淺埋近距離采空區(qū)下工作面礦壓特征與頂板結(jié)構(gòu)分析*

黃慶享，李康華，曹 健

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

我國西部陜蒙交界浩瀚的毛烏素沙漠下，淺埋煤層儲量豐富，主要可采煤層為3～5層近距離煤層。隨著不斷開采，最上部的煤層已開采殆盡，大部分礦井進(jìn)入下部煤層開采。下煤層工作面處于上煤層近距離采空區(qū)下，工作面存在動壓災(zāi)害，造成壓架事故，淺埋煤層群下煤層開采問題日益凸顯。

關(guān)于淺埋煤層群上部單一煤層開采，國內(nèi)開展了大量研究，提出了淺埋煤層的定義，建立了淺埋單一煤層開采的頂板結(jié)構(gòu)與巖層控制理論[1-6]。關(guān)于淺埋煤層群開采的研究成果，主要集中于過上覆煤柱的工作面異常來壓與頂板控制研究[7-8]。例如，楊敬軒等[9]分析了房柱采空區(qū)下近距離兩煤層頂板的砌體結(jié)構(gòu)，并提出非連續(xù)均載作用下的砌體結(jié)構(gòu)模型。王路軍等[10]認(rèn)為下煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)受上覆主關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)運(yùn)動的影響，因主關(guān)鍵層破斷塊體較長且距離下煤層較遠(yuǎn)，工作面周期來壓步距更大，來壓持續(xù)時間更短。王創(chuàng)業(yè)等[11]對工作面過采空區(qū)及煤柱的礦壓規(guī)律進(jìn)行了實測與模擬，得出工作面過上煤層采空區(qū)時來壓異常，過上覆煤柱時工作面來壓劇烈，導(dǎo)致壓架事故。目前，對間隔巖層結(jié)構(gòu)特征、間隔巖層與上煤層破斷關(guān)鍵層組合結(jié)構(gòu)及這些結(jié)構(gòu)對下煤層采場來壓的影響，研究較少。

為此，以陜蒙淺埋煤層群開采為背景，通過14個近距離煤層下工作面礦壓特征是實測統(tǒng)計，分析近距離采空區(qū)下開采礦壓特征及其影響因素；采用物理模擬與理論分析，探究淺埋近距離煤層采空區(qū)下開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與頂板結(jié)構(gòu)特征。

1 礦壓特征及其影響因素

1.1 工程開采實例統(tǒng)計

開采實踐表明，神府東勝煤田淺埋煤層群開采條件下，雖然不同礦井在煤層厚度、埋深及層間距等方面存在差異，但工作面礦壓顯現(xiàn)存在規(guī)律性。

同一礦井同一煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律基本類似，如大柳塔煤礦12305和12306工作面，補(bǔ)連塔煤礦22305、22306以及22307工作面等，統(tǒng)計具有代表性的開采條件及礦壓特征見表1[12-18]。

表1 陜-蒙部分礦井淺埋近距離煤層采空區(qū)下開采實例

1.2 影響因素實測分析

根據(jù)表1，運(yùn)用控制變量的方法，研究某一因素變化對工作面礦壓顯現(xiàn)的影響。

1.2.1 埋深

已有研究表明，并非工作面上覆全部地層的重量都能作用于支架，支架載荷與工作面頂板結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。對比分析開采實例1、2、5，隨埋深增大，來壓期間支架工作阻力降低，而補(bǔ)連塔煤礦22306及32301工作面在埋深更大的情況下工作面支架阻力則高達(dá)19 700 kN/架與11 517 kN/架。可見，淺埋煤層群開采條件下，埋深對采空區(qū)下工作面礦壓顯現(xiàn)的影響不明顯，應(yīng)重點對其他影響因素進(jìn)行分析。

1.2.2 上煤層采高

通過控制其他基本因素，對比大柳塔煤礦實例7與8得出，上煤層采高由2.67 m增加至3.78 m，周期來壓期間支架的平均工作阻力由10 693 kN/架增大為10 887 kN/架，增大了2%；動載系數(shù)由1.5增大為1.72，增大了14.7%，如圖1所示。

圖1 支架阻力及動載系數(shù)隨上煤層采高的變化

1.2.3 下煤層采高

對比開采實例4、8及9，在上煤層采高、層間距及層間關(guān)鍵層數(shù)等因素一定的條件下，隨下煤層采高增大，層間具有單一關(guān)鍵層時，支架最大阻力與周期來壓步距均有所增大，如圖2所示。采高從1.72 m增大到4.7 m，兩者分別增大了52.4%與108%。

