張 民

（山西焦煤霍州煤電集團，山西 霍州031400）

我國近距離煤層所占比例極重，在多處礦區(qū)都存在極近距離開采而導(dǎo)致的頂板穩(wěn)定性問題。當煤層間距減小時，兩層煤層之間的開采影響會相互疊加，煤層間距越小，疊加作用越劇烈，相當于二次重復(fù)采動，這種采動會造成新的巖層的破裂，使得工作面更加危險，由于上覆多重煤柱的壓力疊加作用，以及煤層開采時對底板的多次采動，使得下部煤層開采時，頂板應(yīng)力較為復(fù)雜，頂板也較為破碎，這給下部煤層的回采、巷道的掘進和支護均帶來了新的難題〔1－4〕。

為了確定合理的煤層間距的煤柱尺寸，本文以干河煤礦2－112工作面2＃煤層為研究目標，通過數(shù)值模擬分析，分析不同煤層間距時的應(yīng)力及位移情況，并以此為基礎(chǔ)得出該地質(zhì)條件下合理的煤層間距，為2＃煤層綜掘面合理工作面間距的確定奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗工作面基本條件

該工作面地表位于工業(yè)廣場西南部，地表形態(tài)屬低山黃土丘陵，以黃土梁、垣特征，黃土沖溝發(fā)育，工作面地表大部為農(nóng)田耕地，無建筑物，黃土覆蓋厚度30～90m，基巖厚330～530m。2－112回采工作面煤層總厚度3.8～4.4 m，平均厚度4.1m，夾矸0.3m 左右。煤層結(jié)構(gòu)為2.0（0.3）1.8，煤層傾角5°～19°，平均12°。直接頂板為中細砂巖，厚1.2m，基本頂為K8細粒粉砂巖，厚1.5m，直接底板為細粒砂巖，厚2.4m，老底為K7中粒砂巖，厚4.55m。工作面煤層總厚度為4.1m，結(jié)合ZY9000／25.5／55型雙柱掩護式液壓支架適用條件及 MGTY750／1800－WD型采煤機的適宜采高，工作面采高確定為4.1m。本工作面兩巷均沿煤層走向布置，2－1121巷長為1550m，2－112配巷長680m，2－112聯(lián)巷長50m，2－1122巷長為742 m，切巷沿煤層傾向布置，長度200m。

由于2＃煤層上覆較多的薄煤層，那么在2＃煤層開挖完后，應(yīng)該開挖哪層煤層就成為必須要考慮的問題，如果煤層太近，會造成重復(fù)采動，多重采空區(qū)的累積疊加作用會使得下一個工作面開采很難，如果煤層太遠，又會造成煤層的浪費。因此，到底多大的煤層間距才是合理的煤層間距，就成為我們必須要研究的課題。

2 合理煤層間距的數(shù)值模擬研究

在2＃煤層以上，存在多層煤層，間距不等，有5m、8 m、13m、20m、25m，為了在不浪費煤層的情況下，盡可能的開采煤層，經(jīng)過分析比較，決定以5m、8m、13m、20m、25m為單位，對這五類情況下巖層的穩(wěn)定性進行分析對比，通過各種不同間距條件下的應(yīng)力或者位移情況，來確定分析合理的臨近煤層合理的間距。

一般來講，合理的煤層間距應(yīng)當使得工作面在開采期間，煤層之間的圍巖處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，并且巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，而不能由于重復(fù)采動，使得巷道置于了應(yīng)力增大區(qū)，這就是使得煤層間距不能太小，但是同時也不能太大，使得浪費較大。

下面采用數(shù)值模擬的方法，通過分析不同間距情況下的圍巖應(yīng)力分布特征，來確定臨近工作面下合理的煤層間距。

2.1 數(shù)值模擬模型建立

FLAC3D專門為巖土工程而開發(fā)的軟件，本次數(shù)值模擬即采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行分析。

表1 2＃煤層及圍巖力學(xué)性質(zhì)

模型寬和高均為300m。工作面寬度為120m，距離地面高度為180m，其他巖層則以等效均布荷載的形式施加到頂部。

模型賦存狀態(tài)見圖1。模型中參數(shù)如表1所示。

圖1 模型賦存狀態(tài)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圍巖應(yīng)力分布情況。當煤柱寬度為30m、25m、20m、15m、10m時的應(yīng)力分布情況及相應(yīng)的各種情況下的位移分布情況見圖2～圖11。

圖2 煤層間距為5m圍巖塑性區(qū)分布

圖3 煤層間距為8m圍巖塑性區(qū)分布

圖4 煤層間距為13m圍巖塑性區(qū)分布

圖5 煤層間距為20m圍巖塑性區(qū)分布

圖6 煤層間距為25m圍巖塑性區(qū)分布

圖7 煤層間距為5m圍巖最大主應(yīng)力分布

圖8 煤層間距為8m圍巖最大主應(yīng)力分布

圖9 煤層間距為13m圍巖最大主應(yīng)力分布

圖10 煤層間距為20m圍巖最大主應(yīng)力分布

圖11 煤層間距為25m圍巖最大主應(yīng)力分布

從圖中可以看出，隨著煤層間距的增大，圍巖無論是整體塑性區(qū)還是兩層煤層之間的塑性區(qū)都在不斷減小，這表明隨著煤層間距的增大，兩個煤層之間圍巖受到重復(fù)采動的程度在不斷減小，使得圍巖的承受能力加大?？梢钥闯觯斆簩娱g距為5m時，塑性區(qū)非常大，導(dǎo)致工作面頂板、底板等都進入塑性區(qū)；當煤層間距為8m，塑性區(qū)仍然較大；當煤層間距為13m時，塑性區(qū)中開始出現(xiàn)彈性區(qū)，但是盡管如此，塑性區(qū)仍然較大，尤其是兩層煤層之間的部分，存在較大的塑性區(qū)，這是由于煤層之間的圍巖受到了重復(fù)采動的原因；當煤層間距為20m時，可以看到無論是煤層的底板、頂板塑性區(qū)都大幅減小，尤其是底板部分和兩層煤層之間的部分，可以看出此時已經(jīng)擺脫了重復(fù)采動；當煤層間距為25m時，塑性區(qū)進一步減小，并且，塑性區(qū)開始不存在連接，表明此時兩者的開采已經(jīng)完全不受影響。

可以看出，隨著煤層間距的增大，彈性區(qū)也在不斷增大，處于15～20m時，有較大的彈性區(qū)域，該區(qū)域不大不小，既不讓煤層浪費，同時又可以保證煤柱的支撐力。此外，進一步分析最大主應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)當煤柱寬度小于15m時，不能形成較好的彈性核區(qū)域，而當煤柱寬度大于20m，該彈性核區(qū)域又較大，顯得浪費。

綜上所述，通過考察不同煤柱寬度條件下的煤柱應(yīng)力分布特征和塑性區(qū)分布特征，同時考慮到2＃煤層自身的特點，最終決定將煤層間距定位15～20m。

〔1〕陳炎光，陸士良 .中國煤礦巷道圍巖控制〔M〕.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994：68－99.

〔2〕馬全禮，李 洪，白景志 .極近距離下位煤層工作面巷道布置及其支護方式〔J〕.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34（9）：37－39.

〔3〕周啟為 .王村礦極近距離煤層開采技術(shù)〔J〕.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34（3）：6－10.

〔4〕鄭百生，謝文兵，竇林名，等 .不規(guī)則煤柱作用下工作面開采的三維數(shù)值模擬〔J〕.煤炭學(xué)報，2006，31（2）：137－140.