邻矿下组煤工作面开采对9508工作面影响研究

张鹏鹏

(煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概况

阳泉市燕龛煤炭有限责任公司程庄煤矿生产能力为240万t/a，井田内分两个水平开采，一水平开采9号煤层，二水平开采15号煤层。9508工作面位于一水平9号煤层井田西北部，西邻清城煤矿下组15号煤层的15101综放工作面，两工作留设井田边界煤柱宽度均为20 m，9号煤和15号煤平均层间距为85 m左右，工作面位置关系如图1所示。

程庄煤矿9508工作面切眼长度为217 m，推进长度为1 158 m，主要开采井田内一水平9号煤层，9号煤厚度为1.72～3.95 m，均厚2.0 m，平均倾角4°，工作面共布置进风巷、回风巷、抽采措施巷3条巷道，各巷道均采用锚索+钢筋网联合支护方式。9508工作面采用综采一次采全高工艺，全部垮落法管理顶板，采煤机每刀截割进尺为0.6 m，采用“三八制”作业，两班生产，一班检修，日循环个数为4个，每天可推进2.4 m。

清城煤矿15101工作面走向长为960 m，倾向长为148 m，由于工作面布置方向与主副斜井斜交，为保护两个井筒，15101工作面正常推进300 m后，将工作面切眼长度缩减为70 m，继续向前推进300 m左右停采，共计推进600 m左右。

图1 工作面位置关系(m)

15101工作面开采矿井下组15号煤层，15号煤层厚度为6.30～7.78 m，均厚7.24 m，平均倾角8°，工作面基本顶为均厚13.75 m的K2石灰岩。工作面采用走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤采煤方法，一采一放，采高为2.4～2.6 m，放煤高度为4.8～4.6 m，采放比为1∶2～1∶1.8，循环步距为0.6 m，工作面每日可完成5个循环，日推进距离为3.0 m。

程庄煤矿9508工作面于2019年4月初进行回采，清城煤矿15101工作面于2019年6月初进行回采，9508工作面推进速度为2.4 m/d，15101工作面推进速度为3 m/d，为探究清城煤矿下组15号煤15101工作面回采过程中对程庄煤矿上组9号煤9508工作面回采的影响，特展开相关研究，以对9508工作面回采安全性进行评估，并提出相关针对性安全保护措施，为工作面的安全生产保驾护航。

2 工作面开采覆岩变形破坏理论分析

2.1 9号煤层开采底板破坏深度分析

程庄煤矿9508工作面9号煤层在采掘过程中由于矿山压力作用，造成煤层底板下方应力重新分布，底板受回采动压影响会发生一定程度的变形破坏，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，工作面底板破坏深度可由式(1)进行计算：

h=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中：h为煤层底板破坏带深度，m；H为开采深度，取131～345.1 m；α为地层倾角，取工作面地层平均倾角4°；L为工作面斜长，取217 mm。

经计算可得，程庄煤矿9号煤9508工作面回采对底板破坏深度约为20.8～22.7 m。

2.2 15号煤层开采上覆岩层裂隙带高度理论计算

清城煤矿15101工作面回采会造成上覆岩层的垮落变形，形成覆岩三带，15101工作面上覆基本顶为K2石灰岩(属于中硬岩层)，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[1-2]，对其垮落带和裂隙带由式(2)和(3)进行计算：

(2)

(3)

式中：Hm为冒落带高度，m；Hd为裂隙带高度，m；M为煤层厚度，取7.2 m。

根据公式(2)与(3)计算得出15号煤开采上覆岩层冒落带高度为11.4～15.8 m，裂隙带高度为42.0～53.2 m。

由理论计算可知，程庄煤矿9号煤9508工作面回采对底板破坏深度和清城煤矿15号煤层15101工作面回采造成上覆岩层裂隙发育深度之和为62.8～75.9 m，而两工作面间的平均层间距为85 m，两工作面的采动裂隙并不会沟通。

3 邻矿下组煤工作面开采对9508工作面影响数值模拟研究

前面理论计算了两工作面同步回采过程中垂直方向岩层裂隙发育深度，而两工作面并不是重叠布置，水平方向上二者间还有共计40 m宽的矿井边界煤柱，因此本节采用数值模拟的方法对两工作面同步回采过程中，两工作面间煤柱变形破坏情况进行分析。

3.1 模型建立及方案设计

以程庄煤矿9号煤层9508工作面和清城煤矿15号煤15101工作面实际开采地质条件为背景，建立FLAC3D数值计算模型，9号煤层厚度取2.8 m，15号煤层厚度取7.2 m，煤层层间距取85 m，模型中两层煤都按近水平煤层设计。模型中9508工作面宽度取200 m，15101工作面宽度取150 m，工作面推进长度为600 m，两工作面间的煤柱宽度取40 m，为消除边界效应，两工作面外侧各留50 m实体煤，因此模型长度按520 m计，最终建立的数值计算模型尺寸为：长×宽×高=520 m×700 m×160 m，计算使用摩尔库伦本构模型。

