煤層群下位煤層開(kāi)采速度對(duì)礦壓顯現(xiàn)影響規(guī)律

周 虎 孫 峰 張桐桐

（1.陜西能源涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000）

涼水井煤礦4-3煤正處于煤層群下位煤開(kāi)采階段，綜采面在開(kāi)采時(shí)已受到4-2煤綜采面開(kāi)采擾動(dòng)，覆巖并非完整巖體，工作推進(jìn)速度1.3～9.6 m/d，推進(jìn)速度變化較大且經(jīng)歷多次停采，礦壓顯現(xiàn)特征存在未知性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在近距離煤層群開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律方向做了深入研究[1-3]，但對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)與礦壓顯現(xiàn)之間影響的研究較少。本文以涼水井煤礦431301 工作面為工程背景，研究下位煤不同推采速度下覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律。

1 工程地質(zhì)概況

涼水井煤礦4-3煤431301 工作面布置于4-2煤采空區(qū)下。4-3煤層埋深130 m，平均層厚1.02 m，頂板巖性以細(xì)粒砂巖為主，局部為中粒砂巖和粉砂巖，厚度0.60～20.11 m；底板巖性以粉砂巖為主，局部為細(xì)粒砂巖或泥巖，厚度0.66～14.25 m。4-3煤與4-2煤（層厚2.9 m）煤層間距20 m，屬近距離薄煤層群開(kāi)采。4-2煤頂板上方45 m 細(xì)粒砂巖關(guān)鍵層受開(kāi)采擾動(dòng)破斷，4-3煤間隔關(guān)鍵層（粉砂巖）成為覆巖主關(guān)鍵層。

2 近距離薄煤層群頂板破斷結(jié)構(gòu)分析

間隔關(guān)鍵層和已破斷的4-2煤關(guān)鍵層組成了431301 綜采面覆巖主要結(jié)構(gòu)。隨著下位煤層工作面推進(jìn)，間隔巖層垮落下沉，發(fā)生周期性破斷，同時(shí)4-2煤已穩(wěn)定覆巖受下位煤層采動(dòng)影響再次活化運(yùn)移。如圖1 所示，直接頂垮落后，間隔關(guān)鍵層最先回轉(zhuǎn)下沉，塊體B、C 逐步形成穩(wěn)定的砌體梁或臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)。受間隔關(guān)鍵層下沉量和層間巖體碎脹量的影響，運(yùn)移活動(dòng)傳遞至上關(guān)鍵層塊體D、E，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)運(yùn)移直至再次平衡。

圖1 煤層群開(kāi)采關(guān)鍵層運(yùn)移關(guān)系

h2為上下關(guān)鍵層間隔厚度；n為層間巖層碎脹系數(shù)，與冒落帶巖層碎脹系數(shù)大致相同；絕對(duì)碎脹量η為關(guān)鍵層層間巖層碎脹后的厚度減去原有的關(guān)鍵間隔巖層厚度，則有：

若η＞0，則已擾動(dòng)關(guān)鍵層存在臺(tái)階下沉，形成“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)；若η2≤0，則已擾動(dòng)關(guān)鍵層不存在臺(tái)階下沉，形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)。此時(shí)，下關(guān)鍵層下沉量被層間巖層碎脹充實(shí)，覆巖關(guān)鍵層形成“砌體—臺(tái)階”結(jié)構(gòu)。間隔關(guān)鍵層在下位煤厚度較小時(shí)巖層沉降較小，煤層群頂板形成“砌體—砌體”結(jié)構(gòu)。已知涼水井煤礦冒落帶巖層碎脹系數(shù)為1.2，將覆巖條件代入公式（1），可求得η＜0，涼水井煤礦431301 工作面采后形成“砌體梁-砌體梁”覆巖結(jié)構(gòu)。

3 推進(jìn)速度對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律

3.1 431301 綜采面開(kāi)采覆巖環(huán)境分析

煤體應(yīng)力卸載速度受工作面推進(jìn)速度的直接影響[4]，圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化改變了頂板的承載狀態(tài)和覆巖運(yùn)移規(guī)律。為更真實(shí)地反映工作面覆巖運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)涼水井煤礦巖層物理力學(xué)參數(shù)和地質(zhì)資料建立UDEC 模型模擬4-2煤開(kāi)采活動(dòng)對(duì)4-3煤原巖的應(yīng)力擾動(dòng)。

