近距離煤層群上行開采超前支承壓力變化規(guī)律研究

宋增謀 孫 晴

（山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

我國近距離煤層分布廣泛，煤層間距較小使開采工作難以進行，為使煤炭資源安全合理采出，上行開采方法得到了一定研究和應(yīng)用[1]。曲廣龍[2]等對受下部多次不均衡采動影響煤層上行開采技術(shù)進行研究，證明了上行開采的可行性。張勇[3]等通過UDEC 數(shù)值模擬軟件對趙各莊不同煤厚的煤層群上行開采進行模擬分析，研究了不同采厚的煤層上覆巖層運移破壞特征。目前對上行開采的研究大多數(shù)放在可行性的判定方面和覆巖破壞規(guī)律方面，對上行開采超前支承壓力影響規(guī)律和煤層間距對開采的影響研究不夠完善?；诖耍疚耐ㄟ^數(shù)值模擬對下位煤層開采后支承壓力分布規(guī)律進行分析，對下位煤層開采完畢后上位煤層應(yīng)力分布狀態(tài)展開研究，為近距離煤層安全開采提供了理論依據(jù)。

1 數(shù)值計算模型及開采方案

1.1 工程背景

鮑店煤礦六采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造比較簡單，以褶曲為主，斷層較發(fā)育。六采區(qū)主要開采2、3 煤層。2 煤層局部可采，平均厚度0.91 m；3 煤層平均厚4.5 m，普氏硬度系數(shù)f=3.5，煤層間距30.5～40.5 m 不等，平均厚度34.4 m。3 煤頂板由灰和灰白色中砂巖、細砂巖、粉砂巖組成，比較穩(wěn)定。2 煤頂板以粉砂巖、頁巖為主，局部為砂質(zhì)泥巖，工作面內(nèi)有斷層構(gòu)造。

1.2 數(shù)值模型的建立

以六采區(qū)2、3 煤巖的賦存情況及相對位置為工程背景，以6208 和6308 工作面為研究對象，建立近距離煤層群數(shù)值計算模型，研究上行開采工作面前方支承壓力演化規(guī)律。此模型的尺寸為400 m（長）×300 m（寬）×85 m（高），近距離煤層簡化模型剖面圖如圖1。煤巖層物理參數(shù)見表1。計算模型采用摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，模型四周邊界施加水平位移約束，底部施加水平位移和垂直位移約束，頂部為自由面。模型模擬埋深318 m，在模型頂部施加6.86 MPa 的覆巖應(yīng)力。

圖1 近距離煤層開采簡化模型剖面圖

表1 煤巖物理參數(shù)表

1.3 開采方案

模型在x 軸方向上兩邊各預(yù)留100 m 的保護煤柱，在y 軸方向上兩邊各預(yù)留75 m 保護煤柱。以空單元格近似模擬工作面開挖狀態(tài)，工作面沿著走向開采傾向布置。3 煤工作面每次開挖20 m，共計開挖10 次。3 煤開采完畢后，對2 煤進行開采，工作面每次開挖20 m，共開挖5 次。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 下位煤層開采過程中超前支承壓力分析

圖2 為低位煤層工作面推進40 m、80 m、120 m、160 m 和200 m 時超前支承壓力的云圖。由圖示可知，距離開切眼40 m 時，工作面煤壁前方應(yīng)力集中程度較高，在工作面前方8 m 超前支承壓力達到峰值，約為25.6 MPa。在煤層開采距離較近時，下位煤層基本頂會以板的形式承受載荷。隨著推進距離不斷增加，基本頂巖層的反向支承力增大，支承壓力峰值不斷增大。工作面推進80 m 時，應(yīng)力集中程度進一步提高，應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在煤壁前方6 m 處，最大支承壓力達到33.1 MPa。工作面推進120 m 后，支承壓力向承載能力比較大的工作面外側(cè)轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在工作面前方6.7 m 處，最大支承壓力達到37.8 MPa?？紤]到煤體和基本頂?shù)膹椥孕?yīng)，簡支邊的合力作用點前移，支承壓力峰值點與工作面煤壁距離增大。距離開切眼160 m時，工作面外側(cè)形成高應(yīng)力集中區(qū)域，最大應(yīng)力達到41 MPa。距離開切眼200 m 時，工作面外側(cè)高應(yīng)力集中區(qū)域進一步增加，最大應(yīng)力達到43.8 MPa。綜合分析可得，工作面每次推進40 m，工作面前方最大支承壓力增加幅度略微減緩，應(yīng)力集中區(qū)域隨著推進距離的增加略微增加。這是因為，距離開切眼越遠，煤層上方的頂板受開采擾動作用影響所產(chǎn)生的壓力拱半徑越大。

