近距離煤層群下煤層開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

董 興 迎

（肥城礦業(yè)集團(tuán)曹莊煤礦，山東 肥城 271600）

0 引 言

我國(guó)的煤炭資源不僅儲(chǔ)量豐富且賦存條件復(fù)雜多樣，其中可采或者局部可采的近距離煤層群分布廣泛，受開(kāi)采擾動(dòng)、應(yīng)力集中等影響，在進(jìn)行近距離煤層群下行式開(kāi)采過(guò)程中，下煤層開(kāi)采過(guò)程中其礦山壓力顯現(xiàn)更加明顯。學(xué)者們就近距離煤層群的安全和高效回采進(jìn)行了大量研究，有效指導(dǎo)了煤礦的安全生產(chǎn)。但是，由于煤礦開(kāi)采的復(fù)雜性，針對(duì)不同的煤層賦存及開(kāi)采技術(shù)條件，要因地制宜的進(jìn)行相關(guān)安全的措施的研究和應(yīng)用。

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)采空區(qū)下采煤工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，本文通過(guò)實(shí)測(cè)山西省某礦區(qū)某煤礦的近距離煤層群采空區(qū)下煤層開(kāi)采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)比分析了上煤層采空區(qū)與遺留煤柱對(duì)下煤層回采工作面的礦壓顯現(xiàn)的差異，為近距離煤層群下煤層安全開(kāi)采的技術(shù)措施提供數(shù)據(jù)支持。

1 工程背景

1.1 煤層賦存條件

該煤礦位于山西省中部，自上而下共含有12層煤，其中可采煤層為 3 上、6 上、6 下、7、9 煤層 5層，尤其6 上與6 下煤層之間的平均距離在10m 左右，屬于典型的近距離煤層，6# 煤層及頂?shù)装鍘r層性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 主采煤層及頂?shù)装鍘r層性質(zhì)

1.2 開(kāi)采工作面布置

6# 煤層的埋深在459～621m 之間，工作面采用全部跨落的綜合機(jī)械化采煤方法。目前已經(jīng)完成了3 上和6 上煤層的開(kāi)采，地表沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)表明6上煤層上覆巖層的運(yùn)動(dòng)已基本穩(wěn)定。

圖1 近距離煤層開(kāi)采工作面布置示意圖

如圖1 所示為6 下煤層首采面62101 工作面與6 上煤層采空區(qū)之間及區(qū)段煤柱之間的層位關(guān)系。由于6 上和6 下煤層之間的距離較近，且存在強(qiáng)度較低的泥巖層，因此在進(jìn)行6 下煤層開(kāi)采過(guò)程中要特別注意已采上煤層的影響。

2 工作面礦壓顯現(xiàn)的理論分析

回采工作面推進(jìn)過(guò)程中，基本頂巖層在水平方向會(huì)形成“煤壁- 采場(chǎng)- 采空區(qū)”的巖梁結(jié)構(gòu)，以支撐上覆垮落頂板。受開(kāi)采擾動(dòng)、巖層運(yùn)動(dòng)的影響，工作面前方承受大部分荷載，形成超前支撐壓力，而采空區(qū)矸石在頂板巖層運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，開(kāi)始趨于原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)。因此，可將回采工作面水平方向的采場(chǎng)力學(xué)結(jié)構(gòu)劃分為工作面前方煤壁應(yīng)力增高區(qū)（a 區(qū)域）、采場(chǎng)范圍內(nèi)的應(yīng)力降低區(qū)（b 區(qū)域）、采場(chǎng)后方的應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)（c 區(qū)域），如圖2 所示。

圖2 采場(chǎng)前后應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)采動(dòng)底板破壞理論，工作面回采引起的應(yīng)力重新分布不僅體現(xiàn)在采場(chǎng)周?chē)簬r體的應(yīng)力集中，應(yīng)力還會(huì)向底板傳遞，從而造成一定范圍內(nèi)底板巖層的破壞。煤層開(kāi)采形成的支承壓力對(duì)底板破壞深度及范圍的影響如圖3 所示。

圖3 采動(dòng)底板破壞深度及范圍示意圖

根據(jù)滑移線場(chǎng)理論，底板屈服破壞深度為:

式中：α 為底板最大破壞深度處的垂直方向與最大剪應(yīng)力破壞面的夾角，°；φf(shuō) 為底板巖層的內(nèi)摩擦角，°；φ 為煤層的內(nèi)摩擦角，°；Xb為煤壁與超前支承壓力峰值點(diǎn)之間的距離，m。

