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[摘 要]本文应用岩层移动与常规错距理论，针对山不拉煤矿3208、3209煤间距最小15m的实际情况，对上、下工作面联合开采的合理错距及相互影响因素进行了研究，并进行了现场矿压监测，结果表明了研究结果的正确性和适用性。山不拉近距离煤层联合开采的成功实施，提高了开采效率，在理论上和技术上为类似条件下煤层开采提供了借鉴。
[关键词]近距离煤层 联合开采 合理错距 矿压监测
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）05-0021-02
近距离煤层是指煤田开采范围内相邻两个煤层的间距离很近，而且在开采时相互之间具有显著影响的煤层[1]。由于两煤层之间的距离很小，两煤层联合开采过程势必存在许多技术难题，有效解决近距离煤层联合开采时相互影响这一难题的方法是上下工作面留设合理的走向错距。上下工作面走向错距的合理留设，可以有效缓解两煤层工作面因同时开采所造成的相互间不利影响，保证上下两个工作面安全、高效、稳定生产[2-3]。目前，国内对近距离煤层的开采进行了大量的经验性、实践性的研究[4-6]。如阳邑煤矿极近距离煤层联合开采关键技术难题是确定同采工作面走向错距。留设合理的错距，将关系到回采工作面的覆岩矿压控制、回采系统的安全可靠程度及各种经济指标是否合理等重要问题[7]。目前关于此技术难题具有代表性的研究：林衍等[8]对错距公式进行了拟合；王泳嘉等[9]运用离散元进行了中厚煤层联合开采的相似模拟。目前，对近距离煤层联合开采合理错距的确定问题的研究还很少。
1 工程概况
山不拉煤矿3208工作面和3209工作面层间为15m左右的砂质泥岩，为近距离煤层。3208工作面直接顶板为15m厚的砂质泥岩，砂质泥岩下有0.8m厚的泥岩伪顶，砂质泥岩上部为24m厚的泥岩，底板为15m厚的砂质泥岩。3209工作面顶板为15m厚的砂质泥岩，直接底为7m厚的细砂岩。
由于矿井采掘接续关系紧张，为保证矿井产量，两层煤采用联合开采，布置上、下煤层同采工作面。上部为3208工作面，煤厚1.8m，倾角2°；下部为3209工作面，煤1.75m，倾角2°。为尽可能多回收煤炭资源，回采巷道均采用沿空掘巷方式。
3208工作面开采时易造成底板（即3209工作面顶板）破坏，届时将给3209工作面的开采造成很大困难，因此山不拉煤矿必须解决15m近距离煤层同采走向错距确定难题，保证3209工作面采场的稳定性，实现3208和3209工作面联合开采安全生产。
2 上工作面开采对底板煤岩体的影响
底板破坏深度的理论计算
上部煤层开采后，引起顶板岩层垮落，围岩应力重新分布。应力作用于底板煤岩体后，将引起底板煤岩体的破坏。根据弹性力学理论，对底板损伤状态进行分析。依据Mohr-Coulomb破坏准则，底板岩层的最大破坏深度hmax依据下式确定[4]：
求得工作面采完时底板岩层的最大破坏深度为：hmax=17.6m；而3208工作面和3209工作面间距仅为15m，小于底板的破坏深度，因此3208工作面开采必然对3209工作面产生影响。
3 两工作面合理错距研究
3.1 理论分析
目前，针对极近距离煤层同采工作面合理错距的确定问题存在两种理论[9]：
（1）稳压区理论。将下煤层回采工作面布置在上煤层采煤工作面采空区压实区域下方，如图1所示的e区及其后方。下煤层工作面布置在此区域，不受上部工作面煤层顶板冒落引起的冲击动压的影响，采场围岩稳定性好，这是相对安全的错距布置形式，得到普遍认同。
（2）减压区理论。将下煤层工作面布置于上煤层支架后方至采空区压实区域的范围内，即上煤层工作面后方6～20m的范围内形成减压区内，如图1所示c区域。下部煤层工作面布置于此区域，不但免受上部工作面引起的动压影响，而且下部工作面处于压力降低区，工作面的支护强度较小，但针对于近距离煤层联合开采这是相对比较危险的布置形式。