程庄煤矿9508工作面于2019年4月初回采，清城煤矿15101工作面于2019年6月初进行回采，9508工作面日推进速度为2.4 m，则9508工作面开采150 m左右后15101工作面进行回采，15101工作面以148 m切眼长推进300 m后，切眼缩短为70 m，继续推进300 m后停采。因此按两工作面正常生产衔接情况，模拟可分为三个阶段：①仅9508工作面开采，推进150 m；②15101工作面长切眼开采，推进300 m，9508工作面同采，推进240 m；③15101工作面短切眼开采，推进300 m，9508工作面同采，推进240 m；最终15101工作面推进600 m末采后，9508工作面累计推进630 m，仍超前15101工作面30 m。

3.2 模拟结果分析

对两工作面推进过程中，相距不同距离时煤柱变形及应力分布情况进行研究，选取关键推进位置进行分析。

15101工作面向前推进300 m(工作面长切眼段推进完)，则9508工作面推进距切眼390 m处，此时9508工作面超前15101工作面90 m，此位置关系下工作面周边围岩塑性区及垂直应力分布如图2和图3所示。由图可知，随着15101工作面回采距离的增加，顶板上覆岩层裂隙发育范围进一步增加，工作面上方40 m范围岩层已发生塑性变形，上方50～60 m范围覆岩产生离层裂隙；在15101工作面开采范围及其前方100 m范围内，煤柱上覆岩层内50～70 m处出现大范围的垂直应力集中，上下煤组两工作面回采相互动压影响趋于强烈。

图2 15101工作面推进300 m后围岩塑性区分布

图3 15101工作面推进300 m后围岩垂直应力分布

15101工作面继续向前推进至600 m位置(工作面短切眼推进完)，则9508工作面推进至距切眼630 m处，此时9508工作面仍超前15101工作面30 m，此位置关系下工作面周边围岩塑性区及垂直应力分布如图4和图5所示。由图可知，15101工作面末采后，两工作面煤柱间并无明显应力集中现象，煤柱仍有10 m左右弹性核区，两工作面采动覆岩裂隙并未完全贯通，煤柱承载能力及稳定性较好，仍能起到隔绝采动裂隙的作用。

图4 15101工作面推进600 m后围岩塑性区分布

图5 15101工作面推进600 m后围岩垂直应力分布

4 上下组煤层同采工作面合理错距理论分析

由稳压区理论可知[3-4]，下煤层工作面应在上煤层工作面开采完、上覆岩层垮落稳定、矿压显现稳定后再进行开采，即要保证上下组煤层同采过程中，下煤层工作面在上煤层工作面开采后形成的稳压区中回采。因此，采用稳压区理论进行回采，上下煤层同采相互影响相对较小。稳压区理论核心是一定不要让上下煤层工作面的错距过小，才能让下部煤层工作面不受到上部煤层工作面的动压影响，同时，要保证下部煤层开采的岩层移动不会传递到上部煤层工作面，稳压区理论得出的合理错距是一个最小值，计算模型如图6所示。

图6 稳压区开采计算模型

上下煤层同采工作面最小距离Xmin计算表达式如下：

Xmin=Mcotδ+L+B

(4)

式中：M为上下组煤层层间距；δ为岩石移动角，坚硬岩层按60～70°取值；L为上煤层工作面开采顶板岩石跨落基本稳定的安全距离；B为上煤层工作面的最大控顶距。

由9508工作面及15101工作面开采技术条件可知，上下组煤层层间距M为85 m，岩层移动角δ取70°，安全距离L取15 m，上煤层工作面最大控顶距B为4.46 m，将这些参数带入式(4)计算可知，Xmin=50.4 m。

由此可知，当上下组煤层同时进行采掘作业时，9508工作面超前15101工作面距离应不小于50.4 m，以减小上下组煤层同步回采作业时采动应力叠加的不利影响。

9508工作面在回采过程中，需加强工作面及与15101相邻两巷道的矿压监测，如工作面支架工作阻力、巷道围岩变形、锚杆(索)受力等，当发现巷道围岩变形破坏程度增加或支架工作阻力异常等情况时，采取相关加强支护措施，如补打锚杆(索)、超前预注浆等，同时要加强对巷道底鼓的控制，必要时增加底角锚索或采用反底拱等措施。

5 结 语

1) 通过理论计算出程庄煤矿9号煤9508工作面回采对底板破坏深度和清城煤矿15号煤层15101工作面回采造成上覆岩层裂隙发育深度之和为62.8～75.9 m，而两工作面间的平均层间距为85 m，两工作面的采动裂隙并不会沟通。

2) 以9508工作面和15101工作面工程地质条件建立FLAC3D数值计算模型，对下组煤工作面开采对9508工作面影响进行研究，得出在两工作面同采情况下，上覆岩层裂隙发育高度可达50～60 m，至15101工作面末采时，两工作面煤柱间仍有10 m左右的弹性核区，两工作面采动覆岩裂隙并未完全贯通，煤柱承载能力及稳定性较好，仍能起到隔绝采动裂隙的作用。

3) 现有开采技术条件下，下组煤工作面开采对9508工作面影响很小，基本可实现9508工作面的安全回采；然而9508工作面应适当加快推进速度，增加两工作面的安全距离(控制在50 m以上)，以减小下组煤工作面开采对其的影响程度。