浅埋房式采空区下煤层长壁综采矿压规律研究＊

王方田 陈 芳 白庆升 王 沉

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116）

浅埋房式采空区下煤层长壁综采矿压规律研究＊

王方田1，2陈 芳1，2白庆升1，2王 沉1，2

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116）

根据温家梁三号煤矿地质生产条件，采用理论分析、数值模拟及现场实测等方法，分析了浅埋房式采空区下综采长壁工作面矿压规律。结果表明：工作面充分采动后覆岩呈现冒落带与裂隙带的“两带”发育特征；在工作面来压期间出现顶板沿支架前方煤壁处切落现象，台阶下沉量高达1.0m，在地表形成断裂地堑。

浅埋煤层 房式采空区 综采长壁工作面 台阶下沉 矿压规律

浅埋煤层具有埋藏浅、基岩薄、上覆厚松散砂土的赋存特征，与一般煤层开采相比，浅埋煤层长壁开采顶板不易形成稳定的结构，容易出现整体切落式顶板破断及顶板台阶下沉。神东矿区煤层埋藏浅、地质条件简单，在进行大规模开发之前多采用房式或刀柱式开采，该方法以留下煤柱或充填后的煤房来支撑顶板，防止地表沉陷，煤炭采出率不足40%，不仅造成大量煤炭资源浪费，而且形成大面积煤房采空区和残留煤柱，采空区残留煤柱形成局部应力集中，对下方煤层开采造成不利影响。随着开采强度不断加大，神东矿区部分区域第一层主采煤层已基本开采完，开始回采第二层主采煤层。目前针对浅埋煤层做了大量矿压规律模拟与实测分析，而在房柱式采空区影响下，主要针对采动覆岩变形破坏、岩体弹性能聚集造成冲击式来压和压架机理、地表裂隙发育规律等进行了研究，总体上对浅埋房柱式采空区下煤层开采矿压规律研究较少。随着国家能源战略向西部地区的转移，类似条件下的煤层将逐渐增多。因此，研究浅埋房式采空区下煤层综采面矿压规律具有重要意义。

1 地质概况

乌兰集团温家梁三号煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗，侏罗系中下统延安组为矿区主要含煤地层。其中，3－2煤层厚1.9～4.4m，平均3.2m，煤层结构简单，不含夹矸，为全区可采的较稳定煤层。顶底板岩性以砂质泥岩为主，与4－2煤层间距34.0～37.9m，平均36.0m。3－2煤层已按采6m留6m房式采煤法开采结束，形成了房式采空区及遗留煤柱。4－2煤层厚2.3～3.2 m，平均3.0m，煤层结构简单，不含夹矸，赋存稳定，顶板以粉砂质泥岩、细粒砂岩为主，底板为泥质粉砂岩。4－2煤层顶底板岩层状况如图1所示。

图1 煤岩综合柱状图

14203工作面为4－2煤层第3个长壁综采工作面，工作面走向长1328.0m，倾斜长184.5m，工作面标高约＋1215.0m，地面标高约＋1311.7 m。该工作面南部为井田边界，东部为已经采完的14202综采工作面，西部为14204工作面（待采），北部为回风大巷、运输大巷及辅运大巷。工作面采用单一走向后退式长壁开采工艺，选用MG150／368－WD型电牵引双滚筒采煤机落煤及ZY6000／15／33型支撑掩护式液压支架管理顶板。14203综采工作面布置如图2所示。

图2 14203综采工作面布置图

2 顶板来压数值计算分析

2.1 顶板来压步距计算

在老顶初次来压之前可以把老顶简化为一个两端固支的固定梁，老顶来压之后可看作是由两端固定梁弯折而后形成两个块体咬合的三角拱式结构，老顶的周期来压步距按悬臂梁折断来确定。为此，初次来压步距Lf和周期来压步距Lp分别为：

