相鄰綜采工作面采空區(qū)覆巖壓力分布特征研究

戴文琦

（晉能控股集團(tuán) 和順李陽煤業(yè)有限公司，山西 和順 032700）

隨著我國煤炭行業(yè)的發(fā)展，同一煤層布置多個工作面進(jìn)行連續(xù)開采的情況已成為常態(tài)。在相鄰工作面連續(xù)開采的條件下，本工作面采空區(qū)壓力分布特征受上一工作面采空區(qū)頂板運(yùn)動影響，變得更為復(fù)雜。在井下復(fù)雜多變的應(yīng)力環(huán)境中，采空區(qū)覆巖壓力分布特征對近距離煤層上行開采[1-4]、含水層下開采[5-6]以及廢棄采空區(qū)瓦斯分布[7-9]及巷道頂板事故防范[10-12]等具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析[13-14]、數(shù)值模擬[15]，以及室內(nèi)相似材料模擬等手段，探討了采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)規(guī)律，揭示了不同應(yīng)力環(huán)境下采空區(qū)垮落頂板形態(tài)及演化機(jī)制。李揚(yáng)[16]等通過材料力學(xué)、礦壓理論與UDEC 數(shù)值模擬的方法，對采空區(qū)垮落頂板形態(tài)的典型特征、形成機(jī)理進(jìn)行了充分研究；周波[17]等采用UDEC 數(shù)值模擬軟件對比分析了單一煤層開采與近距離采空區(qū)下煤層開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了近距離采空區(qū)下煤層開采的支承壓力及超前支承壓力更大，且下煤層頂板巖層破壞較單一煤層開采更為嚴(yán)重；許國勝[18]等依據(jù)煤層極限平衡區(qū)和彈性區(qū)的支承壓力分布函數(shù)的表達(dá)式，通過載荷守恒原理對采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)函數(shù)進(jìn)行分析，提出了巖層與煤層的垂距越大時，采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)距離越大，且?guī)r層采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)距離與其和煤層的距離呈現(xiàn)線性增加關(guān)系的觀點(diǎn)；張向陽[19]等運(yùn)用數(shù)值模擬、相似模擬和工程實(shí)踐相結(jié)合的研究方法，分析了上下采空極近距離煤層開采過程中采場圍巖應(yīng)力分布規(guī)律、位移變化及變形破壞特征。上述研究對推進(jìn)采空區(qū)壓力分布特征分析具有積極作用，但多集中于近距離煤層開采條件下采空區(qū)的應(yīng)力恢復(fù)及應(yīng)力分布特征，對于臨近綜采工作面采空區(qū)覆巖壓力分布特征研究相對較少。為深入研究相鄰采面推采后采空區(qū)覆巖壓力分布特征，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)測以及理論分析相結(jié)合的方法，對相鄰綜采工作面采空區(qū)覆巖壓力分布特征進(jìn)行研究。為此, 以山西李陽煤業(yè)15107 綜采工作面采空區(qū)為工程背景，利用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)及理論分析研究相鄰采空區(qū)覆巖壓力分布特征，為防范采煤工作面發(fā)生頂板事故提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

李陽煤業(yè)一采區(qū)主采-339 m 水平15#煤層，采區(qū)煤層均厚2.1 m，目前布置15101、15103、15105、15107 4 個不等寬工作面。一采區(qū)工作面布置簡圖如圖1。

圖1 一采區(qū)工作面布置簡圖Fig.1 Layout diagram of working face in first mining area

目前15101 工作面、15103 工作面和15105 工作面已經(jīng)回采完畢，在布置15107 工作面時，與15105工作面間隔30 m。15107 工作面采深330 m，工作面傾向長度為120 m，可采走向長度為478 m，采用傾斜長壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化采煤，放頂煤管理頂板，一次采全高，每循環(huán)推進(jìn)度為0.6 m。選用ZF4800/17/28 型掩護(hù)式支架共76 架進(jìn)行支護(hù)。從刮板輸送機(jī)機(jī)頭到機(jī)尾依次編號為1#～76#。

2 綜采工作面采空區(qū)覆巖壓力分布實(shí)測

2.1 綜采工作面采空區(qū)覆巖壓力監(jiān)測

采空區(qū)壓力監(jiān)測設(shè)備采用山東泰安思科賽德生產(chǎn)的GPD300 礦用本安型采空區(qū)壓力傳感器，壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of pressure sensor