根據(jù)極限平衡理論，底板破壞的最大深度hmax為：

式中：M 為煤層采高，m；k 為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層的平均容重，kN/m；H為上覆巖層的厚度，m；C 為煤體粘聚力，MPa；pi 為支架對(duì)煤幫的支承力，kN；ξ 為三軸應(yīng)力系數(shù)；f 為摩擦系數(shù)。

根據(jù)該礦6 上煤層的賦存地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件 ，M 取 1.75m，φf(shuō) 取 40.9° ，k 取 2.46，γ 取25kN/m，C 取 2MPa，H 取 75m，φ 取 43.6°，ξ 取0.95，f 取 3.0，pi 取 92MPa，將上述取值帶入式(2)得到h 為9.6m。理論計(jì)算結(jié)果表明，上煤層開(kāi)采對(duì)底板的影響深度為9.6m，略小于上下兩層煤之間的距離，因此6 上煤層的開(kāi)采會(huì)對(duì)6 下煤層產(chǎn)生一定采動(dòng)影響。

3 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

由于巷道掘進(jìn)和工作面回采等活動(dòng)，使礦山壓力以采動(dòng)圍巖的變形（頂板下沉、片幫、底鼓等）和支護(hù)結(jié)構(gòu)（如液壓支架、錨桿錨索等）的受力等形式表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象稱(chēng)為礦山壓力顯現(xiàn)。對(duì)礦山壓力的監(jiān)測(cè)和分析是指導(dǎo)采掘活動(dòng)順利進(jìn)行的基礎(chǔ)，因此本文主要通過(guò)對(duì)回采工作面初次來(lái)壓、周期來(lái)壓步距的觀測(cè)及工作面液壓支架隨工作面推進(jìn)和頂板跨落過(guò)程中的工作阻力變化為主要礦山壓力顯現(xiàn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。

3.1 回采工作面來(lái)壓步距觀測(cè)

在下煤層工作面回采過(guò)程中，其上覆泥巖直接頂隨采隨跨，較厚且堅(jiān)硬的中粒砂巖頂板承受上煤層采空區(qū)及斷裂的頂板重力。因此，在上下煤層間的中粒砂巖基本頂對(duì)于下煤層回采過(guò)程中的工作面礦壓顯現(xiàn)起決定性作用，其初次斷裂引起下煤層回采工作面的初次來(lái)壓和其周期性垮落引起回采工作面的周期性來(lái)壓。

圖4 回采工作面測(cè)區(qū)布置示意圖

如圖4 所示為6 下煤層首采工作面62101 布置的測(cè)區(qū)示意圖，圖中黑色部分表示該部分處于6 上煤層煤柱正下方的范圍內(nèi)。從軌道平巷端到運(yùn)輸平巷端，62101 工作面共布置180 架液壓支架。為了盡可能減少因支架位置不同引起的支架工作阻力的差異，沿工作面傾向?qū)⒁簤褐Ъ軇澐譃? 個(gè)測(cè)區(qū)，其中Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ測(cè)區(qū)位于3 上煤層采空區(qū)的正下方，Ⅱ、Ⅴ測(cè)區(qū)內(nèi)的部分支架位于采空區(qū)下方、部分支架位于煤柱下方，該兩個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)的液壓支架可能受到采空區(qū)和遺留煤柱的共同影響，屬于過(guò)渡測(cè)區(qū)。

工作面自開(kāi)切眼開(kāi)始推進(jìn)，基本頂初次來(lái)壓之后，又連續(xù)觀測(cè)了10 次周期來(lái)壓現(xiàn)象。各個(gè)側(cè)區(qū)的來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。由此可知，Ⅰ、Ⅴ測(cè)區(qū)受工作面兩側(cè)煤柱影響較大，來(lái)壓規(guī)律不明顯；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ測(cè)區(qū)為來(lái)壓有效測(cè)區(qū)，各個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)工作面初次來(lái)壓步距相差不大，初次來(lái)壓步距在51m 左右；有效測(cè)區(qū)內(nèi)的周期來(lái)壓步距在13～21m 之間，平均16.98m；受煤柱應(yīng)力集中作用的影響，Ⅱ、Ⅴ測(cè)區(qū)的周期來(lái)壓步距明顯較大。

表2 工作面各個(gè)測(cè)區(qū)來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)

