近距离煤层群叠加开采采动应力与覆岩位移场演化特征*

马海峰，程志恒，刘 伟

(1. 安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001；2. 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 3. 淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232001)

0 引 言

近距离煤层开采时，相互之间的影响较大，尤其是当层间距很小时，下煤层开采前顶板岩层受上煤层开采的影响产生不同程度的损伤破坏，导致下煤层开采引起的覆岩运移、采动应力演化有别于远距离煤层。相关学者对近距离煤层开采时覆岩裂隙与应力的分布、巷道的合理位置等进行了研究，取得了一系列成果。李树清[1]等研究了煤层群重复开采条件下覆岩裂隙的形成规律；屠世浩[2]等分析了房柱式采空区条件下近距离煤层综放开采引起的覆岩变形破坏与地表移动规律；张勇[3]等研究了近距离煤层群上保护层开采过程中底板不同应力分区裂隙的分布特征；闫书缘[4]等探索了深部近距离煤层群下卸压开采时应力的演化特征；许磊[5]等分析了下位煤层偏应力场的分布特征与回采巷道的合理位置；严红[6]等研究了超近距离煤层群煤巷的布置与支护设计；程志恒[7]等研究了近距离煤层群保护层开采中围岩应力-裂隙的演化规律；白庆升[8]等分析了近距离上煤层遗留煤柱下工作面顶板的应力演化规律；张向阳[9]等研究了上下煤层开采对中间煤层及其顶底板的影响特征；文献[10-12]对近距离煤层开采巷道的合理位置与稳定性进行了研究。上述成果多是在近距离煤层开采覆岩裂隙、巷道合理位置等方面取得的，关于近距离煤层叠加开采条件下覆岩的运移特征及采动应力动态演化的研究较少。因此，本文以潘二矿近距离煤层群的地质条件为背景，开展近距离煤层叠加开采条件下采动应力与覆岩运移演化规律的研究。

1 近距离煤层叠加开采相似模拟试验

1.1 地质条件

潘二矿西四采区位于陶王背斜北翼及西部转折端，煤系地层被厚度为280～340 m左右的巨厚的新生界地层所覆盖。西四采区B组煤主采煤层为8煤、7煤、6煤，本文主要研究对象7煤与6煤为近距离煤层，7煤位于6煤上方，平均层间距为15.1 m，7煤平均厚度为2.6 m，为较稳定煤层，煤层结构较复杂，6煤平均厚度为2.5 m，为不稳定煤层，煤层结构较复杂，煤层平均倾角12°，6煤埋深约600 m。6煤工作面回风平巷外错7煤工作面回风平巷60 m，运输平巷内错7煤工作面运输平巷42 m，煤层位置示意如图1所示。

图1 近距离煤层群位置关系Fig.1 Location of close distance coal seam group

1.2 试验模型的建立

根据7煤、6煤的地质条件和试验模型的实际情况，模型尺寸：长×宽×高=1 800 mm×160 mm×1 000 mm，试验采用几何相似比为CL=100∶1，容重比为aγ=1.625∶1，应力相似比aσ=162.5∶1。相似模拟材料的主要成分为砂子、石灰、石膏、水，通过煤岩物理力学试验参数和大量不同配比试件的抗压试验，确定材料的合理配比和力学性能进行试验模型的搭建，各岩层物理力学参数见表1。

表1 各岩层物理力学参数

续表1

试验模型共布置8条位移测线、3条应力测线。每条位移测线设15个测点，测点间距100 mm，位移测线1～5位于7煤上方，至7煤的距离分别为450，350，250，150，50 mm，位移测线6～8位于7煤下方，至7煤的距离分别为40，80，120 mm。每条应力测线设11个测点，测点间距150 mm，应力测线1位于7煤上方130 mm，应力测线2位于7煤下方50 mm，应力测线3位于6煤下方100 mm。

在模型左右边界分别留设300 mm的边界煤柱，消除边界效应，开采长度为1 200 mm，每次开采长度为50 mm。试验过程中先开采7煤，后开采6煤。

2 叠加开采采动应力演化特征

2.1 单一煤层开采采动应力演化

7煤层开采过程中，发生3次来压。开采至60 m时，产生初次来压，形成砌体梁平衡结构；开采至90 m时，发生第1次周期来压，断裂岩块产生双关键块砌体梁平衡结构，平衡结构之上的软弱岩层充分下沉运移；开采至120 m时，发生第2次周期来压，基本顶断裂岩块仍可形成砌体梁平衡结构。第1，2次周期来压时采动应力变化如图2所示。

