急倾斜近距离煤层开采矿压显现规律研究

刘怀谦，刘 萍,2,3，韩 森,2,3，高 林,2,3，曹云钦,2,3

(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025； 3.贵州省复杂地质矿山开采安全技术工程中心，贵州 贵阳 550025)

我国煤炭资源分布广泛且储量丰富，据统计急倾斜煤层储量占全国煤炭总储量的15%～20%[1]，急倾斜煤层煤炭储量占西部地区煤炭总储量的50%左右[2-5]，例如，贵州地区煤炭资源丰富，大多矿区富含两层或者两层以上近距离可采煤层，科学开采这部分煤层对于建设节约型社会和倡导科学发展观具有重要意义。因此，研究对急倾斜近距离煤层开采的矿压显现规律对贵州省的经济发展显得尤为重要。

目前，国内外相关专家及现场技术人员对急倾斜及近距离煤层开采进行大量实验及研究，并取得了大量的研究成果，如相关学者[2，6]采用FLAC3D对采煤工作面回采过程中围岩力学特征进行数值模拟，揭示了急倾斜近距离煤层在采煤工作面推进过程中顶板垮落、底板破坏等矿压显现特征；张志康[7]采用数值模拟软件模拟近距离煤层开采过程中，采煤工作面走向和倾向矿压分布规律进行计算，为煤层开采提供了理论依据；余本胜等[8]对比分析平煤

集团十三矿煤层多个工作面矿山压力观测资料，揭露了急倾斜软煤层条件下应采用分层开采方法；王路军[9]针对神东矿区石圪台矿某工作面矿压显现程度较小和周期来压步距较大等问题，对该工作面的矿压显现特征和周期来压规律进行了具体研究，揭露了其原因是下煤层工作面的矿压显现受上覆主关键层回转运动的影响；张伟[10]应用相似模拟试验及数值分析的方法，研究采用急倾斜水平分层开采条件下,3号、5号煤层矿压显现规律及围岩破坏情况；冯国瑞[11]通过理论分析、数值模拟以及工业试验相结合的方法对上部煤层底板移动规律和残采区上行开采矿山压力控制技术进行了系统的研究，为残采区上行开采提供了理论指导与借鉴价值。综合以上研究成果发现，目前针对急倾斜煤层开采矿压显现规律的研究有待深入。鉴于此，本文以贵州某矿14602采煤工作面为工程背景，运用FLAC3D数值模拟软件建立煤岩层分析模型[12-13]并结合工程实例，揭示煤层开采过程中矿山压力显现规律、围岩应力分布以及应力峰值大小和位置。该研究成果为同类矿井围岩控制措施与手段提供了有力依据，对同等开采条件下矿山压力控制具有指导意义。

1 工程概况

贵州省某矿14采区含煤10～20层，其中主要可采及局部可采煤层为4号煤、6号煤和9号煤，煤层层位关系如图1所示。煤层倾角为54°～62°，平均倾角60°，属于急倾斜近距离煤层开采，平均埋深为450m，4号煤、6号煤和9号煤层平均厚度分别为1.7m，1.4m和1.2m，煤层平均间隔分别为10m和5m，煤层顶底板多为泥岩或砂质泥岩，稳定性较差。经测定，4号煤层为劣质煤层，9号煤层相对瓦斯涌出量较高，鉴定等级为煤与瓦斯突出煤层。

图1 煤层层位关系简化模型

急倾斜近距离煤层开采特点：矿井地质构造复杂，开采难度大；回采巷道承受较大侧压，周期来压不明显，初次来压步距较大；回采工作面各工序实施困难，增加机械化的难度；煤及矸石沿底板滑落，便于运输。

