层间应力影响下近距离煤层工作面合理错距留设问题研究_杨伟

REASONABLE MALPOSITION SETTING IN CLOSE DISTANCE COAL SEAMS UNDER INFLUENCE OF INTERLAMINAR STRESSES
YANG Wei1 2，LIU Changyou1 2，YANG Yu1
， ，
(1. School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China； 2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou， Jiangsu 221008，China)
[10-13]
l ≥ Lsi (l mLs1且l jLs 2 )
(3)
式中： l 为工作面顶板来压因素影响下的错距值；
Lsi 为上、下两煤层顶板周期来压安全跨距； i 为两
煤层序号， i =1，2，其中上煤层取值为 1，下煤层 取值为 2；m，j 均为大于 1 的正整数。 近距离煤层开采后，工作面空间围岩应力重新 分布。上煤层工作面煤体超前支承压力及采空区应 力导致两煤层间应力分布形式及范围如图 1[15] 所 示。在煤体支承压力下，上煤层工作面底板范围为 应力分布主要影响区 D，上煤层采空区距离工作面 一定距离处，底板应力分布形式主要受采空区矸 石压力影响，为应力分布次要影响区 E。图 1[15]中，
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论[14]探讨层间煤岩区应力分布形式，如图 4 所示。
图 2 下煤层煤体承受连续高应力状态 Fig.2 Second coal seam under continuous high stress state
图 4 层间煤岩区域应力分布 Fig.4 Regional stress distribution of coal rock between layers
围岩矿压显现加剧，工作面煤体应力重新分布。为 避免联合开采条件下工作面来压相互影响，工作面 错距的留设距离应选择大于两煤层顶板来压步距 值，同时为防止上、下两煤层工作面顶板同步来压， 工作面错距的选择还应当避免其值为上、下两煤层 顶板来压步距的倍数。 在现有矿压理论中，常按老顶岩梁的悬臂折断 计算周期来压步距[15]，可求得岩梁极限跨距为
图 1 采动影响下煤层支承压力分布[15] Fig.1 Abutment pressure distribution under impact of mining[15]
由图 1[15]可以看出，为避免下部煤层开采过程 中受上煤层采动应力的较大影响，在选择合理的工 作面错距时，应选择将下煤层工作面布置在合理的 错距 lh 处，从而避免下部煤体支承压力与层间应力 的叠加影响工作面的正常生产。如果工作面错距留 设距离 l 小于 lh ，则出现下煤层超前支承压力分布 范围在层间应力主要影响区内。下煤层支承压力峰 值右侧的极限平衡区 o2A 应力与层间次要应力影响 区 E 以及支承压力峰值左侧的增压区 AB 与层间应 导致下煤层工作 力主要应力影响区 D 分别相叠加， 面煤体在较长距离内承受高压影响，如图 2 所示。 为减少下煤层支承压力区与层间应力影响区的
叠加范围，避免工作面煤体在长距离持续高压影响 下，工作面出现严重片帮、冒顶等矿压显现现象及 端头难支护等问题，应将两煤层工作面错距设置为
假设支承压力峰值左侧稳压区的原岩应力状态 对底板应力的重新分布没有影响，将工作面煤体支 承压力看成极限平衡区的三角形带状载荷与增压区 的梯形带状荷载[10]，则层间任一点的应力可看成这 2 个带状载荷及采空区应力在半平面体中的叠加。 选取上煤层工作面煤壁处为坐标原点建立坐标系统
，这对解决矿井生产实际问题以
及保证煤矿安全生产起到了重要作用。但由于影响 工作面错距留设的因素较多，对该问题的研究还没 有统一定论，本文在传统矿压理论确定工作面错距 理论基础上，采用弹性板平面体理论
[14]
K 为上煤层应力集中系数，一般经现场实测得到，
对层间煤岩
为上煤层上覆岩层的平均容重，H 为上煤层埋藏
收稿日期：2011–04–01；修回日期：2011–05–18 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51004104)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB209400) 作者简介：杨 伟(1986–)，男，2009 年毕业于华北科技学院采矿工程专业，现为硕士研究生，主要从事工作面矿山压力与顶板管理控制、力学在矿 山工程中应用方面的研究工作。E-mail：jingxuanyang@
图 5 层间煤岩区域三角形与梯形应力简化分布 Fig.5 Triangular and trapezoidal regional stress simplified distribution of coal rock between layers
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岩石力学与工程学报
2012 年
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引 言
煤层开采后，受采动应力影响，围岩应力场发
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(2)
于是可得到工作面来压步距因素影响下，联采 工作面错距的留设原则：
生变化，围岩应力重新分布。近距离煤层联合开 采，上、下两煤层工作面相互影响[1-4]，上煤层回采 过程中，采动应力通过层间岩层向深部传递，影响 下部煤层煤体应力分布[5-9]。在联合开采条件下，上、 下两煤层工作面错距留设太大，将导致工作面生产 接续困难，矿井后期产量难以保证；工作面错距太 小，则由于上、下煤层采动相互影响严重，工作面 围岩难以控制。因此近距离煤层联合开采条件下， 工作面合理错距留设问题的研究具有重要理论和实 践意义。此问题已得到相关研究人员的重视并取得 许多研究成果
(1. 中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221008；2. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008)
摘要：采用传统矿压、弹性半平面体理论及现场实测相结合的研究方法，考虑层间应力分布因素的影响，对近距 离煤层联合开采条件下工作面合理错距的留设问题进行研究。研究得出：(1) 由矿压理论计算得出工作面错距留 设距离应满足的基本条件；(2) 在理论计算或实测分析的煤层工作面支承压力影响范围的基础上，采用半平面体 理论分析计算层间应力影响区范围，得到工作面错距修正值；(3) 将工作面错距修正值与矿压理论计算值作类比， 取其中数值较大并满足工作面错距留设基本条件的距离作为联采工作面的合理错距。以石圪节煤矿生产实际为背 景，分析工作面合理错距的留设过程，最终选定该矿联采工作面合理错距值为 55 m。在此错距条件下，工作面的 安全、高效生产得到保证。 关键词：采矿工程；近距离煤层；联合开采；工作面错距；半平面体；现场实测 中图分类号：TD 821 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2012)增 1–2965–08
Abstract: Considering the influence of stress distribution factor between layers，the combining research methods of the traditional rock pressure，elastic plane body theory and field measurement are adopted to analyze the issue of the coal face reasonable malposition setting under the condition of the combined mining face in close distance coal seam. The conclusions are obtained as follows：(1) The face malposition setting distance should satisfy the basic conditions calculated by the theory of the rock pressure. (2) Based on the influence scope of the lower coal seam abutment pressure got from the mechanical theory or the measurement analysis，the interlaminar stress influence scope is calculated by the theoretical method of semi-plane and get the correction value of the face malposition. (3) Comparing the face malposition correction value with the calculated result by the traditional rock pressure，the larger of the two face malposition value，and also satisfying the basic conditions calculated by the theory of rock pressure，is took as the reasonable malposition setting distance. Through the analysis of reasonable malposition setting in the context of actual production in Shigejie coal mine， the reasonable face malposition of 55 m is setted finally. In this condition，the safe and efficient production is guaranteed. Key words：mining engineering；close distance coal seams；combined mining；malposition；half-plane body； field measurement