近距離采空區(qū)下煤層開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)特征研究

周 波，張 旺，周 澤，李克城

（1.貴州灣田煤業(yè)集團(tuán)有限公司 湘橋煤礦，貴州 盤州 553503；2.盤州市能源局，貴州 盤州 553503；3.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550007）

近距離煤層開(kāi)采相對(duì)于單一煤層開(kāi)采，各個(gè)煤層之間存在相互影響，下伏煤層開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律更加復(fù)雜，頂板管理較為困難，與單一煤層開(kāi)采存在較大區(qū)別。為更具針對(duì)性地指導(dǎo)近距離煤層開(kāi)采工作，宋振騏[1]針對(duì)盤江礦區(qū)近距離煤層群生產(chǎn)實(shí)際情況，提出了上行開(kāi)采卸壓的技術(shù)方案。張向陽(yáng)[2]采用相似模擬、數(shù)值模擬等研究手段對(duì)上下采空極近距離煤層開(kāi)采采動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了分析，指出在上下采空極近距離煤層開(kāi)采中，應(yīng)加強(qiáng)兩巷維護(hù)與加固，并合理布置工作面位置以避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)和剪切破壞區(qū)。張勇[3]針對(duì)趙各莊礦近距離煤層賦存特點(diǎn)，分析了煤層群上行開(kāi)采的機(jī)理和可行性，研究了不同開(kāi)采厚度時(shí)上覆巖層垮落運(yùn)移規(guī)律和瓦斯卸壓效果。黃慶亨[4]指出上煤層采高越大，來(lái)壓期間支架工作阻力和動(dòng)載系數(shù)就越大。汪北方，許猛堂等[5-6]對(duì)極近距離厚煤層房式采空區(qū)下的煤層開(kāi)采進(jìn)行了研究，指出頂板房式采空區(qū)煤柱群比單一煤柱底板應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，并從支架初撐力、工作面推進(jìn)速度、放頂強(qiáng)度等方面提出了下伏煤層開(kāi)采頂板控制措施。楊路林[7-8]針對(duì)近距離煤層采空區(qū)下煤層開(kāi)采工作阻力進(jìn)行了實(shí)測(cè)，指出下伏煤層開(kāi)采工作面液壓支架均值比采用“傳遞巖梁”理論計(jì)算值要大，其原因是由于上覆煤層采空區(qū)矸石對(duì)下伏煤層開(kāi)采施加了附加靜載荷。尹時(shí)雨[9]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)旺格維利采煤法采空區(qū)下部煤層回采礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈原因進(jìn)行了分析，并且提出了增大采高、工作面調(diào)斜、加強(qiáng)生產(chǎn)組織一次性通過(guò)應(yīng)力集中區(qū)的方法，在一定程度上緩解了下伏煤層開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)程度。孫卓越[10]對(duì)帶壓開(kāi)采不同工作面開(kāi)采傾向長(zhǎng)度的底板破壞深度進(jìn)行分析，得到了底板破壞深度和工作面傾向長(zhǎng)度的關(guān)系表達(dá)式。此外，樊勇[11]、王震[12]等人基于近距離煤層采空區(qū)采動(dòng)應(yīng)力的傳播規(guī)律，分析了下部煤層回采巷道的穩(wěn)定性及其合理布置位置。

綜上所述，大量的學(xué)者及專家對(duì)近距離煤層群的采動(dòng)應(yīng)力傳播規(guī)律進(jìn)行了研究，從不同角度分析并闡述了近距離采空區(qū)下煤層開(kāi)采礦壓現(xiàn)象規(guī)律以及近距離煤層開(kāi)采圍巖變形規(guī)律[13-14]。然而，大部分研究多集中在下部煤層開(kāi)采的頂板破壞方面，對(duì)近距離采空區(qū)下煤層開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與上部煤層底板破壞情況以及煤層間距的考慮較少。為此，針對(duì)湘橋煤礦近距離采空區(qū)下煤層開(kāi)采情況，在對(duì)上部煤層底板破壞情況進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)近距離采空區(qū)下煤層開(kāi)采覆巖破斷特征、支承壓力傳播特征等進(jìn)行理論和數(shù)值分析，以期更好地指導(dǎo)湘橋煤礦近距離采空區(qū)下煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采。

1工作面概況

湘橋煤礦礦區(qū)面積1.186 7 km2，準(zhǔn)采標(biāo)高為+1 700～+1 300 m，擬建規(guī)模45 萬(wàn)t/a。首采區(qū)為一采區(qū)10#煤層，區(qū)域平均傾角12°，煤層厚在1.16 m左右，設(shè)計(jì)在一采區(qū)布置1 個(gè)綜采工作面—11001工作面。一采區(qū)9#煤層與5#煤層已大面積采空，一采區(qū)主要開(kāi)采煤層10#、12#煤層，其首采工作面11001 距離9#煤層采空區(qū)16.78 m，9#煤層與5#煤層采空區(qū)距離為30.29 m，1 采區(qū)地層概況見(jiàn)表1。