减压区开采理论的前提条件是下层煤必须有足够厚度的顶板岩层，在下层煤回采过程中能够形成稳定性的顶板结构保护下层煤回采空间。山不拉3208工作面与3209工作面之间仅有15m左右的砂质泥岩夹层，如果下架煤层工作面布置在减压区，整个工作面上部悬空，工作面支护阻力非常小，相当于工作面顶板大面积离层。如果下架顶板出现扰动或不稳，或支护整体性差，下架工作面易发生大面积冒顶和支柱推倒的严重事故。
稳压区开采，3208工作面顶板冒落对下架面开采产生的动力扰动小；3209工作面回采顶板发生岩层移动，不波及3208回采工作面；同时稳压区内开采，对于3209工作面的推进、放煤和工作面支护都是有利的。稳压区开采可保证上、下两煤层工作面回采工作安全性。因此合理错距的计算采用稳压区理论。
3.2 数值模拟研究
为研究两工作面的合理错距，利用离散元模拟软件，分析了两工作面采用不同错距时的围岩破坏情况，以确定最佳错距。由工作面不同错距时的模拟结果，当工作面错距为40m时，3209工作面开采时顶板较完整，不影响正常开采；当工作面错距增大到50m时，3209工作面前端顶板岩层将发生垮落，岩层破碎会影响工作面正常生产；工作面错距增大到55m时，3209工作面顶板将会发生大面积整体垮落，影响安全生产。因此由模拟结果认为上下两工作面错距应小于50m。结合理论分析结果，上下两工作面的合理错距应为40～45m。
4 工业性试验与矿压观测
为验证两工作面同采时工作面矿压显现规律，对下工作面超前支承压力进行了观测，以此评价上述分析结果的合理性。
测点布置在两顺槽及工作面上，测点布置图如下图所示：
4.1 上下顺槽矿压观测 测站的位置布置在3209工作面、上下顺槽中，首测点超前工作面40m，每2m间距布置一测站，①、⑤为顶板动态仪，其对顶板在超前支承压力作用下的下沉作用反应极为明显。因此，可以通过顶板动态仪的读数确定顶板支承压力分布规律；②、⑥为单体液压支架测压仪，可以通过其压力值反应巷道压力的变化；③、⑦为锚杆测力计；④、⑧为巷道表面位移收敛计；随着工作面的推进，顶板动态仪数据一直增加，表明在工作面推进的过程中，顶板在超前支承压力的作用下，顶板逐渐下沉。下开采工作面进入到上工作面的采空区中，巷道围岩受到破坏和卸压作用，顶板变形量减小。进入同采状态后，动态仪均表现出较强的周期性，在上下同采时，下位3209工作面顶板初次来压距离为11～12m，周期来压距离为3～4m，强度不大。巷道内单体液压支架测力计，锚杆测力计及巷道表面位移收敛计读数也表现出相似规律，3209工作面上下顺槽观测数据如图3—5所示。
顺槽内各种数据监测表明，上下工作面错距留设40—45m左右范围内，巷道压力及表面相对位移表现缓和，没有受到上下工作面联合开采的强烈影响，说明上下工作面留设40～45m错距是合理可行的。
4.2 工作面矿压观测
本次矿压观测历时40余天，工作面推进距离170m，一共200多个循环，经历了多次周期来压。工作面上三个测区（9、18、27为上测区，36、45、54为中测区，63、72、81为下测区）支架压力随工作面推进距离的变化关系如图6～9所示，。
通过矿压观测可以看出，错距为40～45m范围时，工作面液压支架支护阻力都在正常范围，没有出现支架读数激增及支架被压死现象发生，能够满足安全高效生产的需要。
5 结论
（1）上煤层开采产生的超前支承压力和残余支承压力的作用，使下层煤层回采时顶板及煤层出现较多裂隙，致使下煤层产生片帮，根据矿压观测，在不压架的情况下，有利于回采。
（2）根据山不拉煤矿生产技术条件，通过理论计算及数值模拟研究确定的合理安全错距为40～45m。
（3）工程实践与矿压观测表明：近距离煤层联合开采方案可行，有效解决了采掘接续的问题，为类似条件煤层开采提供了借鉴，技术与社会效益显著。
参考文献
[1] Zhang B S，Kang L X，Zhai Y D.Definition of ultra-close multiple-seams and its ground pressure behavior[A].Morgantown W V.The 24th International Conference on Ground Control in Mining[C].[s.l.]：[s.n.]，2005：110-113.
