一种浅埋煤层群工作面最佳煤柱错距的设计方法技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种浅埋煤层群工作面最佳煤柱
错距的设计方法。
背景技术
浅埋煤层群开采主要涉及两方面相互影响的技术难题：一是上煤层的工作
面煤柱形成集中应力，造成下煤层回采巷道变形破坏严重，巷道支护困难；二
是浅埋煤层群开采由于煤层埋藏浅，上煤层采动后引起的采动裂隙及地表下沉
在下煤层重复采动的过程中不断加剧，对地表造成严重破坏。
长期以来，对深部煤层群的开采的研究主要关注了煤柱集中应力的影响，
较少兼顾对地表环境保护的研究。在煤炭绿色开采和可持续发展的背景下，研
究兼顾煤柱集中应力和地表破坏影响的环境友好的开采技术，对浅埋煤层群开
采具有重要的理论意义和实践价值。
现有技术对近距离煤层群开采的煤柱集中应力传递规律及巷道布置进行了
一些研究，但没有兼顾煤层群开采重复采动对地表裂隙演化规律及地表下沉规
律的控制，特别是浅埋煤层群开采对地表环境影响更为严重，缺乏研究。因此，
没有一种可兼顾避免煤柱集中应力和减缓地表下沉的环境友好的浅埋煤层群工
作面布置方法和开采技术。
发明内容
本发明的目的是针对现有浅埋煤层群开采技术不能兼顾安全生产和地表环
境保护的问题，从上下煤层工作面不同煤柱错距出发，通过物理相似模拟实验，
揭示上煤层煤柱集中应力传播规律及地表的下沉规律，确定可实现减小下煤层
巷道支护难度和地表均匀沉降的上、下煤层采煤工作面最佳煤柱错距范围，提
出一种可兼顾安全生产和地表环境保护的环境友好的浅埋煤层群开采的最佳煤
柱错距的设计方法。
为此，本发明提供了一种环境友好的浅埋煤层群工作面最佳煤柱错距的设
计方法，包括如下步骤：
S1：针对浅埋煤层群上、下煤层工作面布置，采用UDEC数值计算和物理
相似材料模拟实验，模拟上、下煤层工作面不同煤柱错距布置对下煤层工作面
煤柱应力的影响，确定上煤层开采后对下煤层的应力传递影响角，得到使下煤
层工作面煤柱位于上煤层工作面的煤柱影响区外和避开上煤层采空区完全压实
区的煤柱错距范围；
S2：根据S1中的物理相似材料模拟实验，模拟上、下煤层工作面的不同
煤柱错距时的地表下沉量，测定煤层顶板回转角，确定地表下沉扰度最小化的
煤柱错距范围；
S3：取S1所得到的煤柱错距范围和S2所确定的煤柱错距范围的交集，得
出实现地表均匀沉降并能避开集中应力的最佳煤柱错距范围。
优选地，S1中，得到的使下煤层工作面的煤柱位于上煤层工作面的煤柱影
响区外和避开上煤层采空区完全压实区的煤柱错距范围L1满足式(I)：
![]()
式(I)中，h-上下煤层间距，m；
a1-上煤层煤柱宽度，m；
a2-下煤层煤柱宽度，m；
b-巷道宽度，m；
![]()
-均为上煤层应力传递影响角，°。
优选地，S2中得到的能够实现地表均匀沉降的煤柱错距范围L2满足式
(II)：
M
2
tanα
2
+
0.5
(
a
1
+
a
2
)
≤
L
2
≤
M
1
tanα
1
+
M
2
tanα
2
+
0.5
(
a
1
+
a
2
)
-
-
-
(
I
I
)
]]>
式(II)中，M1-上煤层采高，m
M2-下煤层采高，m；
a1-上煤层煤柱宽度，m；
a2-下煤层煤柱宽度，m；
α1、α2-上、下煤层顶板回转角，°。
本发明经过大量物理模拟实验研究发现，煤层群开采覆岩和地表裂隙发育
的主要原因是叠合破坏的影响，上、下煤层工作面采用一定的煤柱错距，可减
轻上、下煤层煤柱叠加造成的非均匀沉降影响，降低地裂缝的发育。此外，上、
下煤层煤柱保持一定的错距，不仅可以避免下煤层受上煤层煤柱集中应力影响，
还可使下煤层煤柱处于减压区，提高巷道和煤柱的稳定性。