表1 1 采區(qū)地層概況Table 1 Strata survey of 1# district in Xiangqiao Coal Mine

2 上覆煤層底板破壞規(guī)律

2.1 上覆煤層開(kāi)采底板破壞深度理論

在煤層開(kāi)采過(guò)程中，支承壓力通過(guò)煤體向底板傳遞，當(dāng)?shù)装鍘r石達(dá)到承受的臨界值后，會(huì)產(chǎn)生塑性變形，形成底板塑性區(qū)；當(dāng)支承應(yīng)力的大小達(dá)到使巖體發(fā)生完全破壞的極限載荷后，底板處于塑性區(qū)的巖體將會(huì)連成一片，塑性區(qū)范圍內(nèi)的巖體向采空區(qū)移動(dòng)，形成1 個(gè)連續(xù)的滑移面，這時(shí)煤層的采動(dòng)效應(yīng)對(duì)底板巖體的影響最大。此時(shí)可以把煤層底板的破壞區(qū)分為3 個(gè)區(qū)域，分別為：Ⅰ主動(dòng)極限區(qū)；Ⅱ過(guò)渡區(qū)；Ⅲ被動(dòng)極限區(qū)[15-16]。底板屈服破壞深度如圖1。

圖1 支承壓力作用下底板破壞深度Fig.1 Failure depth of base plate under support pressure

根據(jù)滑移線場(chǎng)[17-18]理論，由圖1 可知，在超前支承壓力影響作用下導(dǎo)致的底板破壞深度為：

式中：h 為底板破壞深度；r0為底板任意破壞點(diǎn)與煤壁處連線長(zhǎng)度；α 為極坐標(biāo)下底板任意破壞點(diǎn)與煤壁連線和底板最大破壞點(diǎn)與煤壁聯(lián)線的夾角，即圖1 中ob 與oe 的夾角；x0為煤壁塑性區(qū)寬度；φ為煤體的內(nèi)摩擦角；φf(shuō)為底板巖層內(nèi)摩擦角。

把式（4）代入可以求得上層煤開(kāi)采時(shí)底板的最大破壞深度h0：

2.2 湘橋煤礦9#煤層開(kāi)采對(duì)10#煤層開(kāi)采影響

1）9#煤層底板破壞深度。9#煤層平均采高m=2.05 m，埋深H=604.06 m，煤體的內(nèi)摩擦角φ=25°，C=0.75 MPa，煤體與煤層頂?shù)装褰佑|摩擦系數(shù)f 取值為0.125，上覆巖層的平均密度ρ=2.5 t/m3；底板巖層內(nèi)摩擦角φf(shuō)為40°，將9#煤層相關(guān)參數(shù)代入式（5）可知，9#煤層的底板破壞深度為3.36 m。

2）10#煤層垮落帶發(fā)育高度。根據(jù)“三帶”發(fā)育高度計(jì)算公式。10#煤層開(kāi)采厚度1.16 m，煤層傾角12°，受重復(fù)采動(dòng)影響頂板巖層碎脹系數(shù)較小取K=1.1，則10#煤層開(kāi)采后垮落帶發(fā)育高度Hm為11.34 m。

式中：m′為開(kāi)采厚度m；K 為跨落巖石碎脹系數(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)求得，一般為1.1～1.4；β 為煤層傾角。

在混合料拌和過(guò)程中，嚴(yán)格控制拌和樓集料級(jí)配，嚴(yán)禁出現(xiàn)隨意放料的情況。攤鋪和碾壓時(shí)要嚴(yán)格按照施工工藝進(jìn)行，壓實(shí)度要控制在95%～100%范圍內(nèi)，平整度要滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求，其母體瀝青混合料具體質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

3）9#煤層對(duì)10#煤層開(kāi)采影響分析。9#煤層開(kāi)采底板破壞深度為3.36 m，10#煤層開(kāi)采垮落帶發(fā)育高度為11.34 m，9#煤層與10#煤層的間距為16.78 m。因此，在10#煤層開(kāi)采后，10#煤層底板破壞帶與9#煤層垮落帶的間距為2.08 m。

由此可見(jiàn)，9#以及10#煤層間距較近，但是在9#煤層開(kāi)采過(guò)后，在理論上9#煤層和10#煤層之間覆巖破壞范圍尚未貫通。9#煤層底板破壞帶距10#煤層垮落帶之間僅有2.08 m。上部煤層底板破壞范圍距離下部煤層垮落帶范圍較近，處于10#煤層頂板斷裂帶范圍內(nèi)，上部采空區(qū)將不可避免地對(duì)下部煤層的礦壓顯現(xiàn)造成影響。