工作面距開切眼220 m 位置處時，安裝3 個采空區(qū)壓力傳感器，分別布置于工作面上中下（16#支架、33#支架、50#支架）3 個位置。布置方式為：在刮板輸送機(jī)前方底板處開挖1 個220 mm×150 mm×480 mm（長×寬×高）的凹槽用于放置設(shè)備，沿凹槽布置1 個線槽，線槽距底板表面350 mm、寬度40 mm直通15107 運(yùn)輸巷，壓力傳感器布置圖如圖3。

圖3 壓力傳感器布置圖Fig.3 Pressure sensor layout diagram

采空區(qū)壓力傳感器可進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，數(shù)據(jù)自動傳輸至地表服務(wù)器，監(jiān)測至采空區(qū)壓力穩(wěn)定為止。

2.2 綜采工作面采空區(qū)覆巖壓力實(shí)測分析

工作面形成采空區(qū)后，監(jiān)測位置從距開切眼前方220 m 開始，監(jiān)測30 d。采空區(qū)上部（16#支架處）覆巖壓力-時空關(guān)系曲線如圖4，采空區(qū)中部（33#支架處）覆巖壓力-時空關(guān)系曲線如圖5，采空區(qū)下部（50#支架處）覆巖壓力-時空關(guān)系曲線如圖6，采空區(qū)上部、中北部和下部3 個側(cè)點(diǎn)壓力變化規(guī)律見表1。

圖4 采空區(qū)上部（16#支架處）覆巖壓力-時空關(guān)系曲線Fig.4 Space-time relationship curve of overburden pressure in upper goaf

圖5 采空區(qū)中部（33#支架處）覆巖壓力-時空關(guān)系曲線Fig.5 Space-time relationship curve of overburden pressure in middle of goaf

圖6 采空區(qū)下部（50#支架處）覆巖壓力-時空關(guān)系曲線Fig.6 Space-time relationship curve of overburden pressure in lower goaf

表1 采空區(qū)壓力分布數(shù)據(jù)表Table 1 Data table of goaf pressure distribution

由圖4 可以看出，采空區(qū)上部在第4 d（滯后工作面23.4 m）覆巖壓力開始緩慢上升，到第7 d（滯后工作面33.8 m），覆巖壓力增量16 kN（0.91 MPa），增長速率為0.13 MPa/d。隨后，覆巖運(yùn)動加劇，采空區(qū)壓力開始快速增長，持續(xù)至第13 d（滯后工作面96.4 m）覆巖壓力增量為55 kN（3.1 MPa），增長速率為0.44 MPa/d，再后面，采空區(qū)壓力增速變緩，說明覆巖運(yùn)動逐步穩(wěn)定。第26 d（滯后工作面150.4 m）采空區(qū)覆巖壓力達(dá)到最大，最大值為79 kN（4.47 MPa），覆巖運(yùn)動基本穩(wěn)定壓力值不再升高。

由圖5 可以看出，在第2 d（滯后工作面13.2 m）覆巖壓力開始上升，第4 d（滯后工作面25.6 m）覆巖壓力增量為10 kN（0.56 MPa），增長速率為0.14 MPa/d。第5 d（滯后工作面31.2 m）覆巖壓力開始快速增長，說明此時采空區(qū)上覆巖層運(yùn)動加劇，采空區(qū)壓力快速增高，到第16 d（滯后工作面102.4 m）覆巖壓力增量為82 kN（約4.58 MPa），增長速率為0.43 MPa/d。第23 d（滯后工作面138.2 m）采空區(qū)覆巖壓力達(dá)到最大，最大值為122 kN（約6.9 MPa），覆巖運(yùn)動基本穩(wěn)定壓力值不再升高。

由圖6 可以看出，采空區(qū)下部覆巖壓力同樣受移架影響，前期數(shù)值上下波動。第2 d（滯后工作面13.4 m）采空區(qū)覆巖壓力值開始上升，但采空區(qū)覆巖壓力增長趨勢明顯小于采空區(qū)中部覆巖壓力，第7 d（滯后工作面35.6 m），上覆巖層運(yùn)動加劇，采空區(qū)壓力開始快速增長，第17 d（滯后工作面97.4 m）采空壓力上升至100 kN（約5.66 MPa），增量為82 kN（約4.64 MPa），增長速率為0.39 MPa/d，隨后上覆巖層運(yùn)動開始穩(wěn)定，采空區(qū)壓力值呈現(xiàn)先減小隨后穩(wěn)步增加的過程，在第26 d（滯后工作面155.4 m）覆巖運(yùn)動基本結(jié)束，覆巖壓力穩(wěn)定在100 kN（約5.66 MPa）左右。

