隆德煤礦淺埋上下煤層協調同采技術研究

冉星仕

(神木縣隆德礦業有限責任公司，陜西 榆林 719000)

隨著我國西部淺埋礦區的持續開發，煤層群開采所占的比重逐漸增大，改擴建或新建礦井為了延長礦井服務年限和提高經濟效益，也開始設計采用多煤層同采，因此，煤層群協調開采技術越來越引起行業的重視。煤層群開采與單一煤層開采在礦壓顯現及巖層控制上具有差異性[1-6]，當上下煤層間距較小時，上煤層開采導致底板破壞嚴重，增加下煤層巖層控制的難度；當兩煤層同采錯距較小時，圍巖應力場相互疊加，產生應力集中區，不利于巷道維護和工作面煤壁的穩定性。淺埋煤層協調開采實踐[7-12]表明，回采下部煤層時，上覆采空區遺留煤柱在底板形成應力集中，下煤層應力影響區內的頂板和煤層結構裂隙發育，極易發生冒頂、漏頂現象，甚至出現煤柱失穩破壞導致的下煤層頂板大面積突然垮落等現象，造成切頂壓架事故，嚴重威脅工作面安全生產[13-15]。

隆德煤礦1-1煤、2-2煤同步開采，且2-2煤工作面推采速度較快，勢必面臨重疊開采問題，當上下煤層工作面回采間距減小至某一值后，下煤層大采高工作面圍巖應力狀況將更加復雜，圍巖控制難度加大，可能造成煤壁片幫漏頂、支架下縮量顯著增加、巷道嚴重變形等問題，給礦井生產帶來較大的安全隱患，而隆德煤礦尚缺乏該方面的研究工作，因此，有必要基于隆德煤礦具體地質開采條件，對上下煤層協調同采技術進行深入研究，以保障工作面安全高效生產。

1 礦井概況

隆德煤礦目前主采1-1煤、2-2煤，其中，1-1煤可采厚度1.50～2.15m，平均1.73m，埋深為92.91～153.23m，平均129.04m；2-2煤可采厚度4.12～5.96m，平均4.89m，埋深為40.68～211.42m，平均162.27m。

1-1煤101綜采工作面可采長度2529m，工作面長度288.9m。偽頂為厚度0～0.5m的砂質泥巖、炭質泥巖；直接頂為厚度4.2～12.5m的細粒砂巖、粉砂巖；基本頂為厚度5.5～13m的細-中粒砂巖；底板為厚度為1.2～4.5m的粉砂巖、細粒砂巖。101工作面布置3條回采巷道，即輔運巷、主運巷和回風巷，工作面采用ZY10000/13/26D型兩柱掩護式液壓支架控頂。

2-2煤209工作面可采長度3477m，工作面寬度300m，偽頂為厚度0.2～0.5m的泥巖，直接頂為厚度2.4～5.6m的粉砂巖，基本頂為厚度7.3～14.8m的細砂巖、粉砂巖，底板為厚度8.2～14.3m的粉砂巖，209工作面同樣布置3條回采巷道，采用ZY12000/25/50D型兩柱掩護式液壓支架控頂。101工作面與209工作面重疊，層間距平均54.16m。

2 上下煤層同采應力分布實測研究

2.1 CT探測2-2煤層工作面應力分布

2.1.1 探測方案

CT探測采用的設備為PASAT-M型便攜式微震探測系統，探測方案包含2個測區，其中，測區1范圍為209工作面煤壁前方200m實體煤，測區2范圍為以正回采的1-1煤工作面為分界線，下方2-2煤工作面前后100m實體煤，如圖1所示。激發端設計在工作面主運巷回采幫，激發端炮孔間距為10.0m，炮孔深度2.0m，每孔裝藥量約150g，共20組；接收端檢波器設計安裝在回風巷回采幫錨桿上，檢波器間距18m，共12個。

圖1 CT探測測區布置方案

2.1.2 探測結果分析

采用PASAT-RHA軟件對探測所得的數據進行分析，分析結果如圖2所示。根據圖2可知，第1測區在209工作面前方59.5m以外，無顯著應力集中區，表明超前采動應力范圍不大于59.5m；第2測區在工作面后方47.5m以外，211工作面應力開始升高，表明1-1煤采空區頂板開始垮落。

圖2 PASAT測試掃描分析

2.2 鉆孔應力計實測2-2煤層工作面應力分布

2.2.1 監測方案

通過安裝鉆孔應力計，實測1-1煤開采對下方2-2煤工作面的影響，共布置3組測站，如圖3所示，測站1用于監測1-1煤回采對下方2-2煤工作面的采動應力影響特征，測站2、測站3用于監測2-2煤工作面超前采動應力分布特征。具體方案如下：

圖3 各測站鉆孔應力計布置(m)

1)測站1超前于1-1煤102工作面約600m，在209工作面輔運巷向211工作面實體煤幫安裝鉆孔應力計6部，孔深分別為9m、14m(各3組)，間距5m。

2)測站2超前于209工作面約600m，從209工作面回風巷向實體煤幫安裝鉆孔應力計6部，鉆孔深度分別為9m、14m(各3組)，間距5m。

3)測站3超前于209工作面約600m，從209工作面主運巷向實體煤幫安裝鉆孔應力計4部，鉆孔深度分別為9m、14m(各2組)，間距5m。

2.2.2 監測結果分析

通過長期監測，采動應力分布特征見表1。分析表1可知，2-2煤工作面超前應力影響范圍27.6～50.7m，平均40.8m，應力峰值在工作面前方6m，應力集中系數1.23。結合煤體承載性能與應力分布特征[16]，超前應力可分為3個區域：①工作面前方0～6m，屬于應力降低區；②工作面前方6～40.8m，屬于應力升高區；③工作面前方40.8m以遠，屬于初始應力區。其中，測站1受側向間距30m的209工作面和上覆間距54m的102工作面雙重采動影響；由測站3典型鉆孔應力曲線可知，采動應力曲線全過程基本保持恒定，即上覆1-1煤工作面回采對2-2煤工作面的影響不明顯。