3 數(shù)值分析

為分析上部采空區(qū)對(duì)下部煤層開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)的影響，得到近距離采空區(qū)下煤層綜采礦壓顯現(xiàn)特征，根據(jù)湘橋煤礦5#、9#、10#煤層的賦存情況建立UDEC離散元數(shù)值模型，數(shù)值模型如圖2。數(shù)值模擬方案巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各模擬方案巖（煤）參數(shù)取值Table 2 Rock mechanics parameters

圖2 數(shù)值模型圖Fig.2 Numerical model

為對(duì)比分析單一煤層開(kāi)采與近距離采空區(qū)下煤層開(kāi)采的礦壓顯現(xiàn)特征，建立2 種數(shù)值模擬模型：

1）方案1。多煤層開(kāi)采，根據(jù)湘橋煤礦的實(shí)際開(kāi)采情況分別開(kāi)采5#、9#、10#煤層。

2）方案2。單煤層開(kāi)采，即只開(kāi)采10#煤層，巖層力學(xué)參數(shù)與方案1 保持一致，在方案1 與方案2 的煤層頂、底板中布置測(cè)線和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)巖層應(yīng)力變化情況以及巖層垮落、斷裂情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。工作面開(kāi)挖采取分布開(kāi)挖的方式，每次開(kāi)挖5 m，工作面共推進(jìn)80 m。

3.1 近距離采空區(qū)下煤層綜采支承壓力分布特征

為對(duì)比分析在2 種方案開(kāi)采條件下支承壓力的分布特征，分別選取2 個(gè)方案在開(kāi)采初期（即開(kāi)挖10 m）與開(kāi)采末期（即開(kāi)采80 m）時(shí)的采動(dòng)支承壓力進(jìn)行對(duì)比，不同開(kāi)采方案不同開(kāi)挖階段的支承壓力分布如圖3。

由圖3 可知，在工作面推進(jìn)初期和末期，方案1開(kāi)采條件下工作面前方最大應(yīng)力集中為30.0、37.3 MPa，而在方案2 開(kāi)采條件下23.3、34.6 MPa，說(shuō)明在近距離采空區(qū)條件下進(jìn)行煤層開(kāi)采時(shí)，由于上覆巖層遭受到了一定的破壞，巖層失去了其支承能力，導(dǎo)致上覆巖層載重均作用于10#煤層頂板，使得采空區(qū)下煤層開(kāi)采支承壓力作用較大。由此可見(jiàn)，在近距離采空區(qū)下進(jìn)行煤層開(kāi)采時(shí)應(yīng)注重加強(qiáng)工作面上下兩巷的超前支護(hù)。

圖3 不同開(kāi)采方案不同開(kāi)挖階段的支承壓力分布Fig.3 Abutment pressure distribution in different excavation stages and different mining schemes

3.2 近距離采空區(qū)下煤層綜采覆巖破斷特征

在數(shù)值模擬過(guò)程中，選取在方案1 與方案2 煤層頂板初次垮落時(shí)的覆巖破段進(jìn)行對(duì)比分析，方案一與方案二覆巖初次破斷情況如圖4。

由圖4 可知，在方案1 與方案2 2 種開(kāi)采情況下。由于方案1 中10#煤層上覆煤層被采空，且在采空區(qū)邊緣尚未完全壓實(shí)，故導(dǎo)致方案1 中10#煤層開(kāi)采初期其上覆巖層實(shí)際上處于卸荷狀態(tài)，從而近距離采空區(qū)下煤層開(kāi)采10#煤層頂板彎曲下沉幅度小于方案2 中10#煤層單煤層開(kāi)采狀態(tài)。隨著工作面的推進(jìn)，開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，方案1 與方案2 的上覆巖層均遭受到了充分的破壞，二者的覆巖周期垮落步距沒(méi)有明顯差別。因此，在覆巖垮落步距相同的條件下，近距離下采空區(qū)煤層開(kāi)采（方案1）初次來(lái)壓強(qiáng)度低于單煤層開(kāi)采（方案2），周期來(lái)壓強(qiáng)度二者沒(méi)有明顯差別。

圖4 不同方案覆巖垮落情況Fig.4 Overburden caving in different schemes

3.3 上覆巖層破壞范圍

不同開(kāi)采條件下，上覆巖層的裂隙發(fā)育程度如圖5。圖5 中白色線條為張開(kāi)裂隙。

圖5 不同開(kāi)采方案覆巖破壞程度Fig.5 Overburden failure degree under different mining schemes

