海域下三軟煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

摘要：通過對(duì)北皂礦H2103工作面的理論分析及實(shí)測(cè)檢驗(yàn)，揭示了三軟煤層采用放頂煤開采條件下的覆巖運(yùn)動(dòng)和支承壓力分布規(guī)律，提出了海域下三軟煤層布置工作面的采場(chǎng)頂板控制技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)北皂礦海域下安全高效開采奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：三軟煤層；覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律；采場(chǎng)礦壓；巖層運(yùn)動(dòng)

我國東部沿海地區(qū)環(huán)渤海灣經(jīng)濟(jì)圈的膠東半島從龍口到蓬萊已經(jīng)勘測(cè)到海域下煤炭資源豐富，黃河口海域也賦存厚煤層。其中，龍口煤田延伸至海下面積超過150km2，經(jīng)過海上三維地震勘探已探明的局部海域下煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量約為12.9億t。開發(fā)大型水體下煤炭資源不僅能夠增加我國東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的煤炭產(chǎn)量，緩解煤炭緊張的局面，而且能夠使煤炭資源回收率最大化。因此，如何控制回采工作面及回采巷道頂板的穩(wěn)定，是實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效開采的基礎(chǔ)和重要保障。

1地質(zhì)概況及工作面開采條件

H2103工作面位于北皂后村北部海域。該面為海域第二個(gè)回采工作面，東部為BH5鉆孔，東南部為HF-14斷層，西南為H2101工作面采空區(qū)，西部為海域回風(fēng)井，北為二采回風(fēng)巷。工作面走向長597m，傾向長146.2m，開采煤層總厚度4.25m，煤層傾角4~10°，平均8°。工作面內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含主要夾矸兩層，厚度一般較小，以泥巖、炭質(zhì)泥巖為主。

2工作面開采過程中相關(guān)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)H2103工作面覆巖特性及開采技術(shù)條件，采用實(shí)用礦山壓力理論，建立采場(chǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型（見圖1）和數(shù)學(xué)模型，得出了采場(chǎng)圍巖礦壓特性。該工作面為單巖梁結(jié)構(gòu)，厚度為 ，其中支托層厚度為7.87m，隨動(dòng)層厚度29.06m，頂板巖層垮落厚度 ，直接頂初次垮落步距 ，老頂初次垮落步距 ，周期垮落步距為 。支承壓力分布范圍為276m，其中內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)范圍為8.3m。

3 數(shù)值模擬研究

3.1H2103工作面數(shù)值模擬模型

H2103工作面推進(jìn)的數(shù)值模擬采用有限差分FLAC3D軟件，分別模擬了工作面在原始應(yīng)力、開切眼、推進(jìn)到工作面長度及停采位置的頂板應(yīng)力分布及覆巖下沉情況。

煤層厚4m，直接頂厚8m。煤層采用綜采放頂煤一次采全高。直接頂隨工作的推進(jìn)隨采隨落。煤層、直接頂空單元（1）來模擬，不參與計(jì)算。

3.2支承壓力分布范圍數(shù)值結(jié)果分析

為研究覆蓋巖層硬度、強(qiáng)度、以及煤層覆蓋厚度不同支承壓力分布規(guī)律，設(shè)置多種方案進(jìn)行數(shù)值模擬，得到原煤巖力學(xué)參數(shù)和煤層埋深下支承壓力分布曲線見圖2，工作面推進(jìn)塑性區(qū)圖見3，支承壓力集中系數(shù)與工作面推進(jìn)長度關(guān)系曲線見圖4。

⑴隨著回采工作面向前推進(jìn)，峰值距離逐漸增大，但變化較小，峰值距離在8～12m。支承壓力集中系數(shù)隨回采工作面的推進(jìn)逐漸增大，工作面推進(jìn)長度為110m時(shí)，趨于穩(wěn)定，支承壓力集中系數(shù)為1.63。

⑵回采工作面前方大約12m以內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限，隨著巖體的破壞，其支承能力開始降低，煤層支承壓力分布為兩個(gè)區(qū)間：塑性區(qū)和彈性區(qū)。開挖面前方大約12m以內(nèi)為塑性區(qū)，12m外為彈性區(qū)。在塑性區(qū)壓力逐漸上升，在彈性區(qū)壓力單調(diào)下降，彈塑性區(qū)的交界處為支承壓力峰值位置。覆蓋巖層的塑性區(qū)范圍在30～50m。

⑶覆蓋巖層硬度越高，支承壓力峰值越小，峰值距離越大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，分析認(rèn)為覆蓋巖層越硬，老頂巖梁傳遞上覆巖層荷載范圍越大。因此，工作面前方煤壁分擔(dān)上覆巖層荷載范圍較大，峰值降低。覆蓋巖層彈性模量較小時(shí)支承壓力曲線陡峭， 支承壓力集中系數(shù)較高。隨覆蓋巖層彈性模量的增大，支承壓力峰值距離增大，支承壓力曲線平緩。