式中：h——老顶厚度，19.1m；

RT——老顶抗拉强度极限，3.3MPa；

q——老顶及老顶上部岩体对老顶的作用力，通过逐层验算得1.95MPa；

由式（1）和式（2）计算可知：4－2煤层开采初次来压步距Lf约35.2m，周期来压步距Lp约14.3m。所以难以形成大面积突然垮落，不会造成冲击矿压灾害。

2.2 数值模拟分析

采用UDEC离散元程序进行浅埋房式采空区下煤层开采模拟分析，该模型采用莫尔－库仑（Mohr－Coulomb）材料本构模型，模型尺寸为250m×104m。

模型沿工作面走向每10m开挖一次，并且开挖10m后立即用支架支撑，支撑长度4.8m，共推进150m，顶板垮落及裂隙发育情况如图3所示。

由图3可知：开采10m时，直接顶0.4m泥岩随采随冒；开采20m时，直接顶1.0m砂岩垮落，裂隙继续向老顶发育；开采30m时，直接顶完全垮落，老顶出现离层并有较大下沉；开采约40m时，老顶出现初次垮落，垮落高度约为12m，顶板裂隙发育范围较大，已与3－2煤层采空区贯通，因此应加强探测并采取有效措施防止3－2煤层采空区水、CO等有害气体通过采动裂隙进入下煤层。4－2煤层推进40m之后每开挖10～20m，老顶出现周期性垮落，工作面老顶周期来压步距15 m左右。工作面推进过程中覆岩裂隙发育特征如图4所示。

图3 顶板垮落情况与裂隙发育情况

图4 覆岩裂隙发育分区特征

随着工作面的开采，工作面上方岩层及前方约20m范围煤岩体内形成新的裂隙。随着工作面的进一步开采，工作面后方约40m以外垮落岩体逐渐被压实，工作面采空区上方最终形成的冒落带高度约12m，裂隙发育高度88m左右，裂隙已发育至地表，呈现冒落带与裂隙带“两带”竖向裂隙发育特征。工作面切眼和收作眼处，存在较大范围裂隙。受4－2煤层采动影响，3－2煤层房式采空区遗留煤柱失稳破坏，由于房式采空区的影响，覆岩裂隙范围进一步扩大。沿工作面推进方向形成了超前裂隙发育区、活动裂隙区、重新压实区及切眼侧裂隙区4个区域。

根据模型所设的应力及位移监测线，可得不同推进长度时，4－2煤层直接顶处竖直应力及位移变化，如图5所示。

由图5可知：（1）工作面超前竖直应力随工作面的推进而不断前移，工作面前方应力集中系数为3.5～5.2，应力集中系数较大，峰值点距工作面一般为10～15m，局部达到20m，超前应力影响范围为20～40m。工作面开采距离超过120m后，工作面后方50m以外的破碎岩体被重新压实。工作面开采完毕后，两侧竖向最大应力集中系数3.0左右，距离工作面15m左右。（2）直接顶在工作面推进20m左右时断裂垮落，随工作面继续推进，老顶出现离层下沉，工作面开采至30～40m时，老顶断裂。工作面开采至120m时，监测到的竖直位移达到最大值3.0m。工作面回采过程中，中部岩层逐渐弯曲下沉，在工作面中部形成沉陷“盆地”。

图5 不同推进长度时应力及位移变化

3 矿压显现规律现场实测分析

在14203工作面液压支架安装矿压监测仪表，以便及时预测预报顶板来压规律。从2011年6月1日试生产至2011年11月20日，工作面共推进了562m。矿压监测分为上、中、下3个测区，其中下部以10＃、20＃、30＃支架为代表，中部以50＃、60＃、70＃支架为代表，上部以100＃、110＃、120＃支架为代表。

3.1 沿工作面走向矿压显现规律

以工作面10＃、70＃及120＃支架为例，随工作面推进，支架工作阻力变化曲线如图6所示。

图6 随工作面推进支架工作阻力变化

由图6可知，工作面老顶初次来压不明显，主要是现场采用了切眼强制放顶措施，避免了顶板大面积来压造成冲击灾害。周期来压步距平均14.6m，支架总体平均工作阻力4829.4kN，其中来压期间支架平均工作阻力为5233.9kN，支架最大工作阻力达到6752.3kN，非来压期间支架平均工作阻力4424.9kN，来压期间平均动载系数达到1.18，中部最大达到1.23，呈现中部大两端小的特征。此外，在工作面来压期间出现顶板沿支架前方煤壁处台阶下沉，最大时下沉量达到1.0m，在地表形成断裂地堑，表明顶板未形成稳定铰接结构。