根據(jù)4-2煤采后覆巖垮落運(yùn)移模擬結(jié)果（圖2），4-2煤覆巖關(guān)鍵層破斷后頂板形成砌體梁結(jié)構(gòu)，相鄰關(guān)鍵塊鉸接達(dá)到暫時(shí)平衡。由于覆巖垮落對(duì)底板產(chǎn)生的擠壓效應(yīng)，致使4-3煤頂板中已存在大量裂隙，模擬形成了4-3煤采前應(yīng)力環(huán)境。

圖2 4-2 煤采后覆巖裂隙分布

3.2 正常推采時(shí)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律

根據(jù)431301 工作面以4 m/d 速度推進(jìn)時(shí)模擬結(jié)果，工作面初采階段基本頂下沉不明顯，關(guān)鍵層完整性較好；綜采面由36 m 推至44 m 時(shí)基本頂初次破斷，間隔關(guān)鍵層驟然沉降480 mm，4-2煤關(guān)鍵層同步下沉450 mm，采場(chǎng)初次來(lái)壓步距為44 m；頂板在工作面繼續(xù)推進(jìn)16 m 時(shí)再次劇烈沉降，間隔關(guān)鍵層下沉量增加250 mm，4-2煤關(guān)鍵層下沉量增加210 mm，采場(chǎng)發(fā)生周期性來(lái)壓，周期來(lái)壓步距16 m，4-2煤關(guān)鍵層最大下沉點(diǎn)滯后于間隔關(guān)鍵層的最大下沉點(diǎn)。關(guān)鍵層下沉量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3。

圖3 4 m/d 推采時(shí)關(guān)鍵層下沉量

已知4-3煤和4-2的間隔巖層碎脹率為1.2，關(guān)鍵層間隔34 m，將模擬結(jié)果代入頂板結(jié)構(gòu)判別式（1）可知η2始終小于等于0，即當(dāng)采場(chǎng)以4 m/d 的速度推進(jìn)時(shí)，4-3煤頂板巖層在周期性破斷中保持“砌體梁-砌體梁”結(jié)構(gòu)。

3.3 快速推采時(shí)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律

根據(jù)431301 工作面以8 m/d 速度推進(jìn)時(shí)模擬結(jié)果，431301 綜采面推進(jìn)16 m 時(shí)，基本頂完整性較好，此時(shí)采場(chǎng)只有垮落帶下沉明顯；工作面由32 m 推進(jìn)至48 m 時(shí)基本頂初次破斷，間隔關(guān)鍵層最大下沉值突增500 mm，4-2煤關(guān)鍵層同步增加470 mm，工作面初次來(lái)壓；工作面繼續(xù)推進(jìn)24 m 基本頂再次破斷，間隔關(guān)鍵層下沉量增加270 mm，4-2煤關(guān)鍵層下沉量增加為230 mm，工作面發(fā)生周期來(lái)壓，來(lái)壓步距24 m；工作面繼續(xù)推進(jìn)，采場(chǎng)周期性來(lái)壓時(shí)4-2煤關(guān)鍵層與間隔關(guān)鍵層同步垮落下沉，關(guān)鍵層下沉量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 8 m/d 推采時(shí)關(guān)鍵層下沉量

將間隔巖層碎脹率n=1.2，關(guān)鍵層間隔h2=34 m，關(guān)鍵層最大下沉量860 mm，間隔關(guān)鍵層最大下沉量990 mm 代入頂板結(jié)構(gòu)判別式（1），可得η2仍小于等于0。根據(jù)模擬結(jié)果可知，雖然4-3煤工作面推進(jìn)速度提高后頂板巖層下沉量增大，但上下關(guān)鍵層破斷時(shí)依舊形成“砌體梁-砌體梁”結(jié)構(gòu)。

對(duì)比不同推進(jìn)速度下覆巖運(yùn)移規(guī)律，頂板破斷長(zhǎng)度隨推進(jìn)速度提高有所增加，上下關(guān)鍵層最大下沉量有所增加，但上下關(guān)鍵層仍保持穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)。

4 工作面礦壓強(qiáng)度分析

從數(shù)值模擬結(jié)果可知，工作面推進(jìn)速度增加后上下關(guān)鍵層仍處于“砌體梁-砌體梁”的破斷結(jié)構(gòu)，即上下關(guān)鍵層依然是431301 工作面覆巖結(jié)構(gòu)的承載主體，承受上部巖層的部分重量，即使推進(jìn)速度增加后覆巖下沉量增加，對(duì)工作面礦壓強(qiáng)度的影響也不會(huì)很大。此時(shí)上覆巖層載荷主要由上關(guān)鍵層承載，下關(guān)鍵層僅承擔(dān)間隔巖層段載荷[5]，載荷分布如圖5。