圖2 周期來壓步距與支架最大工作阻力隨下煤層采高變化

1.2.4 層間距

對比石圪臺煤礦開采實例2與3得出，其他條件不變時，層間距由1～6 m增加至15 m，周期來壓步距由平均9.7 m增大為11.4 m，增大了18%。根據(jù)實測統(tǒng)計，繪制層間關(guān)鍵層數(shù)與層間距的關(guān)系如圖3所示，關(guān)鍵層數(shù)與層間距成正比。當(dāng)僅存在單一關(guān)鍵層時，層間距越大，關(guān)鍵層厚度越大。

圖3 淺埋煤層群層間關(guān)鍵層數(shù)與層間距的關(guān)系

可見，當(dāng)在淺埋近距離采空區(qū)下開采時，上下煤層間距大多在10～45 m，下煤層采高一般為2～7 m，層間存在單一關(guān)鍵層，工作面開采過程中具有明顯的大小周期來壓現(xiàn)象，表明在一定程度上，上煤層的頂板關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)也參與了下煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)。

2 頂板結(jié)構(gòu)形態(tài)的物理模擬

選取研究區(qū)典型的工程實例，通過物理相似模擬實驗，對近距離下煤層開采的頂板結(jié)構(gòu)形態(tài)及礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行分析。

2.1 哈拉溝煤礦物理模擬研究

2.1.1 工程背景及模擬設(shè)計

哈拉溝1-2煤層厚度平均約1.75 m，煤層傾角1°～3°。根據(jù)勘探，1-2煤層開采區(qū)域內(nèi)無大斷層，構(gòu)造簡單。1-2上煤層采高2 m，基巖厚度25～76 m。1-2煤層上部為1-2上煤工作面采空區(qū)，煤層間距為7～16 m。根據(jù)巖層條件設(shè)計相似模擬材料配比，幾何相似比為1∶50，配比表見表2。

表2 相似模擬材料配比

2.1.2 模擬實驗過程

實驗先開挖1-2上煤層，方向自右向左，待其垮落穩(wěn)定后再開挖1-2煤工作面，根據(jù)模擬實驗記錄工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，見表3。

表3 模擬實驗結(jié)果與開采實踐對比

2.1.3 實驗結(jié)果分析

根據(jù)1-2煤工作面開采條件，屬淺埋近距離煤層采空區(qū)下開采，層間存在單一關(guān)鍵層，老頂關(guān)鍵層周期破斷形成“砌體梁結(jié)構(gòu)”。下煤層老頂關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動，對上煤層已穩(wěn)定鉸接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，擾動后的二次覆巖運(yùn)動對下煤層工作面礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生影響。在下煤層工作面正?；夭呻A段，下煤層關(guān)鍵層破斷，此時，僅“砌體梁”結(jié)構(gòu)作用與直接頂自重對支架施載，形成小周期來壓；當(dāng)上下關(guān)鍵層同步破斷，支架載荷由直接頂自重、層間關(guān)鍵層作用力、上下關(guān)鍵層間垮落巖層、已擾動關(guān)鍵層及其上覆載荷作用組成，形成大周期來壓。

由表3可知，1-2上煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律基本與實測一致，實驗結(jié)果可靠。實驗過程顯示，1-2上煤層開采后，工作面初采階段垮落巖塊無鉸接，周期性垮落如圖4所示，在采高2 m時老頂關(guān)鍵層周期破斷形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)。下部1-2煤層采高1.75 m，初采階段與上煤層頂板垮落特征一致，周期性垮落階段，如圖5所示，同樣形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)。根據(jù)下煤層支架載荷數(shù)據(jù)，正?；夭呻A段具有明顯的大小周期來壓現(xiàn)象。

圖4 1-2上煤層開采頂板周期垮落特征

圖5 1-2煤層開采頂板周期垮落特征

2.2 檸條塔煤礦物理模擬研究

2.2.1 工程背景及模擬設(shè)計

檸條塔煤礦北翼東區(qū)主采1-2煤層和2-2煤層，1-2煤層平均采高1.84 m，埋深110 m，2-2煤層平均厚度5 m，煤層間距平均33 m。實驗幾何相似比為1∶100，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)與相似材料配比分別見表4和表5。

表4 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

表5 相似模擬材料配比

2.2.2 實驗過程及結(jié)果分析

實驗方法與上組相同，1-2煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與工程實測基本一致，實驗結(jié)果可靠。模擬顯示，1-2煤層開采后，工作面初采階段頂板垮落呈“梯拱形”，垮落巖塊無鉸接；此后呈周期性垮落，老頂關(guān)鍵層周期破斷形成“砌體梁結(jié)構(gòu)”。2-2煤開采中，初采階段與單一煤層開采的特征一致；周期垮落階段，頂板形成“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)，如圖6所示。實驗表明，下煤層正?；夭呻A段也具有明顯的大小周期來壓現(xiàn)象。

