鄰礦下組煤工作面開采對9508工作面影響研究

張鵬鵬

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

陽泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司程莊煤礦生產(chǎn)能力為240萬t/a，井田內(nèi)分兩個水平開采，一水平開采9號煤層，二水平開采15號煤層。9508工作面位于一水平9號煤層井田西北部，西鄰清城煤礦下組15號煤層的15101綜放工作面，兩工作留設(shè)井田邊界煤柱寬度均為20 m，9號煤和15號煤平均層間距為85 m左右，工作面位置關(guān)系如圖1所示。

程莊煤礦9508工作面切眼長度為217 m，推進(jìn)長度為1 158 m，主要開采井田內(nèi)一水平9號煤層，9號煤厚度為1.72～3.95 m，均厚2.0 m，平均傾角4°，工作面共布置進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、抽采措施巷3條巷道，各巷道均采用錨索+鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式。9508工作面采用綜采一次采全高工藝，全部垮落法管理頂板，采煤機(jī)每刀截割進(jìn)尺為0.6 m，采用“三八制”作業(yè)，兩班生產(chǎn)，一班檢修，日循環(huán)個數(shù)為4個，每天可推進(jìn)2.4 m。

清城煤礦15101工作面走向長為960 m，傾向長為148 m，由于工作面布置方向與主副斜井斜交，為保護(hù)兩個井筒，15101工作面正常推進(jìn)300 m后，將工作面切眼長度縮減為70 m，繼續(xù)向前推進(jìn)300 m左右停采，共計(jì)推進(jìn)600 m左右。

圖1 工作面位置關(guān)系(m)

15101工作面開采礦井下組15號煤層，15號煤層厚度為6.30～7.78 m，均厚7.24 m，平均傾角8°，工作面基本頂為均厚13.75 m的K2石灰?guī)r。工作面采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤方法，一采一放，采高為2.4～2.6 m，放煤高度為4.8～4.6 m，采放比為1∶2～1∶1.8，循環(huán)步距為0.6 m，工作面每日可完成5個循環(huán)，日推進(jìn)距離為3.0 m。

程莊煤礦9508工作面于2019年4月初進(jìn)行回采，清城煤礦15101工作面于2019年6月初進(jìn)行回采，9508工作面推進(jìn)速度為2.4 m/d，15101工作面推進(jìn)速度為3 m/d，為探究清城煤礦下組15號煤15101工作面回采過程中對程莊煤礦上組9號煤9508工作面回采的影響，特展開相關(guān)研究，以對9508工作面回采安全性進(jìn)行評估，并提出相關(guān)針對性安全保護(hù)措施，為工作面的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

2 工作面開采覆巖變形破壞理論分析

2.1 9號煤層開采底板破壞深度分析

程莊煤礦9508工作面9號煤層在采掘過程中由于礦山壓力作用，造成煤層底板下方應(yīng)力重新分布，底板受回采動壓影響會發(fā)生一定程度的變形破壞，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，工作面底板破壞深度可由式(1)進(jìn)行計(jì)算：

h=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中：h為煤層底板破壞帶深度，m；H為開采深度，取131～345.1 m；α為地層傾角，取工作面地層平均傾角4°；L為工作面斜長，取217 mm。

經(jīng)計(jì)算可得，程莊煤礦9號煤9508工作面回采對底板破壞深度約為20.8～22.7 m。

2.2 15號煤層開采上覆巖層裂隙帶高度理論計(jì)算

清城煤礦15101工作面回采會造成上覆巖層的垮落變形，形成覆巖三帶，15101工作面上覆基本頂為K2石灰?guī)r(屬于中硬巖層)，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[1-2]，對其垮落帶和裂隙帶由式(2)和(3)進(jìn)行計(jì)算：

(2)

(3)

式中：Hm為冒落帶高度，m；Hd為裂隙帶高度，m；M為煤層厚度，取7.2 m。

根據(jù)公式(2)與(3)計(jì)算得出15號煤開采上覆巖層冒落帶高度為11.4～15.8 m，裂隙帶高度為42.0～53.2 m。

由理論計(jì)算可知，程莊煤礦9號煤9508工作面回采對底板破壞深度和清城煤礦15號煤層15101工作面回采造成上覆巖層裂隙發(fā)育深度之和為62.8～75.9 m，而兩工作面間的平均層間距為85 m，兩工作面的采動裂隙并不會溝通。