3.2 液壓支架工作阻力分析

在進(jìn)行液壓支架工作阻力觀測(cè)時(shí)，每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)選取3 個(gè)支架進(jìn)行工作阻力的測(cè)定，其中I 號(hào)測(cè)區(qū)測(cè)定 6、12、18 號(hào)支架，II 號(hào)測(cè)區(qū)測(cè)定 35、41、47 號(hào)支架，III 號(hào)測(cè)區(qū)測(cè)定 76、82、90 號(hào)支架，IV 號(hào)測(cè)區(qū)測(cè)定 106、112、118 號(hào)支架，V 號(hào)測(cè)區(qū)測(cè)定 126、132、138 號(hào)支架，VI 號(hào)測(cè)區(qū)測(cè)定 156、162、168 號(hào)支架。

圖5 初采期間部分支架的平均工作阻力

如圖5 所示，在布置好監(jiān)測(cè)裝置后，工作面從開(kāi)切眼開(kāi)始向前推進(jìn)40m 范圍內(nèi)，基本頂初次來(lái)壓之前液壓支架的平均工作阻力。初采期間液壓支架的工作阻力變化不大， 基本維持在6500kN～8300kN 的范圍內(nèi)，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的壓力瞬間增大現(xiàn)象，支架效果良好。同時(shí)，該工作阻力范圍小于液壓支架的工作阻力的最大值，符合液壓支架的安全使用規(guī)范。

圖6 Ⅳ測(cè)區(qū)支架工作阻力與推進(jìn)距離的關(guān)系

如圖6 所示，工作面自開(kāi)切眼推進(jìn)200m 范圍內(nèi)液壓支架工作阻力隨推進(jìn)距離的變化曲線。由于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測(cè)區(qū)與Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ測(cè)區(qū)沿工作面中心對(duì)稱(chēng)，因此選取具有代表性的Ⅱ和Ⅳ測(cè)區(qū)為研究對(duì)象。

可以看出，Ⅱ、Ⅳ測(cè)區(qū)內(nèi)液壓支架工作阻力變化規(guī)律基本一致。以Ⅳ測(cè)區(qū)為例，從圖6 可以看出，在工作面開(kāi)始推進(jìn)到初次來(lái)壓之前的0～42m 范圍內(nèi)，支架工作阻力較小，基本維持在6000kN；當(dāng)工作面推進(jìn)到50m 左右時(shí)，基本頂開(kāi)始初次來(lái)壓，支架工作阻力不斷增大，最大工作阻力達(dá)到8700kN；初次來(lái)壓后，基本頂開(kāi)始進(jìn)入周期來(lái)壓階段，從周期來(lái)壓的整體數(shù)據(jù)可知，周期來(lái)壓的支架平均工作阻力要明顯大于初次來(lái)壓之前的工作阻力，基本上在7500kN上下波動(dòng)。Ⅱ測(cè)區(qū)由于煤柱應(yīng)力集中作用，周期來(lái)壓的工作阻力較大，且受周期來(lái)壓步距的影響，其液壓支架工作阻力升高范圍較Ⅳ測(cè)區(qū)提前1～2m。

綜上分析，相比較覆巖中無(wú)采空區(qū)下測(cè)區(qū)，采空區(qū)下測(cè)區(qū)周期來(lái)壓較混亂，強(qiáng)度不同的周期來(lái)壓交替出現(xiàn)，強(qiáng)度較大的周期來(lái)壓時(shí)壓力增加過(guò)程短，來(lái)壓較突然，且強(qiáng)度較大的周期來(lái)壓對(duì)應(yīng)的來(lái)壓步距較短。

4 結(jié) 論

1） 通過(guò)滑移場(chǎng)理論和極限平衡理論推導(dǎo)得到的采動(dòng)底板破壞公式，能夠較好的結(jié)合具體的煤層及底板巖層條件進(jìn)行底板破壞深度及范圍的計(jì)算，對(duì)于指導(dǎo)近距離煤層的下行式開(kāi)采具有重要意義。

2） 對(duì)礦山壓力的監(jiān)測(cè)和分析是指導(dǎo)采掘活動(dòng)順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。相比較覆巖中無(wú)采空區(qū)下測(cè)區(qū)，采空區(qū)下測(cè)區(qū)周期來(lái)壓較混亂，強(qiáng)度不同的周期來(lái)壓交替出現(xiàn)，強(qiáng)度較大的周期來(lái)壓時(shí)壓力增加過(guò)程短，來(lái)壓較突然，且強(qiáng)度較大的周期來(lái)壓對(duì)應(yīng)的來(lái)壓步距較短。

3）在煤層賦存地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井，可通過(guò)工作面超前深孔爆破、提高工作面推進(jìn)速度、優(yōu)化回采巷道支護(hù)參數(shù)等方法進(jìn)行回采工作面礦山壓力顯現(xiàn)的控制。