图2 应力变化曲线Fig.2 Stress curves

由图2可知，在7煤层开采过程中，工作面前方和切眼后方均产生了不同程度的应力集中，煤层顶底板岩层均得到了不同程度的卸压。开采至90 m时，工作面前方和切眼后方最大应力分别为19.5，19.1 MPa，最大应力集中系数分别为1.5，1.4，卸压区顶板岩层最小应力为7.6 MPa，底板岩层最小应力为9.3 MPa；随着工作面的推进，顶底板岩层卸压范围呈扩大态势；开采至120 m时，工作面前方和切眼后方最大应力分别为22.2，20.8 MPa，最大应力集中系数分别为1.65，1.6，卸压区顶板岩层最小应力为6.2 MPa，底板岩层最小应力为8.2 MPa。

2.2 叠加开采采动应力演化

6煤层开采过程中(叠加开采)，工作面发生5次来压。开采至60 m，基本顶初次来压，受叠加采动影响，开采6煤层造成的断裂岩层再次运移，其重力完全作用于6，7煤层之间的坚硬岩层之上，加之开采7煤层对底板造成的损伤，6，7煤层之间的岩层多次发生破断，在工作面煤壁的支撑下发生复合破断，形成平衡结构；开采至75 m 时，发生第1次周期来压，基本顶形成砌体梁平衡结构；开采至90 m时，发生第2次周期来压，基本顶断裂线处于工作面煤壁后方，不能形成平衡结构，基本顶断裂岩块落向采空区，较高层位岩层在没有支撑条件下，迅速下沉、断裂；开采至105 m时，发生第3次周期来压，基本顶岩块断裂后形成平衡结构，仅基本顶下方的直接顶垮落，基本顶及其上部岩层没有发生明显下沉；开采至120 m时，发生第4次周期来压，基本顶断裂垮落，上位基本顶在叠加采动作用下发生断裂形成砌体梁平衡结构。6煤层开采过程中，采动应力变化见图3。

图3 工作面开采过程中应力Fig.3 Stress in the progress of working face mining

叠加开采过程中，6煤层工作面前方和切眼后方最大应力分别为16，15 MPa，最大应力集中系数分别为1.23，1.15，卸压区顶板岩层最小应力为4.3 MPa，与单一开采7煤层相比，6煤层开采过程中应力集中程度相对降低，但卸压程度增大。

图4 覆岩运移实况Fig.4 Scene of overlying strata movement

相似模拟试验表明，7煤层开采过程中基本顶岩层经历了周期性的破断下沉，基本顶破断时产生回转变形，在周期来压时具有发生回转失稳的倾向。6煤层开采过程中，覆岩经历多次叠加演化，覆岩位移呈现增大现象，具有位移叠加增长效应。由于7煤层工作面的开采使覆岩起到一定的垫层作用，缓和了矿山压力，使近距离煤层叠加开采时具有应力减弱效应。与开采7煤层相比，6煤层开采过程中，来压步距减小，但周期来压时破断岩层具有滑落失稳的倾向，部分岩层发生台阶式下沉，如图4所示，易发生冲击破坏或其他动力灾害。

3 叠加开采覆岩位移场演化特征

3.1 单一煤层开采位移场演化

图5为7煤层开采推进90 m和120 m时各位移测线变化曲线。

图5 位移变化曲线Fig.5 Displacement curves

由图5可知，工作面推进至90 m时，位移测线1～2与6～8的量值基本无变化，采动应力对位移测线1～2，6～8所在岩层的影响很小，7煤层顶板岩层位移测线3～5的量值相对变化较大。推进至120 m时，位移测线6～8的量值基本无变化，7煤层上覆岩层的位移由下至上逐渐减小，主要是由于岩层破断垮落后具有碎胀性，导致体积增大，上覆岩层运移的空间减小所致。7煤层开采过程中，上覆岩层最大位移的位置位于采空区中后部，且采空区中后部覆岩运移速度较中前部大，工作面和切眼附近岩层运移量小于采空区中部岩层。