由圖5 可知，在近距離采空區(qū)下煤層開(kāi)采時(shí)，其采動(dòng)裂隙發(fā)育程度遠(yuǎn)高于方案2 中10#煤層單煤層開(kāi)采。雖然通過(guò)理論分析認(rèn)為9#煤層底板破壞帶距10#煤層垮落帶之間有2.08 m 巖層較為完整，但是結(jié)合數(shù)值分析可知，9#煤層采空區(qū)底板裂隙與10#煤層開(kāi)采采動(dòng)裂隙接近貫通，9#煤層與10#煤層之間覆巖已經(jīng)遭受到較大破壞。因此，在進(jìn)行近距離采空區(qū)下煤層回采工作面支護(hù)時(shí)，對(duì)液壓支架的選型不應(yīng)只考慮10#煤層垮落帶的發(fā)育高度，還應(yīng)考慮在上覆9#煤層采空區(qū)影響下的10#煤層采動(dòng)覆巖的破壞高度。

4 工業(yè)試驗(yàn)

合理的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)與頂板壓力相平衡，支護(hù)強(qiáng)度過(guò)大，不僅增加支架質(zhì)量和設(shè)備投資，而且給搬運(yùn)、安裝帶來(lái)困難，過(guò)小則會(huì)造成頂板過(guò)早下沉、離層、垮落，致使頂板破碎，維護(hù)困難。因此支護(hù)強(qiáng)度的大小就取決于工作面采場(chǎng)礦壓的大小。若根據(jù)載荷估算法，一般以支架的支護(hù)強(qiáng)度能夠承載6～8 倍采高巖層重力為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)：

式中：p 為液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度，t/m2或MPa；λ為頂板載荷系數(shù)，范圍取6～8，取8 計(jì)算；M 為煤層最大采高，10#煤層平均厚度為0.69～1.54 m；ρ 為頂板巖石平均密度，取2.5 t/m3。

經(jīng)計(jì)算，支護(hù)強(qiáng)度為0.103～0.308 MPa。然而根據(jù)前面前文理論和數(shù)值分析可知，9#煤層與10#煤層之間巖層遭受了較大程度的破壞，因此，根據(jù)液壓支架的初撐力和工作阻力要適應(yīng)直接頂和基本頂巖層移動(dòng)產(chǎn)生的壓力，將頂?shù)装逡平靠刂频阶畹统潭?，液壓支架至少必須能夠有效控?#煤層與10#煤層之間巖層。因此，11001 工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)為：

式中：H9-10為9#煤層與10#煤層的間距，取16.78 m。

經(jīng)式（7）計(jì)算，p 為0.41 MPa。

綜上所述，由于10#煤層為近距離采空區(qū)下煤層綜采，其液壓支架支護(hù)強(qiáng)度需考慮9#煤層底板巖層破壞程度，其支護(hù)強(qiáng)度必須大于0.41 MPa，大于其根據(jù)單一煤層開(kāi)采所計(jì)算的0.103～0.308 MPa。最終確定11001 工作面選擇支撐強(qiáng)度較大，過(guò)風(fēng)斷面大的ZY2800/8.5/18Q 型掩護(hù)式支架，其主要特征為：①支架高度：0.85～1.8 m；②支架工作阻力：2 800 kN；③支護(hù)強(qiáng)度：0.43～0.51 MPa；④支架質(zhì)量：11.5 t；⑤支架對(duì)底板的最大比壓：1.1～1.8。實(shí)踐表明，在10#煤層開(kāi)采期間，ZY2800/8.5/18Q 型掩護(hù)式支架較好的滿足了生產(chǎn)需要，對(duì)10#煤層開(kāi)采頂板進(jìn)行了有效控制。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）由于受上部煤層開(kāi)采影響，上下煤層間覆巖已經(jīng)遭受到了一定程度的破壞，在近距離采空區(qū)下采煤時(shí)，上覆巖層完全作為載荷存在，使得其超前支承壓力應(yīng)力集中程度相對(duì)單一煤層開(kāi)采更大。因此，在近距離采空區(qū)下采煤時(shí)，應(yīng)格外注重工作面上下兩巷的超前支護(hù)。

2）湘橋煤礦10#煤層開(kāi)采頂板覆巖破壞未能波及上覆采空區(qū)破壞區(qū)域時(shí)，近距離采空區(qū)下煤層開(kāi)采周期垮落步距與單一煤層開(kāi)采覆巖周期垮落步距沒(méi)有明顯差別。

3）結(jié)合理論分析與數(shù)值分析可知，湘橋煤礦9#煤層與10#煤層之間仍然存在約2 m 相對(duì)完整巖層，但在重復(fù)采動(dòng)條件下湘橋煤礦10#煤層開(kāi)采覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育程度較大，其工作面支架選型應(yīng)考慮9#煤采空區(qū)影響，采場(chǎng)支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)能夠有效控制9#煤層與10#煤層之間巖層。