在煤壁上方設(shè)置一條壓力監(jiān)測線，記錄工作面前方100 m 內(nèi)支承壓力變化趨勢，如圖3。由圖3可知，隨著開采距離的增大，支承壓力峰值不斷增大，且距離開切眼越遠，超前支承壓力達到峰值后下降速率越快。超前支承壓力影響區(qū)域為工作面前方50 m 處且不會隨著推進距離的增加而改變。下位煤層超前支承壓力變化可分為三個階段：（1）支承壓力迅速增大階段（超前距離0～8 m）。此時工作面前方煤體承受來自采空區(qū)和工作面上方巖層自重載荷，支承壓力遠大于原巖應(yīng)力。（2）支承壓力緩慢減小階段（超前距離8～50 m）。由于受采場內(nèi)外應(yīng)力場的影響，隨著距離工作面煤壁越遠，支承壓力達到峰值后，受開采擾動影響越弱，超前支承壓力逐漸下降。（3）支承壓力穩(wěn)定階段（50～100 m）。這時3 煤受開采擾動影響較小，支承壓力到達穩(wěn)定，略低于原巖應(yīng)力。

圖3 煤層開采過程超前支承壓力分布規(guī)律曲線圖

2.2 上位煤層開采過程中支承壓力分布規(guī)律

下位煤層開采完成后，破壞了上位煤層原有應(yīng)力平衡，造成上覆巖層應(yīng)力場的破壞。3 煤開采完畢后，上覆巖層垮落，在上方采空區(qū)出現(xiàn)降應(yīng)力效應(yīng)。在開采2 煤的過程中，超前支承壓力值較原巖應(yīng)力場有所降低。圖4 為2 煤開采過程中超前支承壓力云圖。從圖4 可以看出，工作面推進20 m 和40 m 時，超前支承壓力受3 煤開切眼應(yīng)力集中區(qū)域和頂板垮落的影響有所降低。工作面推進距離越大，受開切眼影響程度越小。工作面推進60 m 和80 m時，超前支承壓力受3 煤開切眼應(yīng)力集中區(qū)域影響較小。

圖4 上位煤層開采過程中超前支承壓力分布云圖

在煤壁上方設(shè)置一條觀測線，記錄2 煤工作面前方100 m 內(nèi)支承壓力變化情況如圖5。從圖5 可以看出，開采2 煤的過程中，受3 煤層采空區(qū)影響，工作面前方應(yīng)力集中區(qū)域較3 煤相比明顯縮小。上位煤層開采時的峰值明顯低于下位煤層峰值，且最大支承壓力的值出現(xiàn)在煤壁上方，支承壓力影響區(qū)域較下位煤層明顯縮小。從圖5 可以看出，工作面推進距離為20 m、40 m、60 m、80 m、100 m 時，最大支承壓力分別為18 MPa、23 MPa、32.5 MPa、27 MPa、28 MPa，隨著開采距離的增加，支承壓力峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。支承壓力影響范圍約為工作面前方6 m，煤壁前方6 m 后的支承壓力值逐漸穩(wěn)定，但是遠小于原巖應(yīng)力。在工作面前方80 m 后，支承壓力有增高的趨勢，且距離2 煤開切眼越遠，支承壓力增高幅度越大。這是由于接近3 煤停采線，受到3 煤開采完后內(nèi)應(yīng)力場的影響，超前支承壓力增大。

圖5 上位煤層不同推進距離支承壓力分布規(guī)律曲線圖

綜上分析可知，在3 煤開采完畢后，對2 煤進行開采時，工作面前方支承壓力可分為三個階段：（1）支承壓力迅速下降階段。此階段出現(xiàn)在工作面前方6 m 內(nèi)，這是因為2 煤開采工作面在3 煤采空區(qū)的上方，處于卸壓區(qū)，所以在煤壁前方不遠處迅速恢復(fù)到低于原巖應(yīng)力的狀態(tài)。（2）支承壓力穩(wěn)定階段。此時受3 煤開切眼處應(yīng)力集中的影響較小。（3）支承壓力逐漸升高階段。這是由于接近3煤停采線，受到3 煤開采完畢后內(nèi)應(yīng)力場的影響。

3 結(jié)論

（1）下位煤層開采過程中，隨著開采距離的增加，超前支承壓力呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，超前支承壓力影響區(qū)域約為50 m，50 m 后恢復(fù)平衡的壓力值低于原巖應(yīng)力。

（2）在上位煤層開采過程中，超前支承壓力遠小于原巖應(yīng)力，支承壓力影響區(qū)域為工作面前方6 m。最大支承壓力出現(xiàn)在工作面煤壁上方，受下位煤層工作面前方支承壓力變化趨勢可分為三個階段，即迅速下降階段（超前距離0～6 m）、穩(wěn)定階段（超前距離6～80 m）和逐漸上升階段（超前距離80～100 m）。