4實(shí)測(cè)研究

4.1工作面礦壓觀測(cè)及支架結(jié)果分析

⑴直接頂初次垮落

H2103工作面在安裝設(shè)備期間開切眼導(dǎo)硐刷寬后頂板即破碎，在開采后工作面頂板隨采動(dòng)基本立即冒落，經(jīng)推算直接頂初次垮落步距應(yīng)該為原開切眼導(dǎo)硐的寬度3.5ｍ。以后直接頂隨移架而冒落，無懸頂現(xiàn)象，采空區(qū)冒落充分，有利于老頂?shù)目刂啤?/p>

⑵老頂?shù)某醮瘟褦嗉皝韷翰骄?/p>

根據(jù)以下活柱下沉速度的現(xiàn)場(chǎng)分析，工作面軌道巷側(cè)進(jìn)尺8m，下部運(yùn)輸巷側(cè)進(jìn)尺11m，平均9.5ｍ，此次為工作面老頂初次來壓，加上開切眼的8m，經(jīng)計(jì)算老頂初次垮落步距應(yīng)為17.5m。

⑶周期來壓

H2103工作面支架支護(hù)阻力采用綜采支架測(cè)力儀自動(dòng)記錄，曲線見圖5所示。在開采初期，支架受力(特別是后柱)經(jīng)歷了初始階段，支護(hù)阻力緩慢增高、峰值持續(xù)、卸載階段，具有明顯的周期性，也表明支架與頂板具有良好的適應(yīng)性。支架支護(hù)阻力曲線表明了三軟煤層H2103工作面頂板來壓過程，初次來壓步距大約為17m，周期來壓7m左右。

4.2 H2103工作面支架活柱縮量分析

H2103工作面活柱縮量采取記錄了工作面在生產(chǎn)過程中，礦壓監(jiān)測(cè)小組對(duì)活柱縮量每隔一小時(shí)進(jìn)行了周期測(cè)量。

由于老頂來壓時(shí)，支架受老頂裂斷的沖擊壓力影響，支架除了持續(xù)卸載以外，且卸載的速度會(huì)有所增加，因而周期監(jiān)測(cè)活柱的縮量，計(jì)算活柱的下降速的，可以更為準(zhǔn)確的判斷工作面的來壓情況，可以清晰判斷出42#支架活柱下降速度的分布情況，在下降速度最大的位置即為來壓位置。

5結(jié)論

5.1 H2103工作面圍巖在自重作用下，最大、最小地應(yīng)力差別較大，在布置巷道及回采期間實(shí)施支護(hù)時(shí)應(yīng)考慮地應(yīng)力差異的影響。頂?shù)装鍘r層出現(xiàn)了不同程度的屈服變形，巖層下沉范圍較大，在頂板控制時(shí)，不僅要控制支架的支護(hù)阻力，而且還有控制支架活柱縮量，以適應(yīng)頂板巖層的大變形。

5.2 H2103工作面初采時(shí)，由于采動(dòng)影響，頂板巖層發(fā)生塑性及蠕變變形，使得圍巖應(yīng)力發(fā)生了急劇的調(diào)整，最大主應(yīng)力最大位置發(fā)生在開挖位置底板巖層，最大值較自重應(yīng)力明顯地增加。同時(shí)，在開挖后直接煤層頂板巖層出現(xiàn)了拉應(yīng)力發(fā)生。

5.3 開采以后，在冒落帶之上的巖層是由松軟巖層組成的老頂，無論是下位\"巖梁\"的裂斷或是上、下位\"巖梁\"間的短暫離合，都會(huì)是在緩慢的發(fā)展過程中實(shí)現(xiàn)，不會(huì)出現(xiàn)動(dòng)壓沖擊。受上覆巖層的重力作用還要繼續(xù)下沉、彎曲、變形，并將使冒落的巖石逐漸壓實(shí)，在壓實(shí)過程中上覆巖層的下沉速度愈來愈小。裂隙帶中的破斷巖塊，隨著采空區(qū)冒落矸石的壓實(shí)，將呈互相牽制的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。各巖塊之間有可能互相鉸接或擠壓，而形成緩慢下沉式的力的平衡。因此，海域開采工作面老頂將呈現(xiàn)以支托層裂斷步距為依托，整體緩慢下沉運(yùn)動(dòng)的特征。

參考文獻(xiàn)

[1]宋振駭，蔣宇靜，楊增夫等.煤礦重大事故預(yù)測(cè)和控制的動(dòng)力信息基礎(chǔ)的研究[M]北京:煤炭工業(yè)出版社，2003.

[2] 夏洪春，鄭學(xué)軍， 李金奎， 鄒玉龍.三軟煤層超長工作面采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[D]大連大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.03.

作者簡介：常穎(1954～)，男，山東濟(jì)南人，高級(jí)工程師，主要從事煤礦安全高效開采及煤礦管理方面的研究。