本发明提供的浅埋煤层群工作面最佳煤柱错距的设计方法，通过地表移动
规律和煤柱集中应力传播规律，确定最佳的上、下煤层煤柱错距，在避开上煤
层应力集中区的同时，减小浅埋煤层群开采后地表下沉扰度、避免地表集中裂
缝的产生，使地表均匀沉降。最佳的上、下煤层工作面煤柱错距确定，为浅埋
煤层群开采提供一种兼顾安全开采和减缓地表损害的环境友好的开采方法。
附图说明
图1为浅埋煤层群中上、下煤层煤柱垂直布置时地表沉降显著和裂缝发育
示意图；
图2为浅埋煤层群中上、下煤层煤柱错距60m时的地表沉降减缓及裂隙闭
合特征示意图；
图3为浅埋煤层群中上、下煤层不同煤柱错距布置时的下煤层煤柱垂直应
力峰值变化示意图；
图4为浅埋煤层群中上、下煤层不同煤柱错距布置时的地表下沉量变化示
意图；
图5为浅埋煤层群中上煤层开采后集中应力传递规律模型示意图；
图6为浅埋煤层群开采地表均匀沉降规律示意图；
图7-1为浅埋煤层群中上、下煤层煤柱错距最小时地表均匀沉降模型示意
图；
图7-2为浅埋煤层群中上、下煤层煤柱错距最大时地表均匀沉降模型示意
图；
图8-1为本发明实施例提供的上煤层1-2与下煤层2-2工作面结构示意图；
图8-2为本发明实施例提供的上煤层1-2与下煤层2-2工作面A-A剖面图；
图8-3为本发明实施例提供的上煤层1-2与下煤层2-2工作面B-B剖面图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案并能予以实施，下面
结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明
的限定。
本发明提供了一种浅埋煤层群开采中最佳煤柱错距的设计方法，根据浅埋
煤层群开采中存在的主要问题，通过物理相似材料模拟，揭示上、下煤层不同
煤柱错距对下煤层工作面煤柱(为巷道一帮，其稳定性直接影响巷道维护与安
全)应力和地表下沉的影响规律，确定上、下煤层工作面煤柱的合理错距，避
免上煤层煤柱集中应力对下煤层巷道维护的影响，同时兼顾上、下煤层开采导
致的地表拉伸区不叠加，使地表下沉扰度最小化，地表均匀沉降，减缓对地表
的破坏。
具体的，本发明提供的浅埋煤层群工作面最佳煤柱错距的设计方法，包括
如下步骤：
1)避开上煤层煤柱集中应力的合理煤柱错距的确定
针对浅埋煤层群的采煤区，采用物理相似材料模拟实验和/或UDEC数值计
算，得出采煤区上、下煤层不同煤柱错距时，煤层顶板破断和垮落特征，如图
1和图2所示；以及下煤层工作面上的煤柱2-2-1的垂直应力分布规律，如图3
所示；确定上煤层开采的上煤层应力传递影响角![]()
和![]()
如图5所示。
采煤区上、下煤层不同煤柱错距时，煤层顶板破断和垮落特征，以及下煤
层工作面上的煤柱2-2-1的垂直应力分布规律也可以通过单独的物理相似材料
模拟实验获得。
具体的，以某矿浅埋煤层群开采为例，通过物理相似材料模拟实验和UDEC
数值计算得出，随着上、下煤层工作面煤柱错距的不同，下煤层工作面上的煤
柱垂直应力峰值变化曲线的分布趋势呈现先降低、后升高的特征，下煤层开采
具有避开上煤层压力的最佳区间，具体如图2所示。当上、下煤层煤柱错距为
0m时，下煤层应力峰值最大；随着煤柱水平错距的增大，下煤层工作面上的煤
柱2-2-1逐渐远离上煤层工作面上的煤柱1-2-1的集中应力影响区，应力峰值不
断减小；当上、下煤层煤柱错距为60m(煤层间距的2倍)时，下煤层工作面
上的煤柱2-2-1应力峰值最小；上、下煤层煤柱错距为70m时，下煤层工作面
上的煤柱2-2-1处于上煤层采空区101的压实区，应力峰值又开始升高。因此，
从下煤层工作面上的煤柱2-2-1受力和安全开采方面考虑，上、下煤层工作面