3 綜采工作面采空區(qū)覆巖壓力分布特征

3.1 沿傾向采空區(qū)覆巖壓力分布特征

根據(jù)采空區(qū)上中下部位現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)并結(jié)合文獻(xiàn)［20］，繪制采空區(qū)傾向方向覆巖壓力曲線，沿傾向采空區(qū)覆巖壓力分布特征圖如圖7。從圖7 中可以看出，覆巖壓力穩(wěn)定后，采空區(qū)傾向壓力呈“□”類拋物線型分布。靠近實(shí)體煤側(cè)或小煤柱側(cè)的采空區(qū)壓力相對較小，中部壓力相對較大。傾向壓力大小排序?yàn)椴煽諈^(qū)中部（34～64.5 m）＞采空區(qū)下部（64.5～100 m）＞采空區(qū)上部（0～34 m）。分析其原因?yàn)?，上部臨近實(shí)體煤，形成傾向方向上的懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)會承擔(dān)上覆巖層的一部分壓力傳遞，而下部鄰近采空區(qū)，覆巖下沉量大，傳遞壓力多，致使采空區(qū)下部壓力要大于上部。此外，通過對比發(fā)現(xiàn)采空區(qū)中部覆巖壓力進(jìn)入穩(wěn)定階段的時間要小于采空區(qū)上下2 個部位。

圖7 沿傾向采空區(qū)覆巖壓力分布特征圖Fig.7 Distribution characteristics of rock pressure along inclined goaf

3.2 沿走向采空區(qū)覆巖壓力分布特征

由表1 可知，采空區(qū)上部、中部、下部壓力變化趨勢總體同步，沿走向采空區(qū)覆巖壓力變化可分為4 個階段：①壓力值上升初期：直接頂垮落到采空區(qū)內(nèi)，基本頂也已經(jīng)破斷，但是上覆巖層變形下沉量很小，采空區(qū)壓力主要來源于直接頂和部分基本頂?shù)馁|(zhì)量，此階段的覆巖壓力較??；②壓力值緩慢上升期：上覆巖層開始慢慢下降，上覆巖層逐漸壓實(shí)，巖層會傳遞一部分壓力，壓力值緩慢上升；③壓力值快速增長期：采空區(qū)上覆巖層變形下沉的速度加快，上覆巖層壓實(shí)壓密程度加大，采空區(qū)壓力快速增加；④壓力值逐步穩(wěn)定階段：在滯后采面150 m 左右采空區(qū)上覆巖層變形下沉運(yùn)動結(jié)束，采空區(qū)上覆巖層壓實(shí)，采空區(qū)壓力趨于穩(wěn)定。因此下一個工作面準(zhǔn)備巷道滯后本工作面至少150 m。

在總體趨勢一致的情況下，采空區(qū)中部壓力上升初期和壓力上升末期都要早于上部和下部，說明中部頂板運(yùn)動早于兩端，這是因?yàn)椴煽諈^(qū)上部頂板運(yùn)動還受到上個工作面采空區(qū)穩(wěn)定頂板結(jié)構(gòu)的牽制，而采空區(qū)下部工作面頂板運(yùn)動受到實(shí)體煤支撐，運(yùn)動也受到限制。

對綜采工作面采空區(qū)覆巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，獲得綜采工作面采空區(qū)覆巖壓力走向分布特征如圖8。

圖8 沿走向方向上采空區(qū)覆巖壓力增長趨勢圖Fig.8 Growth trend chart of goaf rock pressure along strike direction

4 結(jié) 論

1）覆巖壓力穩(wěn)定后，近距離綜采工作面采空區(qū)傾向壓力呈“□”類拋物線型分布，靠近實(shí)體煤側(cè)或小煤柱側(cè)的采空區(qū)壓力相對較小，中部壓力相對較大，傾向方向上壓力分布特征為采空區(qū)中部＞采空區(qū)下部＞采空區(qū)上部。

2）受相鄰采空區(qū)影響，傾向上采空區(qū)頂板從實(shí)體煤側(cè)（上部）至鄰面采空區(qū)側(cè)（下部）形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，致使采空區(qū)下部壓力值要大于上部，采空區(qū)中部壓力最大。

3）走向采空區(qū)覆巖壓力變化可分為壓力值初始增長階段、壓力值緩慢上升階段、壓力值快速增長階段、壓力值逐步穩(wěn)定階段共4 個階段。