖層的穩(wěn)定性較差導(dǎo)致巖層隨之垮落。

(2)根據(jù)FLAC3D軟件對(duì)礦井煤層的模擬分析可得，礦井5號(hào)和10號(hào)煤層在同時(shí)進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，當(dāng)錯(cuò)距大于35 m時(shí)，10號(hào)煤層的開(kāi)采與5號(hào)煤層的開(kāi)采互不影響，而錯(cuò)距增大到50 m時(shí)，工作面前端超前支護(hù)壓力的作用面積最少。