华苑煤业近距离煤层联合开采可行性研究

杨庚慧

（太原煤气化山西灵石华苑煤业有限公司，山西 灵石 031300）

华苑煤业位于山西省灵石县附近，主采煤层包括7、9、10号煤层，其中9、10号煤层相距仅为4.35～6.21m，平均5.30m，属于近距离煤层，9号煤层厚度为0.92～1.40m，平均1.12m，10号煤层厚度3.45～4.75m，平均4.23m，由于9号煤层厚度较薄，若采用下行开采的方法，则9号煤回采后采空区稳定时间较长，不利于安全生产，且工作面产量较低，难以达到生产需求，因此初步拟定采用近距离煤层联合开采的方法进行回采工作。本文以华苑煤业实际地质条件为工程背景，对联合开采的可行性进行分析研究，并确定合理的开采错距，为相似条件下煤层的开采提供借鉴意义。

1 上煤层开采底板应力分布及破坏规律

1.1 上煤层开采底板应力分布规律

煤层开采后，围岩原始应力场被打破，应力重新分布，分析受力情况，建立力学模型[1-2]，如图1所示。

图1 底板应力分布图

根据图1所示模型，取底板任意一点，其应力为：

式中：

σx、σy-分别为（x，y）点的水平应力和垂直应力，MPa；

k-应力集中系数；

H-煤层埋深， m；

γ-覆岩平均容重， kN/m3；

η-任一点距离支承压力峰值位置的水平距离，m；

a-应力压力峰值距离超前支承压力边界的距离，m；

b-煤壁到集中应力峰值位置距离，m。

根据矿井实际生产条件，取超前应力峰值位于煤壁前方4m处，应力集中系数为2.4。对工作面前后30m范围内应力分布进行计算分析，绘制应力集中系数曲线图，如图2所示。

图2 应力集中系数与距煤壁距离曲线图

由图2可以看出，在距离煤壁30m处的采空区内，底板水平应力集中系数接近于0，距离煤壁越近，应力集中系数越大，在距离煤壁3m左右处，水平应力达到原岩应力大小，在煤壁前方2m左右，水平应力系数达到最大值，约1.75，随着远离煤壁，应力逐渐减小，在煤壁前方30m左右，应力下降至原岩应力大小。与水平应力相比，垂直应力变化波动更大，在煤壁后方30m处，垂直应力系数约为0.6，在距离煤壁30～10m处的采空区内，应力集中系数逐渐减小，在距离煤壁10m，应力集中系数快速上升，这是由于受9号煤层开采影响，煤壁后方一定范围内的采空区内，底板出现应力释放，因此，下煤层工作面布置应尽量避开这一区域。

1.2 上煤层开采底板破坏特征

煤层开采后，受支承压力影响，底板受到一定的损伤破坏，根据滑移线场理论，煤层底板破坏如图 3所示[3]。

图3 煤层底板破坏深度

如图所示，煤层底板破坏最大深度为：

式中：

φf-底板岩层的内摩擦角，取40°；

L-支承压力峰值距离煤壁距离，且有

式中：

M1-为9#煤层采高，取1.12m；

H-9#煤层开采深度，取300m；

C-煤层的内聚力，取2.0MPa；

φ-煤体的内摩擦角，取30°；

γ-上覆岩层的平均重率，可取0.025MN/m3；

f-煤层与顶底板的摩擦系数，取0.3；

应力峰值位置距离支承压力影响边界距离L2为：

通过计算可知，9号煤层开采后，底板破坏最大深度为9.17m，大于层间距离5.30m，因此10号煤层在开采前顶板便受到一定的损伤破坏，容易发生冒顶等安全事故，应注意加强对10号煤层顶板的管理控制。同时，支承压力对底板的扰动范围为34.23m，在这一区域内，煤层顶板破碎，支护管理困难，因此10号煤层工作面应避免布置在这一区域内。

根据前面的分析计算，结合相似条件矿井实际生产经验，认为华苑煤业9、10煤层可以采用联合开采的方式，但需制定完善的安全措施，选择合理的工作面错距，以保障工作面的安全生产。

2 联合开采合理错距分析

选择合理的同采错距，对煤层安全高效开采有着重要的影响。在确定工作面合理错距时，第一是要尽量避免或降低上煤层支承压力对下煤层工作面的影响；第二是要避免下煤层超前支承压力与上煤层底板应力相互重叠；第三是要保障上下煤层工作面同步推进，保持错距在合理范围内。目前，对于工作面错距的确定主要有两种方法，即稳压区理论和减压区理论，下面根据华苑煤业实际条件，分别进行理论分析。

减压区理论是指要将下煤层工作面布置在上煤层底板应力减压区内，这种布置方式的工作面错距较小，上下煤层开采相互影响较大，这种布置方式的前提是层间岩层具有足够的厚度，能够在下煤层开采时保证顶板相对稳定。但是根据前面的计算可知，9号煤层的底板破坏最大深度为9.17m，大于层间岩层厚度，即10号煤层开采前顶板便受到破坏，若将10号煤层工作面布置在减压区内，受10号煤层开采影响，顶板受到二次扰动破坏，管理维护难度更大，因此，华苑煤业近距离煤层不具有减压区开采条件，10号煤层工作面不能布置在减压区内。

稳压区理论认为下煤层工作面应布置在上煤层采空区压实区域内，在此区域内可避免上煤层顶板垮落对下煤层工作面的影响。其开采示意图如图4所示[4]。

图4 稳压区开采计算模型

由图4可以知道，按照稳压区理论，工作面合理错距为：

式中：

Xmin-工作面最小合理错距，m；

hcj-上、下煤层层间岩层厚度，取5.3m；

La-9号煤层开采顶板岩层垮落基本稳定的安全距离，一般取20～25m；

B-9号煤层工作面控顶距，取4.7m。

将数据代入式（5），可得：

由此可以看出，采用稳压区理论，上下煤层工作面错距应大于34.16m。但是，在实际生产中，发现利用稳压区理论计算工作面错距有一定局限性，尤其是在下煤层厚度较大时，误差可能超过5m[5]，因此，考虑工作面错距还需考虑10号煤层的超前支承压力影响范围，实际观测可知，影响范围为25～30m，结合稳压区理论计算结果，考虑10号煤层工作面错距最少应为35m。

3 结论

根据华苑煤业实际地质条件，对9、10号近距离煤层联合开采进行分析研究，得到以下结论：

（1）对上煤层开采后底板应力分布进行研究，分析水平应力和垂直应力的分布规律，认为底板水平应力随着远离煤壁，应力逐渐减小，垂直应力变化波动更大，在距离煤壁10m处，应力集中系数快速上升；

（2）对9号煤层底板破坏特征进行计算，煤层底板破坏最大深度为9.17m，大于层间距离，结合相似条件矿井生产经验，认为采用合理支护方式后，可以采用联合开采的方法；

（3）根据稳压区理论，对联合开采合理错距进行计算，认为工作面错距最小应为35m。