3.2 叠加开采位移场演化

图6为6煤层开采90，120 m时覆岩的位移曲线。

图6 位移变化曲线Fig.6 Displacement curves

6煤层开采过程中覆岩的宏观运移形态和特征与开采7煤层相似，具备垮落带、裂缝带、弯曲下沉带的特征，但也产生了近距离煤层叠加开采条件下覆岩运移自身的特点： 叠加开采时，各岩层的运移量明显增大，且呈现出多岩层整体协调运移的规律； 叠加开采时，上覆岩层发生叠加运移，呈现出位移叠加增长效应，岩层整体运移增加幅度较大； 开采6煤层时，由于存在叠加效应，上覆岩层破坏程度增大，尤其是周期来压时，部分岩层发生台阶式运移，呈现出局部位移场演化剧烈的特征，使上覆岩层运移非连续性较明显。

4 工程实践

基于以上分析，为防止6，7煤层工作面开采过程中基本顶破断发生回转失稳或滑落失稳损坏液压支架，在设备选型时，选用了高额定工作阻力的液压支架，额定工作阻力1 5000 kN。6、7煤层开采过程中工作面的实测来压情况如表2所示(7煤层工作面以65#支架为例，6煤层工作面以83#支架为例)。7煤层开采过程中支架最大载荷为28.96 MPa，平均载荷为28 MPa，最大动压系数为1.81，平均动压系数为1.75，平均来压步距为22.68 m；6煤层开采过程中，支架最大载荷为23.52 MPa，平均载荷为22.14 MPa，最大动压系数为1.47，平均动压系数为1.38，平均来压步距为17.88 m。

表2 工作面来压情况

实践表明，在7煤层工作面开采过程中，基本顶岩层经历了周期性的悬露、破裂与折断的过程，而且岩块与岩块的咬合处也经历了一次变形过程，其完整性受到一定的破坏；在6煤层工作面开采时，由于7煤层工作面的开采使覆岩起到一定的垫层作用，致使矿山压力呈现减弱现象。与开采7煤层工作面相比，6煤层工作面开采过程中周期来压步距减小，来压时支架载荷减弱，动压系数相应减小，这与相似模拟结果是一致的。

6煤、7煤开采过程中分别对回采巷道的表面与深部围岩变形进行了实测。实测表明，7煤层工作面开采时，回采巷道顶底板、两帮最大表面位移分别为1 068，888 mm，巷道深部围岩最大位移为868 mm；6煤层工作面开采时，回采巷道顶底板、两帮最大表面位移分别为795，694 mm，巷道深部围岩最大位移为744 mm。与开采7煤相比，6煤开采过程中，回采巷道的表面与深部围岩位移相对较小，在一定程度上反映了近距离煤层叠加开采时矿山压力呈现缓和的现象，这与相似模拟中近距离煤层叠加开采产生的应力减弱效应是一致的。

由于选用了高额定工作阻力的液压支架，在近距离煤层叠加开采过程中，尤其是在来压期间，采取了一定的辅助措施，同时加强了组织管理，生产中没有发生冲击液压支架、压架及其他动力灾害的现象，液压支架工作状况较好。

5 结论

1)近距离煤层群6煤、7煤开采中覆岩的宏观运移形态和特征相似，叠加开采时，覆岩位移量增大，且呈多岩层整体协调运移的规律，具有位移叠加增长效应，存在局部位移场演化剧烈现象，使上覆岩层运移非连续性较为明显。

2)7煤层的开采使覆岩起到一定的垫层作用，缓和了矿山压力显现，使近距离煤层叠加开采时具有应力减弱效应。与开采7煤层相比，6煤层开采过程中，周期来压步距减小，来压时支架载荷减弱，动压系数相应减小。但周期来压时，存在部分岩层发生台阶式下沉的现象，易发生冲击液压支架或其他动力灾害。

3)基于近距离煤层群叠加开采分析结果，在近距离煤层群开采的设备选型时，选用了高额定工作阻力的液压支架，在周期来压期间，采取了一定的辅助措施，同时加强了组织管理，生产中没有发生冲击液压支架及其他动力灾害的现象。

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