上的煤柱错距保持在50m～60m较合适。根据物理相似材料模拟实验，当煤柱
错距达到60m时，上覆岩层整体垮落，下煤层覆岩垮落破断情况具体如图3所
示，相应的上煤层应力传递影响角分别为![]()
具体的，当上述上、下煤层煤柱错距为不同数值时，覆岩及煤柱破坏有如
下特征：
当上、下煤层煤柱错距小于40m时，下煤层工作面上的煤柱2-2-1处于上
煤层工作面上的煤柱1-2-1增压区内，上煤层工作面上的煤柱底板破坏区与下
煤层工作面上的煤柱顶板破坏区叠加，使得下煤层工作面上的煤柱2-2-1破坏
严重，工作面巷道支护十分困难；
当上、下煤层煤柱错距大于70m时，下煤层工作面上的煤柱2-2-1处于上
煤层采空区的压实区中，下煤层工作面上的煤柱顶板破坏区范围再一次扩大，
煤柱稳定性变差。
当上、下煤层煤柱错距为50m～60m范围内时，随着上、下煤层煤柱错距的
增加，上煤层工作面上的煤柱底板破坏区与下煤层工作面上的煤柱顶板破坏区
逐渐分离，应力叠加区域逐渐减小，下煤层工作面上的煤柱2-2-1稳定性提高。
当达到某一最佳值时，下煤层顶板垮落，并形成铰接结构，此时下煤层巷道处
在应力相对较低的位置，有利于巷道的施工和支护。
通过上述实验分析，上煤层开采后集中应力传递规律，具体如图5所示，
S1为增压区，S2为减压区，S3为稳压区。由图5和图3可以看出，合理的上、
下煤层的煤柱错距应该使下煤层巷道处于上煤层煤柱应力集中区之外，即减压
区范围内，减少下煤层巷道的支护难度和费用。但随着煤柱错距的增加，下煤
层工作面上的煤柱进入上煤层采空区压实区内时，煤柱上应力又会上升。
可以得出，使下煤层煤柱位于上煤层煤柱影响区外和避开上煤层采空区完
全压实区的最佳煤柱错距范围，满足式(I)，
![]()
式(I)中，L1-上下煤层的煤柱错距范围，m；
h-上下煤层间距，m；
a1-上煤层煤柱宽度，m；
a2-下煤层煤柱宽度，m；
b-巷道宽度，m；
![]()
-上煤层应力传递影响角，°。
2)基于地表均匀沉降的合理煤柱错距的确定
根据采煤区地质条件，通过物理相似材料模拟实验，分别模拟下煤层工作
面上的煤柱2-2-1与上煤层工作面上的煤柱12-1重叠布置和不同错距，得出不
同煤柱错距时地表下沉量曲线，具体如图4所示。由图4可以得出以下结论：
先开采上煤层时，地表下沉最大值位于上煤层工作面上的煤柱1-2-1的两侧
工作面的中间位置，最小下沉量位于煤柱正上方位置，最大下沉量为1.6m，最
小下沉量为0.5m，下沉曲线以工作面上的煤柱中线为基准，左右大致对称。当
工作面重叠布置时，采空区上方地表的下沉量达到5.9m，煤柱左右地表下沉起
伏最大，煤柱两侧地表拉裂缝集中，地表下沉盆地挠度很大，呈现明显的“驼峰
状”下沉盆地；随着错距的增加，地表盆地的下沉梯度(挠度)逐步减小，当煤
柱错距大于60m(约为煤层间距的2倍)时，下煤层开采后地表拉伸区与上煤
层开采后地表压缩区叠加，地表及岩层中的拉裂隙明显减小，地表均匀下沉，
整体呈现“平锅底状”下沉盆地。
由上可得，合理布置工作面煤柱错距，可以避免地表裂隙过度集中，有效
的减缓地表破坏程度。
上述结论，得到了物理相似材料模拟验证。当上、下煤层的煤柱错距为20m
时，地表原有裂隙进一步扩大，地表产生集中裂隙群，具体如图1所示，其中
101为上煤层采空区，102为下煤层采空区，104代表地表裂缝，105代表岩层
裂缝。上、下煤层工作面煤柱错距60m时，地表下沉平缓，岩层和地表裂缝闭
合，减缓了地表破坏，具体如图2所示。
煤层群开采地表均匀沉降规律，具体如图6所示，图6中501代表上煤层
单独开采地表下沉曲线，502代表下煤层单独开采地表下沉曲线，503代表上下