[2] 张百胜，杨双锁，康立勋，等.极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨[J].岩石力学与工程学报，2008，27（1）：97-101.
[3] 郭文兵，刘明举，李化敏，等.多煤层开采采场围岩内部应力光弹力学模拟研究[J].煤炭学报，2001，26（1）：8-12.
[4] 张百胜，杨双锁，康立勋，等.极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨[J].岩石力学与工程学报，2008，27（1）：97-101.
[5] 郭文兵，刘明举，李化敏，等.多煤层开采采场围岩内部应力光弹力学模拟研究[J].煤炭学报，2001，26（1）：8-12.
[6] 周启为.王村矿极近距离煤层开采技术[J].煤炭科学技术，2006，34（3）：6-10.
[7] 康健，孙广义，董长吉.极近距离薄煤层同采工作面覆岩移动规律研究[J].采矿与安全工程学报，2010，27（1）：51-56.
[8] 林衍，谭学术，胡耀华.对缓倾近距煤层群同采合理错距的探讨[J].贵州工学院学报，1994，23（2）：33-38.
[9] 王泳嘉，陶连金，邢纪波.近距离煤层开采相互作用的离散元模拟研究[J].东北大学学报（自然科学版），1997，18（4）：374-377.
[关键词]近距离煤层 联合开采 合理错距 矿压监测
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）05-0021-02
近距离煤层是指煤田开采范围内相邻两个煤层的间距离很近，而且在开采时相互之间具有显著影响的煤层[1]。由于两煤层之间的距离很小，两煤层联合开采过程势必存在许多技术难题，有效解决近距离煤层联合开采时相互影响这一难题的方法是上下工作面留设合理的走向错距。上下工作面走向错距的合理留设，可以有效缓解两煤层工作面因同时开采所造成的相互间不利影响，保证上下两个工作面安全、高效、稳定生产[2-3]。目前，国内对近距离煤层的开采进行了大量的经验性、实践性的研究[4-6]。如阳邑煤矿极近距离煤层联合开采关键技术难题是确定同采工作面走向错距。留设合理的错距，将关系到回采工作面的覆岩矿压控制、回采系统的安全可靠程度及各种经济指标是否合理等重要问题[7]。目前关于此技术难题具有代表性的研究：林衍等[8]对错距公式进行了拟合；王泳嘉等[9]运用离散元进行了中厚煤层联合开采的相似模拟。目前，对近距离煤层联合开采合理错距的确定问题的研究还很少。
1 工程概况
山不拉煤矿3208工作面和3209工作面层间为15m左右的砂质泥岩，为近距离煤层。3208工作面直接顶板为15m厚的砂质泥岩，砂质泥岩下有0.8m厚的泥岩伪顶，砂质泥岩上部为24m厚的泥岩，底板为15m厚的砂质泥岩。3209工作面顶板为15m厚的砂质泥岩，直接底为7m厚的细砂岩。
由于矿井采掘接续关系紧张，为保证矿井产量，两层煤采用联合开采，布置上、下煤层同采工作面。上部为3208工作面，煤厚1.8m，倾角2°；下部为3209工作面，煤1.75m，倾角2°。为尽可能多回收煤炭资源，回采巷道均采用沿空掘巷方式。
3208工作面开采时易造成底板（即3209工作面顶板）破坏，届时将给3209工作面的开采造成很大困难，因此山不拉煤矿必须解决15m近距离煤层同采走向错距确定难题，保证3209工作面采场的稳定性，实现3208和3209工作面联合开采安全生产。
