曹 健

(西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西西安 710054)

0 引言

近距離煤層同采是加快開(kāi)采近距離煤層速度的重要手段。為減小煤層間開(kāi)采的相互影響，兩工作面往往要錯(cuò)開(kāi)一定的距離:若錯(cuò)距太大，則下層煤開(kāi)采受上煤層動(dòng)壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，巷道維護(hù)時(shí)間增加;若錯(cuò)距太小，下層煤開(kāi)采引起的巖層移動(dòng)會(huì)影響上層工作面的穩(wěn)定性［1］?？梢?jiàn)，同采工作面錯(cuò)距的確定十分重要。

沙曲礦一水平開(kāi)拓的2、3+4號(hào)煤層間距較近，其中2號(hào)煤厚度平均為1.1 m，3+4號(hào)重疊煤層合并厚度平均4.62 m，兩煤層間距平均為14 m，且傾角均為近水平。2、3+4號(hào)煤同采時(shí)合理錯(cuò)距的確定對(duì)該礦的安全快速生產(chǎn)有重要的意義。

1 理論計(jì)算確定合理錯(cuò)距

煤層群開(kāi)采同采面錯(cuò)距的確定目前存在兩種理論:一是穩(wěn)壓區(qū)理論，二是減壓區(qū)理論［2］。

1.1 根據(jù)穩(wěn)壓區(qū)理論計(jì)算

該理論認(rèn)為下煤層應(yīng)在上煤層開(kāi)采冒落穩(wěn)定后再進(jìn)行回采。采場(chǎng)前后方應(yīng)力分布如圖1。其中a為原巖應(yīng)力區(qū)，b為前支撐壓力區(qū)，c為減壓區(qū)，d為后支撐壓力區(qū)，e為穩(wěn)壓區(qū)。根據(jù)穩(wěn)壓區(qū)理論下煤層工作面應(yīng)布置在區(qū)域e［3］。

圖1 采場(chǎng)前后方應(yīng)力分布示意圖

要注意的是，該理論既要使3+4號(hào)煤工作面不受2號(hào)煤開(kāi)采動(dòng)壓的影響，同時(shí)3+4號(hào)煤開(kāi)采引起的巖層移動(dòng)又要避免傳遞到2號(hào)煤工作面，因而求的是最小值，計(jì)算模型如圖2［4］。

圖2 穩(wěn)壓區(qū)同采合理錯(cuò)距示意圖

式中:

M——煤層間距，平均取14 m;

δ——巖石移動(dòng)角，45°～55°，取 55°;

L——上煤工作面頂板冒落基本穩(wěn)定及推進(jìn)速度不均衡的安全距離，取20～25 m;

B——2號(hào)煤最大控頂距，取4.4 m。

說(shuō)明采用穩(wěn)壓區(qū)理論，兩工作面錯(cuò)距應(yīng)不小于39.2 m～44.2 m。

1.2 根據(jù)減壓區(qū)理論計(jì)算

1.2.1 減壓區(qū)最小錯(cuò)距的計(jì)算

上煤層開(kāi)采后巖塊間相互擠壓形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)平衡，若3+4號(hào)煤工作面布置在此結(jié)構(gòu)的減壓區(qū)內(nèi)，可以避免上覆巖層垮落帶來(lái)的影響，礦壓顯現(xiàn)較為緩和［5］，有利于3+4號(hào)煤的開(kāi)采。減壓區(qū)即為圖1中的c區(qū)。減壓區(qū)最小錯(cuò)距計(jì)算模型如圖 3［6］。

圖3 減壓區(qū)最小錯(cuò)距示意圖

減壓區(qū)最小錯(cuò)距為:

式中:

M——煤層間距，平均取14 m;

δ——巖石移動(dòng)角，45°～55°，取55°;

L1——煤壁塑性破壞寬度，取L=2 m;

B——2號(hào)煤最大控頂距，取4.4 m。

即根據(jù)減壓區(qū)理論，兩工作面最小錯(cuò)距應(yīng)不小于16.2 m。

1.2.2 減壓區(qū)最大錯(cuò)距的計(jì)算

最大錯(cuò)距計(jì)算依據(jù)的是2號(hào)煤工作面應(yīng)避免處在3+4號(hào)煤開(kāi)采引起的動(dòng)壓范圍內(nèi)。則將由公式(1)計(jì)算所得的穩(wěn)壓區(qū)錯(cuò)距減去1～1.5個(gè)周期來(lái)壓步距就可得到減壓區(qū)最大錯(cuò)距值。

減壓區(qū)最大錯(cuò)距為:

式中:

Xmin——穩(wěn)壓區(qū)合理錯(cuò)距，為 39.2 m ～44.2 m;

S周期——2號(hào)煤周期來(lái)壓步距，取10 m。

即根據(jù)減壓區(qū)理論，兩工作面最大錯(cuò)距為24.2 m～34.2 m。綜合最小和最大錯(cuò)距的計(jì)算，3+4號(hào)煤布置在2號(hào)煤減壓區(qū)范圍內(nèi)的合理錯(cuò)距為16.2 m～34.2 m。

1.3 可行性理論分析

用塑性滑移理論計(jì)算底板破壞深度［7，8］:

式中:

xa——煤層塑性區(qū)寬度，取3.59 m;

φ0——2 號(hào)煤底板巖層內(nèi)摩擦角，取36°。

解算可得:

故2號(hào)煤開(kāi)采后對(duì)底板的破壞深度為4.12m，而2號(hào)煤與3+4號(hào)煤的間距為14 m，所以3+4號(hào)煤工作面布置在2號(hào)煤減壓區(qū)內(nèi)，頂板相對(duì)穩(wěn)定，且受到上煤層開(kāi)采的影響時(shí)間較短，有利于下煤層的回采。

若3+4號(hào)煤布置在2號(hào)煤穩(wěn)壓區(qū)內(nèi)，由于兩工作面錯(cuò)距為39.2 m～44.2 m，下煤層受上煤層開(kāi)采動(dòng)壓影響時(shí)間長(zhǎng)，巷道維護(hù)相對(duì)困難，不利于3+4號(hào)煤的開(kāi)采。

2 數(shù)值模擬分析

上述理論計(jì)算分析可知，根據(jù)穩(wěn)壓區(qū)理論確定的合理錯(cuò)距為39.2 m～44.2 m，而減壓區(qū)理論確定的合理錯(cuò)距為16.2 m～34.2 m。下面運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)穩(wěn)壓區(qū)理論和減壓區(qū)理論確定的錯(cuò)距可行性進(jìn)行分析研究。

2.1 建立模型

根據(jù)該礦同采煤層埋藏特征和地質(zhì)概況，模型長(zhǎng)200 m，寬200 m，高48 m，走向?yàn)殚L(zhǎng)度方向，傾向?yàn)閷挾确较颉Ｔ谧呦蚝蛢A向方向平均分為50個(gè)塊，高度方向根據(jù)距煤層由遠(yuǎn)及近按由疏到密排列。建立的數(shù)值模擬模型如圖4。

圖4 數(shù)值模擬建模

考慮埋深，將未模擬的巖層重量作為垂直荷載施加到模型上部［9］，取 13.31 MPa。模型位移邊界條件為:①模型前、后和左、右邊界施加水平方向約束;②模型底部邊界固定;③模型上部為自由邊界。分別模擬2號(hào)煤和3+4號(hào)煤工作面錯(cuò)距為16.2 m，25.2 m，34.2 m，43.2 m 情況下的采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布情況。

2.2 不同錯(cuò)距數(shù)值模擬分析

當(dāng)工作面錯(cuò)距分別為 16.2 m、25.2 m、34.2 m、43.2 m 時(shí)［10］，圍巖應(yīng)力分布如圖5～ 圖8所示。

圖5 錯(cuò)距43.2 m時(shí)應(yīng)力圖

圖6 錯(cuò)距34.2 m時(shí)應(yīng)力圖

圖7 錯(cuò)距25.2 m時(shí)應(yīng)力圖

圖8 錯(cuò)距16.2 m時(shí)應(yīng)力圖

如圖5所示，2號(hào)煤與3+4號(hào)煤錯(cuò)距為43.2 m時(shí)，2號(hào)煤采空區(qū)后方應(yīng)力增高區(qū)由于受到3+4號(hào)煤超前支承壓力的影響范圍變大，兩區(qū)域連在一起，3+4號(hào)煤工作面超前支承壓力最大達(dá)29.69 MPa。

如圖6所示，2號(hào)煤與3+4號(hào)煤錯(cuò)距為34.2 m時(shí)，2號(hào)煤采空區(qū)后方應(yīng)力增高區(qū)范圍較錯(cuò)距為43.2m時(shí)有所減小，3+4號(hào)煤工作面超前支承壓力最大達(dá)29.70 MPa。

如圖7所示，2號(hào)煤與3+4號(hào)煤錯(cuò)距為25.2 m時(shí)，下工作面處于上煤層開(kāi)采形成的減壓區(qū)內(nèi)，2號(hào)煤采空區(qū)后方應(yīng)力最大值和3+4號(hào)煤超前支承壓力范圍都有所減?。?1］。

如圖8所示，2號(hào)煤與3+4號(hào)煤錯(cuò)距為16.2 m時(shí)，2號(hào)煤采空區(qū)后方應(yīng)力增高區(qū)基本消失，3+4號(hào)煤超前支承壓力范圍較小，且峰值較低，為 26.53 MPa。

由以上觀察分析可知，當(dāng)兩煤工作面錯(cuò)距為16.2 m時(shí)，超前應(yīng)力范圍較小，峰值較低，頂板相對(duì)容易控制［12］;且與布置在穩(wěn)壓區(qū)相比，受上煤層開(kāi)采動(dòng)壓的時(shí)間較短，是較合理的錯(cuò)距選擇。

3 結(jié)論

1)分別用穩(wěn)壓區(qū)理論和減壓區(qū)理論進(jìn)行計(jì)算，該礦2號(hào)煤層與3+4號(hào)煤層的工作面合理錯(cuò)距分別為39.2 m～44.2 m和16.2 m～34.2 m。

2)通過(guò)理論計(jì)算對(duì)兩種理論的可行性進(jìn)行評(píng)估，可知該礦3+4號(hào)煤工作面布置在2號(hào)煤減壓區(qū)內(nèi)頂板相對(duì)易于控制。

3)通過(guò)數(shù)值模擬分析，當(dāng)錯(cuò)距為16.2 m時(shí)，3+4號(hào)煤超前應(yīng)力范圍和峰值都較小，從而驗(yàn)證了理論分析。

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