3 鄰礦下組煤工作面開采對9508工作面影響數(shù)值模擬研究

前面理論計(jì)算了兩工作面同步回采過程中垂直方向巖層裂隙發(fā)育深度，而兩工作面并不是重疊布置，水平方向上二者間還有共計(jì)40 m寬的礦井邊界煤柱，因此本節(jié)采用數(shù)值模擬的方法對兩工作面同步回采過程中，兩工作面間煤柱變形破壞情況進(jìn)行分析。

3.1 模型建立及方案設(shè)計(jì)

以程莊煤礦9號煤層9508工作面和清城煤礦15號煤15101工作面實(shí)際開采地質(zhì)條件為背景，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，9號煤層厚度取2.8 m，15號煤層厚度取7.2 m，煤層層間距取85 m，模型中兩層煤都按近水平煤層設(shè)計(jì)。模型中9508工作面寬度取200 m，15101工作面寬度取150 m，工作面推進(jìn)長度為600 m，兩工作面間的煤柱寬度取40 m，為消除邊界效應(yīng)，兩工作面外側(cè)各留50 m實(shí)體煤，因此模型長度按520 m計(jì)，最終建立的數(shù)值計(jì)算模型尺寸為：長×寬×高=520 m×700 m×160 m，計(jì)算使用摩爾庫倫本構(gòu)模型。

程莊煤礦9508工作面于2019年4月初回采，清城煤礦15101工作面于2019年6月初進(jìn)行回采，9508工作面日推進(jìn)速度為2.4 m，則9508工作面開采150 m左右后15101工作面進(jìn)行回采，15101工作面以148 m切眼長推進(jìn)300 m后，切眼縮短為70 m，繼續(xù)推進(jìn)300 m后停采。因此按兩工作面正常生產(chǎn)銜接情況，模擬可分為三個階段：①僅9508工作面開采，推進(jìn)150 m；②15101工作面長切眼開采，推進(jìn)300 m，9508工作面同采，推進(jìn)240 m；③15101工作面短切眼開采，推進(jìn)300 m，9508工作面同采，推進(jìn)240 m；最終15101工作面推進(jìn)600 m末采后，9508工作面累計(jì)推進(jìn)630 m，仍超前15101工作面30 m。

3.2 模擬結(jié)果分析

對兩工作面推進(jìn)過程中，相距不同距離時煤柱變形及應(yīng)力分布情況進(jìn)行研究，選取關(guān)鍵推進(jìn)位置進(jìn)行分析。

15101工作面向前推進(jìn)300 m(工作面長切眼段推進(jìn)完)，則9508工作面推進(jìn)距切眼390 m處，此時9508工作面超前15101工作面90 m，此位置關(guān)系下工作面周邊圍巖塑性區(qū)及垂直應(yīng)力分布如圖2和圖3所示。由圖可知，隨著15101工作面回采距離的增加，頂板上覆巖層裂隙發(fā)育范圍進(jìn)一步增加，工作面上方40 m范圍巖層已發(fā)生塑性變形，上方50～60 m范圍覆巖產(chǎn)生離層裂隙；在15101工作面開采范圍及其前方100 m范圍內(nèi)，煤柱上覆巖層內(nèi)50～70 m處出現(xiàn)大范圍的垂直應(yīng)力集中，上下煤組兩工作面回采相互動壓影響趨于強(qiáng)烈。

圖2 15101工作面推進(jìn)300 m后圍巖塑性區(qū)分布

圖3 15101工作面推進(jìn)300 m后圍巖垂直應(yīng)力分布

15101工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至600 m位置(工作面短切眼推進(jìn)完)，則9508工作面推進(jìn)至距切眼630 m處，此時9508工作面仍超前15101工作面30 m，此位置關(guān)系下工作面周邊圍巖塑性區(qū)及垂直應(yīng)力分布如圖4和圖5所示。由圖可知，15101工作面末采后，兩工作面煤柱間并無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱仍有10 m左右彈性核區(qū)，兩工作面采動覆巖裂隙并未完全貫通，煤柱承載能力及穩(wěn)定性較好，仍能起到隔絕采動裂隙的作用。

