煤层赋存状态对同采工作面错距的影响研究

柴 岩

（长治三元中能煤业有限公司，山西 长治 046600）

合理工作面错距的确定是保证煤层同采安全性和经济性的关键[1-3]，针对山西晋煤集团赵庄煤矿二采区2301、2401 工作面同采过程中矿压显现明显的现象，根据工作面煤层赋存状态实际情况，对近煤层同采工作面最大支承压力变化规律进行了系统研究，为近距离煤层安全开采提供理论依据。

1 工程概况

山西晋煤集团赵庄煤矿二采区地质构造为简单水平构造，低瓦斯。目前二采区主要开采3煤、4煤，3、4 煤层倾角3°～8°，平均倾角为5°。3 煤厚为0.03～3.28 m，平均煤厚2.0 m；4 煤厚为2.03～4.38 m，平均煤厚3.0 m；煤间距 5.35～9.54 m，平均间距7 m。根据钻孔柱状表1 可知，3 煤层顶板主要成分为细砂岩，底板为泥岩；4 煤层底板主要为粉砂岩。

表1 煤层及顶底板岩性特征

2 基于稳压区开采理论确定工作面合理错距

稳压区理论[4-5]提出，下煤层工作面开采前，要在上煤层工作面顶板垮落压实后，矿压慢慢恢复稳定后，再进行下煤层的开采。在近距离煤层同采时，需要把下煤层工作面布置在稳压区内，稳压区合理错距如图1。

图1 稳压区合理错距示意图

式中：M为上、下煤层平均间距，取7 m；δ为岩石移动角，根据经验岩层移动角取60°；L为考虑采煤工作面顶板岩层冒落基本稳定及大煤层工作面推进速度不均衡的安全距离，即L取20～25 m；B为上煤层工作面的最大控顶距，考虑到支架参数取4.0 m。

根据计算结果，错距结果需要在27.5～32.5 m之间。若两个工作面之间错距越大，则两个工作面同采相互影响越小；两个工作面之间错距越小，下工作面回采持续受上工作面的影响。

3 数值模型建立

为更好地解释水平煤层赋存状态对同采工作面错距的影响规律，本文采用数值模拟方法对3 煤工作面产生的最大支承压力进行重点研究。煤层平均埋深650 m，考虑到模型计算速度及边界效应，确定模型尺寸为长×宽×高=160 m×120 m×150 m，如图2 所示。模型顶面施加垂直应力15 MPa，模型四周及底面全部施加位移约束，模型中煤层及煤层顶、底板岩层物理参数见表2。为了让数值模拟更接近于现实情况，工作面开采后，工作面后方20 m 外采空区进行充填，用于模拟顶板垮落后载荷的传递。

图 2 数值模型示意图

表 2 巷道岩层及煤的物理力学参数

4 正交试验设计及评价指标

4.1 正交试验设计

通过上述理论计算得出在不考虑煤层赋存条件下，同采工作面合理错距为27.5～32.5 m，为简化条件，取两煤层同采工作面合理错距为30 m 保持不变。采用数值模拟与正交试验进行研究分析，选择3 煤层厚度、层间岩层厚度、4 煤层厚度为研究变量，其他条件不变。若采用全面搭配法则，费时费力，因此采用统计数学中应用较为广泛的正交试验方法。选取L9（33）三因素三水平的正交模拟方法，确定9 次数值模拟，试验因素见表3。

表3 三因素三水平的试验因素表 m

4.2 正交试验评价指标

选择3 煤层工作面前方最大支承压力作为评价指标来判断各个因素对工作面错距的影响程度，工作面前方支承压力越大，越容易导致剧烈的矿压显现，在工作面实际开采的过程中应重点监测。

其中，表5 中Z1、Z2、Z3代表的含义为一个因素相同其他两个因素不同的最大支承压力平均值。以Z1 行中数据“37.799”为例，所代表的含义为当3 煤层厚全部为1 m 时，不考虑其他两个因素，所有试验方案中最大支承压力相加求均值，如式（2）：