2 上工作面开采对底板煤岩体的影响
底板破坏深度的理论计算
上部煤层开采后，引起顶板岩层垮落，围岩应力重新分布。应力作用于底板煤岩体后，将引起底板煤岩体的破坏。根据弹性力学理论，对底板损伤状态进行分析。依据Mohr-Coulomb破坏准则，底板岩层的最大破坏深度hmax依据下式确定[4]：
求得工作面采完时底板岩层的最大破坏深度为：hmax=17.6m；而3208工作面和3209工作面间距仅为15m，小于底板的破坏深度，因此3208工作面开采必然对3209工作面产生影响。
3 两工作面合理错距研究
3.1 理论分析
目前，针对极近距离煤层同采工作面合理错距的确定问题存在两种理论[9]：
（1）稳压区理论。将下煤层回采工作面布置在上煤层采煤工作面采空区压实区域下方，如图1所示的e区及其后方。下煤层工作面布置在此区域，不受上部工作面煤层顶板冒落引起的冲击动压的影响，采场围岩稳定性好，这是相对安全的错距布置形式，得到普遍认同。
（2）减压区理论。将下煤层工作面布置于上煤层支架后方至采空区压实区域的范围内，即上煤层工作面后方6～20m的范围内形成减压区内，如图1所示c区域。下部煤层工作面布置于此区域，不但免受上部工作面引起的动压影响，而且下部工作面处于压力降低区，工作面的支护强度较小，但针对于近距离煤层联合开采这是相对比较危险的布置形式。
减压区开采理论的前提条件是下层煤必须有足够厚度的顶板岩层，在下层煤回采过程中能够形成稳定性的顶板结构保护下层煤回采空间。山不拉3208工作面与3209工作面之间仅有15m左右的砂质泥岩夹层，如果下架煤层工作面布置在减压区，整个工作面上部悬空，工作面支护阻力非常小，相当于工作面顶板大面积离层。如果下架顶板出现扰动或不稳，或支护整体性差，下架工作面易发生大面积冒顶和支柱推倒的严重事故。
稳压区开采，3208工作面顶板冒落对下架面开采产生的动力扰动小；3209工作面回采顶板发生岩层移动，不波及3208回采工作面；同时稳压区内开采，对于3209工作面的推进、放煤和工作面支护都是有利的。稳压区开采可保证上、下两煤层工作面回采工作安全性。因此合理错距的计算采用稳压区理论。
3.2 数值模拟研究
为研究两工作面的合理错距，利用离散元模拟软件，分析了两工作面采用不同错距时的围岩破坏情况，以确定最佳错距。由工作面不同错距时的模拟结果，当工作面错距为40m时，3209工作面开采时顶板较完整，不影响正常开采；当工作面错距增大到50m时，3209工作面前端顶板岩层将发生垮落，岩层破碎会影响工作面正常生产；工作面错距增大到55m时，3209工作面顶板将会发生大面积整体垮落，影响安全生产。因此由模拟结果认为上下两工作面错距应小于50m。结合理论分析结果，上下两工作面的合理错距应为40～45m。
4 工业性试验与矿压观测
为验证两工作面同采时工作面矿压显现规律，对下工作面超前支承压力进行了观测，以此评价上述分析结果的合理性。
测点布置在两顺槽及工作面上，测点布置图如下图所示：
4.1 上下顺槽矿压观测 测站的位置布置在3209工作面、上下顺槽中，首测点超前工作面40m，每2m间距布置一测站，①、⑤为顶板动态仪，其对顶板在超前支承压力作用下的下沉作用反应极为明显。因此，可以通过顶板动态仪的读数确定顶板支承压力分布规律；②、⑥为单体液压支架测压仪，可以通过其压力值反应巷道压力的变化；③、⑦为锚杆测力计；④、⑧为巷道表面位移收敛计；随着工作面的推进，顶板动态仪数据一直增加，表明在工作面推进的过程中，顶板在超前支承压力的作用下，顶板逐渐下沉。下开采工作面进入到上工作面的采空区中，巷道围岩受到破坏和卸压作用，顶板变形量减小。进入同采状态后，动态仪均表现出较强的周期性，在上下同采时，下位3209工作面顶板初次来压距离为11～12m，周期来压距离为3～4m，强度不大。巷道内单体液压支架测力计，锚杆测力计及巷道表面位移收敛计读数也表现出相似规律，3209工作面上下顺槽观测数据如图3—5所示。
