厚基岩浅埋煤层开采矿压显现规律研究

孙学笃

(神华新疆能源有限责任公司)

厚基岩浅埋煤层开采矿压显现规律研究

孙学笃

(神华新疆能源有限责任公司)

以6-2101工作面为工程背景，通过理论分析、数值模拟及现场实测，对厚基岩浅埋煤层开采矿压显现规律进行研究。结果表明，在煤层埋藏浅及厚松散层等条件下，岩层以后的周期来压表现为工作面前方出现裂隙,形成整体岩柱,岩柱发生回转,后方压实的运动，基本顶呈整体运动，基岩沿煤壁整体切落，随着煤层埋藏深度的增加，中部支架支撑压力变化较大，两端支架支撑压力变化较小，为地压控制和管理提供了现场依据。

厚基岩 浅埋煤层 矿压显现

煤层埋藏浅并不意味着矿压小，长壁工作面普遍出现有台阶下沉现象，矿压显现剧烈，浅埋煤层工作面顶板破断运动具有特殊性[1]。根据观测认识浅埋煤层顶板矿压基本特征与规律，为正确进行顶板控制提供依据。以纳林庙2#井6-2101综采工作面覆岩为研究对象，研究厚基岩浅埋煤层开采工作面上覆岩层移动破断规律，控制其运动，实现安全开采。

1 工程背景

6-2101综采工作面位于纳林庙煤矿2#井一采区最东部，是一采区首采工作面，南起切眼(位于矿井东南角边界处)，北至设计停采线(位于风井以南249 m处)，西邻6-2102综采工作面(该面未采)，东邻2#井二、四采区；煤厚为6.18～7.50 m，平均为6.69 m；可采煤层厚6.18～6.90 m，平均为6.38 m；煤层结构简单，不含夹矸或含1～2层夹矸，一般为泥岩和炭质泥岩；全井田可采面积为11.45 km2；煤层顶板岩性为砂质泥岩、泥岩、细砂岩、粉砂岩，底板岩性为粉砂岩、泥岩、砂质泥岩。

2 理论分析

随着工作面的不断推进，上覆岩层悬露面积不断增大，在上覆载荷及其重力的作用下，覆岩开始弯曲下沉。在顶板破裂的过程中，悬露的顶板先从两端开裂，而后中部开裂，形成假塑性岩梁结构，当顶板沉降值超过假塑性梁的允许值时，顶板发生破断冒落，见图1。

当基岩厚度较大时，顶板上位基岩下部基本顶岩梁由于荷载的作用，两端首先出现拉裂隙，后梁中部发生破断，此时，基本顶初次来压[2-4]。在厚松散层作用下，上覆岩层不断垮落，直至地表。在工作面前方，顶板的上覆自基岩出现拉裂隙，形成较大厚度的整体岩柱，随着开采的继续进行，该巨厚岩柱与采空区后方的矸石接触，未出现剪切破坏的岩石则以抗剪力阻止基岩的垮落破坏。

图1 上覆岩层弯曲破坏发展过程

3 数值模拟

UDEC程序不仅能较好地模拟材料屈服、塑性流动、软化直至大变形问题，而且能对材料的渐进破坏进行跟踪，很好地应用于采矿研究。

按照6-2101工作面实际情况建立模型，忽略倾角对巷道稳定性的影响，岩层及巷道取为水平状态。在模拟过程中将岩性相近的岩层合并，模拟的岩石物理力学参数根据现场实际情况选取，见表1。

表1 模型岩层物理力学参数

在模拟过程中，工作面回采12步，每步开采10 m，待上一次运算平衡后再进行下一次开挖。不同开挖距离时上覆岩层变形情况见图2。

图2 工作面开挖不同距离时上覆岩层垮落情况

由图2可知，在工作面推采到20 m时，直接顶发生冒落，基本顶没有变化；随着工作面的继续推进，基本顶岩层开始出现拉裂隙，仍没有破断冒落，

但基本顶的悬露面积增大，致使采空区两侧煤壁压力急剧增大；当工作面推进到80 m时，基本顶达到其破断步距，沿裂隙处开始破断冒落，此时，工作面发生初次来压，说明工作面初次来压步距在60～80 m；随着开采的继续进行，开挖100 m时，基本顶继续发生冒落破坏，拉裂隙继续往上延伸，直至地表；当工作面推进到120 m时，顶板的垮落加剧，破坏剧烈，发生来压破坏，通过分析得出工作面的周期来压步距为20 m左右。

综上所述，在厚松散层条件下的煤层开采，工作面顶板极易出现整体运动，基岩沿煤壁整体切落。岩层的周期来压表现为工作面前方出现裂隙,形成整体岩柱,岩柱发生回转,后方压实的运动。

4 现场实测

通过矿压检测仪对工作面4个测区的矿压进行观测，分析矿压数据，得出工作面顶板来压规律。工作面在100～140 m基岩厚度、0～80 m上覆基岩层厚度、埋深仅为100～200 m的赋存条件下，周期来压步距在25 m左右，与数值模拟的结果基本吻合。

在分析矿压数据时，发现在煤层埋深不同的情况下，工作面的矿压显现情况也不同，工作面支架阻力情况见图3。

图3 不同埋深各支架工作阻力分布

通过分析支架的初撑力、末阻力发现，随着煤层埋藏深度的增加，中部支架支撑压力变化较大，两端支架支撑压力变化较小。在未来压时，埋深为185 m的中部支架支撑压力比埋深为110 m时中部支架支撑压力大488～2 569 kN，平均为1 460 kN(7 MPa)左右；在工作面来压时，埋深为185 m的中部支架支撑压力比埋深为110 m时中部支架支撑压力大108～1 269 kN，平均为653 kN(3 MPa)左右。这种情况符合浅埋煤层的矿压特征，随着煤层埋深的加大，支架的支撑压力也变大。

5 结 论

(1)在煤层埋藏浅及厚松散层等条件下，岩层以后的周期来压表现为工作面前方出现裂隙,形成整体岩柱,岩柱发生回转,后方压实的运动，基本顶呈整体运动，基岩沿煤壁整体切落。

(2)工作面来压时具有不同步性，先中部来压，后两端来压，表明顶板呈弧形破断。直接顶的厚度越大，工作面来压越大，但超过一定范围后，这种变化不明显。

(3)随着煤层埋藏深度的增加，中部支架支撑压力变化较大，两端支架支撑压力变化较小。

[1] 钱鸣高，缪协兴．采场“砌体梁”结构的关键块分析[J]．煤炭学报，1994，19(6)：557-563.

[2] 钱鸣高，石平五，许家林．矿山压力与岩层控制[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2010.

[3] 潘立友，王彦伦，王春秋，等．采场支架围岩关系及应用[M]．徐州：中国矿业大学出版社,2008.

[4] 钱鸣高，李鸿昌．采场上覆岩层活动规律及其对矿山压力的影响[J]．煤炭学报，1982(1)：1-12.

2014-08-29)

孙学笃(1966—)，男，高级工程师，硕士，830000 新疆乌鲁木齐市。