极差计算方法为同一列中最大支承压力平均值的最大值减去最小值。以“最大支承压力直观分析”中的极差“10.638”为例，其代表含义为只考虑3煤层厚度为1 m、2 m、3 m 时，其他因素不予考虑，所有试验方案中最大支承压力平均值的最大值减去平均值的最小值即为极差，如式（3）：

极差（10.638）=Z1-Z3= 37.799-27.161 （3）

极差越大，该因素对工作面错距的影响越敏感。

4.3 正交试验结果分析

建立9 次数值模拟模型，其中模型中各岩层力学参数为固定值，工作面错距30 m 保持不变，只改变3 煤层厚、层间岩层厚度及4 煤层厚，其他条件相同，对模型在y=60 m 处做切片处理。根据垂直方向上的应力云图（SZZ）切片分别统计在不同因素影响下的3 煤层工作面最大支承压力的具体数值。垂直应力云图如图3，其统计结果见表4。

图 3 垂直应力云图

通过对表4 分析可得：根据最大支承压力这一试验指标，试验的最大组合方案为方案3，其最大支承压力达到42.401 MPa；试验的最小组合方案为方案8，最大支承压力达到26.730 MPa。此时方案3 矿压显现比方案8 要更明显，应在开采过程中予以重点监测。

表4 正交试验结果

4.4 极差分析

为更好地体现煤层赋存状态对工作面错距的影响规律，通过正交试验得出各影响因素下工作面错距最大支承压力值，求其平均值，得到影响因素极差图如图3。其中a、b、c代表3 煤层厚、层间岩层厚度及4 煤层厚，2b代表当层间岩层厚为7 m 时，最大支承压力平均值为30.791 MPa；1、2、3 代表单一试验因素层厚。极差分析表见表5。

表5 极差分析表

通过表5、图4 分析可知：层间岩层厚度在3个水平（5 m、7 m、9 m）下的平均响应值分别为30.278 MPa、30.791 MPa、33.071 MPa；4 煤 层 厚度在3 个水平（2 m、3 m、4 m）下的平均响应值分别为30.345 MPa、30.698 MPa、33.097 MPa。两者的平均响应值接近，其变化规律呈增大趋势，说最最大支承压力随着层间岩层厚度及4 煤层厚度的增大而增大，呈正相关。3 煤层开采后，4 煤层工作面受采动的影响会产生应力集中现象，若4 煤层再进行开采时，3 煤层产生的应力集中与4 煤层产生的应力集中会出现应力叠加现象，造成3 煤层矿压增大。3 煤层厚度在3 个水平（1 m、2 m、3 m）下的平均响应值分别为37.799 MPa、29.180 MPa、27.161 MPa，其变化规律呈递减趋势，说明在工作面同采过程中，随着3 煤层厚度的增大，其前方支承压力减小，这说明3 煤层越薄，其工作面前方支承压力越大，导致剧烈的矿压显现，在开采过程中应重点监测。产生这种现象的原因为：3 煤层采高越大，工作面煤层发生塑性破坏，因此支承压力减小。3 个因素的极差分别为10.638 MPa、2.793 MPa、2.752 MPa，说明3 煤层厚度是影响工作面错距最大支承压力最主要因素，其影响因素排序为：3 煤层厚度>层间岩层厚度>4 煤层厚度。

图4 影响因素极差图

5 结论

（1）基于稳压区开采理论，通过计算得出3 煤和4 煤两同采工作面最小合理错距为27.5～32.5 m。

（2）根据最大支承压力这一试验指标，得出煤层赋存状态对工作面错距支承压力的影响严重，最大支承压力值随着层间岩层厚度及4 煤层厚度的增大而增大，随着3 煤层厚度的增大而减小，其排序为：3 煤层厚度>层间岩层厚度>4 煤层厚度。