圖5 載荷分布特征

直接頂荷載和關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)荷載共同組成了431301 采場(chǎng)支架載荷，基于淺埋煤層關(guān)鍵層理論支架的支護(hù)阻力為：

關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)載荷R1為：

當(dāng)下位煤層頂板關(guān)鍵層發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉?xí)r，P0為關(guān)鍵層巖塊與煤層間隔層重量R2和上煤層關(guān)鍵層自重及上方荷載R3兩部分組成：

考慮支護(hù)效率μ，綜合式（1）～（3）可以得到綜采面的合理支護(hù)阻力為：

根據(jù)涼水井的生產(chǎn)地質(zhì)條件：

支架寬度b為1.75 m；支架控制距l(xiāng)k為5 m；淺埋煤層支護(hù)效率μ取0.9；∑h為4-3煤直接頂厚度；間隔巖層高度h2為34 m，容重ρ1g為23 kN/m3；關(guān)鍵層砌體梁塊體長(zhǎng)度L取來(lái)壓步距平均值20 m；下位煤層關(guān)鍵層厚度h1為8.8 m，容重ρg為25 kN/m3；下位煤層關(guān)鍵層塊度i為塊體長(zhǎng)度與厚度的比值，取值0.44，與單一煤層砌體梁頂板結(jié)構(gòu)相比，431301 工作面關(guān)鍵層塊度較大，與保持砌體梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的極限值（0.5）較為接近；根據(jù)關(guān)鍵層下沉量的數(shù)值模擬結(jié)果，關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)角θ為3°，最大回轉(zhuǎn)角θmax為6°，上位煤層關(guān)鍵層均布載荷q等于631 kN/m2。代入式（5）計(jì)算得支架阻力應(yīng)不小于8606 kN。

5 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果

431301 綜采面選用ZY9000/09/16D 型兩柱掩護(hù)式液壓支架，支護(hù)阻力9000 kN。為觀測(cè)液壓支架對(duì)采場(chǎng)頂板控制情況，在綜采面上、中、下三個(gè)位置各設(shè)置一個(gè)觀測(cè)站，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)各選取3 架液壓支架工作阻力記錄。工作面在不同推進(jìn)速度下頂板來(lái)壓情況見(jiàn)表1。

表1 431301 綜采面不同推采速度期間周期來(lái)壓參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，推進(jìn)速度增加后，頂板壓力變化不大，來(lái)壓時(shí)壓力均值都保持在32 MPa 左右。431301 綜采面在4.3 m/d 推采速度期間周期來(lái)壓步距平均值為7.2 m，工作面以7.6 m/d 推采速度期間周期來(lái)壓步距平均值為10.8 m，工作面提高推進(jìn)速度后，加大了頂板巖層破斷長(zhǎng)度，周期來(lái)壓步距隨之增加。工作面較快推進(jìn)期間來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)有所增加，當(dāng)工作面推進(jìn)速度由4.3 m/d 增加至7.6 m/d 后，工作面周期來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)從1.12 增加至1.33，來(lái)壓時(shí)支架壓力浮動(dòng)范圍增大，支架壓力達(dá)到45 MPa的支架數(shù)量增加。涼水井煤礦煤層群下位薄煤層開(kāi)采推進(jìn)速度增加后對(duì)工作面礦壓大小的影響不明顯，推進(jìn)速度增加后工作面來(lái)壓時(shí)來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)有所增加，因此，合理控制4-3煤工作面推進(jìn)速度的同時(shí)需加強(qiáng)支架支護(hù)管理。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）4-3煤工作面推采速度增加后，直接頂和基本頂破斷長(zhǎng)度增加，來(lái)壓步距有所增加，對(duì)上位煤層已擾動(dòng)關(guān)鍵層活化程度高，覆巖沉降運(yùn)移量更大。

（2）4-3工作面推采速度增加后，上下關(guān)鍵層最大沉降值有所增加。由于4-3煤煤層厚度較小，間隔層碎脹系數(shù)較低，當(dāng)推采速度增加后上下關(guān)鍵層破斷結(jié)構(gòu)仍保持穩(wěn)定的雙砌體梁結(jié)構(gòu)。

（3）涼水井下位煤層工作面推采速度變化對(duì)工作面礦壓大小影響較小，當(dāng)推采速度較大時(shí)，工作面來(lái)壓期間頂板壓力變化不大，動(dòng)載系數(shù)有所增加。