煤层工作面煤柱最佳错距的地表均匀下沉曲线，简化模型如图7-1至7-2所示，
得出实现地表均匀沉降的合理煤柱错距，具体的，煤柱错距范围满足式(II)
l2+0.5(a1+a2)≤L2≤l1+l2+0.5(a1+a2)
其中，![]()
则，实现地表均匀沉降的煤柱错距范围为：
M
2
tanα
2
+
0.5
(
a
1
+
a
2
)
≤
L
2
≤
M
1
tanα
1
+
M
2
tanα
2
+
0.5
(
a
1
+
a
2
)
-
-
-
(
I
I
)
]]>
式(II)中，L2-上下煤层的煤柱错距范围，m；
M1、M2-上、下煤层采高，m；
a1-上煤层煤柱宽度，m；
a2-下煤层煤柱宽度，m；
α1、α2-上、下煤层顶板回转角，°。
3)确定浅埋煤层群工作面最佳煤柱错距范围
在浅埋煤层开采中，在上、下煤层工作面布置时，采用合理的工作面煤柱
错距，使下煤层工作面煤柱位于上煤层工作面煤柱应力影响区外，即应力降压
区，同时满足地表均匀沉降，就可实现环境友好的浅埋煤层群的开采。
则环境友好的浅埋煤层群开采工作面最佳煤柱错距范围为式(I)和式(II)
的交集。
实施例1
以某煤矿北翼东区为例说明本方法的应用，该矿区煤层倾角1°左右，主采
煤层2层，分别为1-2煤层(上煤层)和2-2煤层(下煤层)，1-2煤层平均
厚1.8m，2-2煤层平均厚度5m。1-2煤层与2-2煤层间距平均35m。1-2煤层
埋藏深度110m左右，基岩厚度70m，松散土层厚度40m，属于典型的浅埋煤
层群。
该矿原来采用上、下煤层重叠布置，为避开上煤层开采的应力增高区，2-2
煤层工作面必须待1-2煤层工作面开采完后才能进行开采，造成工作面生产接
续紧张。此外，2-2煤层工作面上的煤柱上应力大，巷道支护十分困难，巷道
维护费很高，严重影响安全生产，造成巨大经济损失。同时，煤层群开采导致
地表裂缝发育，对环境也造成严重破坏。
针对该矿实际存在的问题，采用本发明的方法，提出具体的开采方法如下：
根据该矿区煤层赋存条件，1-2煤层与2-2煤层间距h＝35m，1-2煤层与2-2
煤层的采高分别为M1＝1.8m，M2＝5.0m，上、下煤层煤柱宽度a1＝a2＝20m，下
煤层巷道宽度b＝5m，UDEC数值计算得出上煤层应力传递影响角![]()
![]()
由式(I)计算得出，煤层1-2与煤层2-2工作面上的煤柱错距：
55m≤L1≤72m
根据矿井实际生产情况，1-2煤层采高M1＝1.8m，顶板回转角α1＝5°，2-2
煤层采高M2＝5.0m，顶板回转角α2＝10°，煤柱宽度a1＝a2＝20m，由式(II)计
算可得地表均匀下沉的合理煤柱错距取值范围为：
M
2
tanα
2
+
0.5
(
a
1
+
a
2
)
≤
L
2
≤
M
1
tanα
1
+
M
2
tanα
2
+
0.5
(
a
1
+
a
2
)
]]>
48m≤L2≤69m；
取式(I)和式(II)计算所得的交集，可得该矿区1-2煤层与2-2煤层
工作面最佳煤柱错距范围为55m～69m，1-2煤层(上煤层)与2-2煤层(下煤
层)工作面布置如图8-1至8-3所示。
采用上述开采方法后，2-2煤层工作面煤柱处于1-2煤层采空区降压区内，
巷道维护较之前容易，地表裂隙集中程度明显减小，地表下沉挠度减缓，基本
实现均匀下沉。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范
围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，
均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。