顺槽内各种数据监测表明，上下工作面错距留设40—45m左右范围内，巷道压力及表面相对位移表现缓和，没有受到上下工作面联合开采的强烈影响，说明上下工作面留设40～45m错距是合理可行的。
4.2 工作面矿压观测
本次矿压观测历时40余天，工作面推进距离170m，一共200多个循环，经历了多次周期来压。工作面上三个测区（9、18、27为上测区，36、45、54为中测区，63、72、81为下测区）支架压力随工作面推进距离的变化关系如图6～9所示，。
通过矿压观测可以看出，错距为40～45m范围时，工作面液压支架支护阻力都在正常范围，没有出现支架读数激增及支架被压死现象发生，能够满足安全高效生产的需要。
5 结论
（1）上煤层开采产生的超前支承压力和残余支承压力的作用，使下层煤层回采时顶板及煤层出现较多裂隙，致使下煤层产生片帮，根据矿压观测，在不压架的情况下，有利于回采。
（2）根据山不拉煤矿生产技术条件，通过理论计算及数值模拟研究确定的合理安全错距为40～45m。
（3）工程实践与矿压观测表明：近距离煤层联合开采方案可行，有效解决了采掘接续的问题，为类似条件煤层开采提供了借鉴，技术与社会效益显著。
参考文献
[1] Zhang B S，Kang L X，Zhai Y D.Definition of ultra-close multiple-seams and its ground pressure behavior[A].Morgantown W V.The 24th International Conference on Ground Control in Mining[C].[s.l.]：[s.n.]，2005：110-113.
[2] 张百胜，杨双锁，康立勋，等.极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨[J].岩石力学与工程学报，2008，27（1）：97-101.
[3] 郭文兵，刘明举，李化敏，等.多煤层开采采场围岩内部应力光弹力学模拟研究[J].煤炭学报，2001，26（1）：8-12.
[4] 张百胜，杨双锁，康立勋，等.极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨[J].岩石力学与工程学报，2008，27（1）：97-101.
[5] 郭文兵，刘明举，李化敏，等.多煤层开采采场围岩内部应力光弹力学模拟研究[J].煤炭学报，2001，26（1）：8-12.
[6] 周启为.王村矿极近距离煤层开采技术[J].煤炭科学技术，2006，34（3）：6-10.
[7] 康健，孙广义，董长吉.极近距离薄煤层同采工作面覆岩移动规律研究[J].采矿与安全工程学报，2010，27（1）：51-56.
[8] 林衍，谭学术，胡耀华.对缓倾近距煤层群同采合理错距的探讨[J].贵州工学院学报，1994，23（2）：33-38.
[9] 王泳嘉，陶连金，邢纪波.近距离煤层开采相互作用的离散元模拟研究[J].东北大学学报（自然科学版），1997，18（4）：374-377.