3.2 支架工作阻力频度特征分析

工作面连续推进约550m后，统计上、中、下部测区支架平均工作阻力频度特征如图7所示。

图7 支架平均工作阻力频度分布图

从工作阻力频度分布直方图可知支架工作阻力分布总体较为合理，但富余系数较小。以中部为例，支架工作阻力在4000～6000kN的占78%，但仍有6%的支架工作阻力超过了额定工作阻力6000kN。中部支架来压时平均工作阻力达到5680.5kN，支架最大工作阻力达到6752.3kN，现场观测发现支架密封圈出现漏液现象，并出现支柱压毁事故。因此为了防止大面积来压时导致中部支架压架损毁现象，建议下个工作面配套额定工作阻力大于6800kN的支架。

4 结论

（1）老顶出现初次垮落后，顶板裂隙发育范围已与3－2煤层房式采空区贯通，应加强探测并采取有效措施防止3－2煤层采空区水、CO等有害气体通过裂隙进入下煤层工作面。

（2）浅埋房式采空区下煤层长壁开采充分采动后，覆岩裂隙已发育至地表，呈现冒落带与裂隙带的“两带”竖向裂隙发育特征。沿工作面走向形成了超前裂隙发育区、活动裂隙区、重新压实区及切眼侧裂隙区4个区域。

（3）现场观测表明，工作面支架工作阻力呈现中部大两端小的特征，在工作面来压期间出现顶板沿支架前方煤壁处切落现象，台阶下沉量高达1.0m，在地表形成断裂台阶，表明顶板未形成稳定铰接结构。

［1］ 黄庆享.浅埋煤层的矿压显现特征与浅埋煤层的定义［J］.岩石力学与工程学报，2002（8）

［2］ 黄庆享.浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2000

［3］ 刘建，李忠华.浅埋煤层覆岩移动变形规律分析［J］.中国煤炭，2010（10）

［4］ 朱卫兵.浅埋近距离煤层重复采动关键层结构失稳机理研究［D］.徐州：中国矿业大学，2010

［5］ 吴士良，秦骁.刀柱采煤法采空区下长壁采场顶板控制研究［J］.山东科技大学学报（自然科学版），2000（4）

［6］ 付玉平，宋选民，邢平伟，张建华.浅埋薄煤层综采工作面矿压规律及围岩控制研究［J］.中国煤炭，2010（11）

［7］ 屠世浩，窦凤金，万志军，王方田，袁永.浅埋房柱式采空区下近距离煤层综采顶板控制技术［J］.煤炭学报，2011（3）

［8］ 窦凤金.浅埋房柱采空区下近距离煤层综采矿压规律研究［D］.徐州：中国矿业大学，2010

［9］ 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003

Study on strata behavior law in fully mechanized longwall mining face in the shallow coal seam beneath gob induced by room－mining

Wang Fangtian1，2，Chen Fang1，2，Bai Qingsheng1，2，Wang Chen1，2
（1.School of Mining Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

According to the geological and mining conditions of No.3mine in Wenjialiang colliery，the methods of theoretical analysis，numerical simulation and field observation have been employed to study the strata behavior law in the fully mechanized longwall mining face in the shallow coal seam beneath the gob induced by room－and－pillar mining.The results indicate that caving zone and fractured zone emerge in the overlying strata after complete mining.There have roof fracturing and falling along the coal wall before the supports during the periodic weighting in mining face.The bench subsidence is around 1.0meter，which results in the fracture graben in the Earth surface.

shallow coal seam，gob induced roommining，fully mechanized mining longwall mining face，bench subsidence，strata behavior law

TD323

A

江苏省研究生科研创新计划资助（CX10B＿148Z）；江苏省高校优势学科建设工程资助项目

王方田（1985－），男，河南永城人，博士研究生，主要从事采矿方法、矿压规律及岩层控制方面的研究。

（责任编辑 张毅玲）