圖6 層間關(guān)鍵層周期垮落特征

根據(jù)2-2煤工作面開采條件，同屬淺埋近距離煤層采空區(qū)下開采，層間存在單一關(guān)鍵層，老頂關(guān)鍵層周期破斷形成“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)(圖6)。下煤層老頂關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動，對上煤層已穩(wěn)定鉸接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動。在下煤層工作面正?；夭呻A段，僅下煤層關(guān)鍵層破斷時，只有“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)作用與直接頂自重對支架施載，形成小周期來壓；當(dāng)上下關(guān)鍵層同步破斷，支架載荷由直接頂自重、層間關(guān)鍵層作用力、上下關(guān)鍵層間垮落巖層、已擾動關(guān)鍵層及其上覆載荷作用組成，形成大周期來壓。

3 下煤層開采頂板結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合實測統(tǒng)計與物理模擬可知，淺埋近距離煤層采空區(qū)下開采，層間關(guān)鍵層周期破斷可形成“砌體梁”和“臺階巖梁”兩種結(jié)構(gòu)，如圖7和圖8所示。這兩種結(jié)構(gòu)形態(tài)都難以保持自身穩(wěn)定而出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，這是工作面頂板來壓強(qiáng)烈的根本原因。

圖7 層間“砌體梁”結(jié)構(gòu)

圖8 層間“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)

通過對比兩組模擬實驗發(fā)現(xiàn)，下煤層采高、間隔巖層性質(zhì)等因素對層間關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)形態(tài)產(chǎn)生影響。直接頂巖層的碎脹系數(shù)影響垮落后對采空區(qū)的充填程度，決定關(guān)鍵層破斷后的回轉(zhuǎn)量，進(jìn)而影響關(guān)鍵層周期破斷的結(jié)構(gòu)形態(tài)。式(1)為關(guān)鍵層破斷巖塊的可供回轉(zhuǎn)量

Δ=M-(Kp-1)·h

式中，M為采高；Kp為碎脹系數(shù)；h為直接頂厚度。

當(dāng)下煤層采高較小，采出空間小，采空區(qū)充填程度較充分時，Δ值較小，一般形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，反之形成“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)。隨著下煤層老頂關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動，對上煤層已穩(wěn)定鉸接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，擾動后的二次覆巖運(yùn)動將重新形成鉸接結(jié)構(gòu)。

上述兩組實驗上煤層采高均為2 m，工作面推進(jìn)過程中老頂周期破斷均形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，符合一般淺埋煤層頂板垮落規(guī)律。當(dāng)下煤層采高2 m，間隔巖層厚度10 m條件下，層間關(guān)鍵層形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵層破斷后關(guān)鍵塊B無臺階下沉，已擾動關(guān)鍵層重新形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)。當(dāng)下煤層采高5 m，間隔巖層厚度33 m條件下，層間關(guān)鍵層形成“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)，下煤層關(guān)鍵層破斷后，關(guān)鍵塊B發(fā)生臺階下沉，已擾動關(guān)鍵層同樣重新形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)。

因此，結(jié)合實測與模擬實驗結(jié)果，可認(rèn)為在淺埋近距離采空區(qū)下開采，下煤層采高2～7 m、煤層間距10～45 m范圍內(nèi)，層間關(guān)鍵層與受擾動關(guān)鍵層可能形成的兩種組合結(jié)構(gòu)形態(tài)分別為“砌體-砌體”和“臺階-砌體”。在淺埋煤層條件下，已擾動關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)上的載荷層可以近似按照軟弱散體載荷傳遞規(guī)律進(jìn)行計算，詳見文獻(xiàn)[4]。

4 結(jié)論

(1)煤層埋深對礦壓顯現(xiàn)的影響不明顯，是次要因素；上煤層采高決定了采空區(qū)垮落頂板靜載范圍的大??；下煤層采高越大，周期來壓步距及支架最大工作阻力與其呈正比；間隔巖層間距越大，周期來壓步距越大。

(2)下煤層工作面正常回采階段，當(dāng)僅間隔巖層關(guān)鍵層破斷，此時僅層間關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)作用與直接頂自重對支架施載，形成小周期來壓；當(dāng)上下關(guān)鍵層同步破斷時，支架載荷由直接頂自重、層間關(guān)鍵層作用力、上下關(guān)鍵層間垮落巖層、已擾動關(guān)鍵層及其上覆載荷作用組成，形成大周期來壓。

(3)層間存在單一關(guān)鍵層時，層間關(guān)鍵層周期破斷可形成“砌體梁”和“臺階巖梁”兩種結(jié)構(gòu)；淺埋近距離采空區(qū)下開采，由下煤層采高與間隔巖層性質(zhì)共同決定可能形成“砌體-砌體”和“臺階-砌體”兩種頂板結(jié)構(gòu)形態(tài)。