表1 各測站采動應力變化特征

3 上下煤層協調開采安全間距確定

上下煤層同采的安全間距確定由3部分組成：2-2煤工作面超前影響距離l1、一定的安全距離l2、1-1煤開采對2-2煤工作面的滯后影響距離l3。根據鉆孔應力計及CT探測實測結果，并結合理論計算，綜合確定上下煤層協調開采安全間距L。

3.1 鉆孔應力計實測確定安全間距

1)209工作面回風巷超前應力影響范圍27.6～50.7m，209主運巷超前應力影響范圍37～43m，取大值50.7m。

2)一定的安全距離，取1.5～2.0倍周期來壓步距，1-1煤工作面周期來壓步距平均15.7m，安全距離取大值31.4m。

3)209工作面及上覆102工作面雙重采動影響下，211工作面應力基本不發生變化，因此，1-1煤開采對2-2煤工作面的滯后影響距離取0。

從鉆孔應力實測角度，隆德煤礦上下煤層同采安全間距L≥50.7+31.4+0=82.1m。

3.2 CT探測確定安全間距

根據CT探測結果，第1測區209工作面超前應力范圍l1≤59.5m，第2測區1-1煤層開采對2-2煤工作面滯后影響距離l3≥47.5m，考慮一定的安全距離l2=31.4m，則從CT探測角度，隆德煤礦上下煤層同采安全間距L≥59.5+31.4+47.5=138.4m。

3.3 理論分析確定安全間距

根據隆德煤礦地表移動規律測試分析，2-2煤層工作面超前影響角為68.9°，按1-1煤與2-2煤層間距54.16m計算，得出2-2煤開采對1-1煤的水平影響距離為20.9m，如圖4所示，同樣考慮安全距離l2=31.4m，則從理論分析角度，隆德煤礦上下煤層同采安全間距L≥20.9+31.4=52.4m。

圖4 2-2煤工作面開采巖層移動示意圖

綜合以上3種方法，為提高隆德煤礦上下煤層同采的安全性，合理安全間距取為138.4m。

4 上下煤層協調開采驗證

由于隆德煤礦當前尚不具備現場實測驗證條件，因此，采用數值模擬的方法對確定的協調開采安全間距進行驗證。以209工作面切眼附近的BK4鉆孔揭示的煤巖層為建模參數依據，采用FLAC3D數值模擬方法，建立平面模型，分析不同開采間距對2-2煤工作面覆巖應力的影響特征。模型巖層巖性及主要物理力學參數見表2。建立的平面模型尺寸：長×高=200m×113m，上覆厚度160m的基巖層和表土層采用均布載荷形式加載在模型上表面。模擬方案為先從左側50m開始，開采上部1-1煤層，開挖長度400m；再從左側50m開始，開采下部2-2煤層，分別開挖150m、200m、250m、300m、350m、400m，即滯后1-1煤工作面水平距離分別為250m、200m、150m、100m、50m、0m，分析對應的頂板應力變化特征。

表2 數值模擬巖層巖性及主要物理力學參數

滯后距離250m、200m、150m、100m、50m、0m所對應的頂板應力分布情況如圖5所示，通常頂板以彎拉破壞為主，本次以拉應力區表征頂板破壞發育范圍。由圖5可知，2-2煤工作面與1-1煤工作面水平間距由250m縮小至0m過程中，拉應力區在垂直方向上呈逐漸擴大趨勢。水平間距250m至100m過程中，拉應力區沒有發生貫通；水平間距50m至0m，拉應力區基本整體貫通2-2煤與1-1煤之間的巖層。2-2煤頂板拉應力發育高度如圖6所示。水平間距250m至0m過程中，拉應力區發育長度在頂板垂直方向上有波動，但整體呈增大趨勢，直至間距50m擴展至整個層間距?？梢?，為了2-2煤層安全開采，其工作面滯后1-1煤層工作面的水平距離不應小于50m，上述確定的安全間距138.4m滿足要求，且有較大的安全富余量。

圖5 不同水平間距對應的頂板拉應力區

圖6 頂板拉應力區高度統計

5 結 論

1)采用2種現場測試方法，研究了1-1煤與2-2煤開采相互影響關系，即CT探測得出了2-2煤工作面超前應力影響范圍不大于59.5m，1-1煤推采47.5m采空區頂板開始垮落對2-2煤工作面應力產生影響；鉆孔應力計實測得出了2-2煤工作面超前應力范圍平均40.8m，應力峰值位于工作面前方6m，應力集中系數1.23，且2-2煤層回采基本不受間隔煤柱寬度20m的相鄰工作面以及間隔頂板巖層厚度54m的1-1煤工作面開采影響。

2)通過CT探測、鉆孔應力計實測以及理論計算3種方法，確定了隆德煤礦上下煤層協調開采合理安全間距為138.4m。

3)采用數值模擬方法，研究了不同安全間距下頂板拉應力區演化特征，得出了安全間距50m以內拉應力貫穿整個層間距，驗證了隆德煤礦上下煤層協調開采安全間距138.4m的安全性。