圖4 15101工作面推進(jìn)600 m后圍巖塑性區(qū)分布

圖5 15101工作面推進(jìn)600 m后圍巖垂直應(yīng)力分布

4 上下組煤層同采工作面合理錯距理論分析

由穩(wěn)壓區(qū)理論可知[3-4]，下煤層工作面應(yīng)在上煤層工作面開采完、上覆巖層垮落穩(wěn)定、礦壓顯現(xiàn)穩(wěn)定后再進(jìn)行開采，即要保證上下組煤層同采過程中，下煤層工作面在上煤層工作面開采后形成的穩(wěn)壓區(qū)中回采。因此，采用穩(wěn)壓區(qū)理論進(jìn)行回采，上下煤層同采相互影響相對較小。穩(wěn)壓區(qū)理論核心是一定不要讓上下煤層工作面的錯距過小，才能讓下部煤層工作面不受到上部煤層工作面的動壓影響，同時，要保證下部煤層開采的巖層移動不會傳遞到上部煤層工作面，穩(wěn)壓區(qū)理論得出的合理錯距是一個最小值，計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 穩(wěn)壓區(qū)開采計(jì)算模型

上下煤層同采工作面最小距離Xmin計(jì)算表達(dá)式如下：

Xmin=Mcotδ+L+B

(4)

式中：M為上下組煤層層間距；δ為巖石移動角，堅(jiān)硬巖層按60～70°取值；L為上煤層工作面開采頂板巖石跨落基本穩(wěn)定的安全距離；B為上煤層工作面的最大控頂距。

由9508工作面及15101工作面開采技術(shù)條件可知，上下組煤層層間距M為85 m，巖層移動角δ取70°，安全距離L取15 m，上煤層工作面最大控頂距B為4.46 m，將這些參數(shù)帶入式(4)計(jì)算可知，Xmin=50.4 m。

由此可知，當(dāng)上下組煤層同時進(jìn)行采掘作業(yè)時，9508工作面超前15101工作面距離應(yīng)不小于50.4 m，以減小上下組煤層同步回采作業(yè)時采動應(yīng)力疊加的不利影響。

9508工作面在回采過程中，需加強(qiáng)工作面及與15101相鄰兩巷道的礦壓監(jiān)測，如工作面支架工作阻力、巷道圍巖變形、錨桿(索)受力等，當(dāng)發(fā)現(xiàn)巷道圍巖變形破壞程度增加或支架工作阻力異常等情況時，采取相關(guān)加強(qiáng)支護(hù)措施，如補(bǔ)打錨桿(索)、超前預(yù)注漿等，同時要加強(qiáng)對巷道底鼓的控制，必要時增加底角錨索或采用反底拱等措施。

5 結(jié) 語

1) 通過理論計(jì)算出程莊煤礦9號煤9508工作面回采對底板破壞深度和清城煤礦15號煤層15101工作面回采造成上覆巖層裂隙發(fā)育深度之和為62.8～75.9 m，而兩工作面間的平均層間距為85 m，兩工作面的采動裂隙并不會溝通。

2) 以9508工作面和15101工作面工程地質(zhì)條件建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，對下組煤工作面開采對9508工作面影響進(jìn)行研究，得出在兩工作面同采情況下，上覆巖層裂隙發(fā)育高度可達(dá)50～60 m，至15101工作面末采時，兩工作面煤柱間仍有10 m左右的彈性核區(qū)，兩工作面采動覆巖裂隙并未完全貫通，煤柱承載能力及穩(wěn)定性較好，仍能起到隔絕采動裂隙的作用。

3) 現(xiàn)有開采技術(shù)條件下，下組煤工作面開采對9508工作面影響很小，基本可實(shí)現(xiàn)9508工作面的安全回采；然而9508工作面應(yīng)適當(dāng)加快推進(jìn)速度，增加兩工作面的安全距離(控制在50 m以上)，以減小下組煤工作面開采對其的影響程度。