2 煤层开采围岩应力分布规律

2.1 数值计算模型建立

为了更加直观表述采煤工作面顶底板围岩应力、位移等参数的分布，根据煤岩层位置和顶底板岩性特征(表2)，利用有限差分数值模拟软件FLAC3D建立相应的数值计算模型，模型尺寸(X×Y×Z)确定为：75m×150m×200m，模型划分为33108个网格节点和30150网格单元，模型模拟煤岩层倾角60°，模型底边垂直固定，左右边界水平固定，上部边界施加约9MPa垂直应力模拟上覆岩层的重力；采用煤层走向长壁分层开采，6号煤层为首采层，采煤工作面两侧留30m保护煤柱，得出采煤工作面推进过程中的围岩应力分布和矿压显现特征。

2.2 采场应力分布规律

表2 顶底板岩体力学特性

随着煤层工作面推进过程中，急倾斜煤层开采沿煤层走向力学特性与一般埋藏煤层应力分布形态类似，其应力场分为：应力升高区、应力降低区、原岩应力区，工作面顶底板超前支承压力形成“类椭圆应力区”，应力峰值位于工作面前方11m左右，超前支承压力影响区域为工作面前方70m左右，如图2(a)所示；而沿煤层倾斜方向呈现非对称变形特征，其采煤工作面下部垂直应力远远大于采煤工作面上部，工作面中部位于应力卸载区，其垂直应力远远小于工作面两侧垂直应力，工作面上覆岩层卸压程度远远大于工作面底板岩层，如图2(b)所示。

图2 工作面推进时围岩应力分布

2.3 急倾斜煤层 “三角封闭”结构

在急倾斜煤层开采过程中，上覆岩层破坏分为直接顶垮落和基本顶下沉、触矸。工作面上、下部基本顶受力如图3所示，包括岩块B自身重力、岩层之间的摩擦力、上覆岩层对块体B的载荷、传递岩梁[14]之间作用力、矸石支承力。

图3 采煤工作面受力

在6号煤层开挖初始阶段，上覆岩层垮落、下沉、触矸；且有剪切下滑趋势，受力分析如图4所示。则由图4(a)可得式(1)、(2)：

F3+f+Gsinθ≫F1sinθ+F2sinθ

(1)

P+Gcosθ≫F1cosθ+F2cosθ

(2)

图4 煤层受力矢量

由图4(b)可得式(3)、(4)：

f+Gsinθ≫F4sinθ+F5sinθ+F6

(3)

P+Gcosθ≫F4cosθ+F5cosθ

(4)

式中，G为岩块B自身重力；f为岩层之间的摩擦力；P为上覆岩层对块体B的载荷；F3，F6为传递岩梁之间作用力；F1，F2，F4，F5为下部矸石或悬臂梁的支承力；θ为煤层倾角。

由于煤层工作面上、下部传递岩梁受力方向不同，6号煤层开挖初始状态，下部岩体传递岩梁之间“三角封闭”结构强于上部传递岩梁“三角封闭”结构，导致采煤工作面下部围岩应力大于采煤工作面上部围岩应力，而且，这种结构最终趋于平衡状态，“三角封闭”结构如图5所示。

图5 “三角封闭”结构

3 工程实例论证

3.1 巷道压力数据监测

在巷道掘进期间，施工人员分别在14602回风巷和14602运输巷(图6)每掘进20m时安装1组巷道压力监测装置，每组5块，巷道压力监测装置安装位置如图7所示，传感器必须安装在托盘和紧固螺母中间。测试小组在后期工作面推进过程中分别对14602回风巷和14602运输巷道断面5个测点(图7)进行监测。

图6 测点布置示意

图7 巷道压力监测点

通过对14602回风巷和14602运输巷道断面5个测点巷道压力进行监测，得到其巷道压力数据，现仅列出4号、4′号特征点的巷道压力数据(图8)。

图8 巷道压力数据监测

依据上述监测数据，对14602回风巷和运输巷巷道压力进行分析。

由图8可知，14602运输巷道压力普遍大于14602回风巷道压力，且运输巷4′号测点最大巷道压力达到21.80MPa，而回风巷4号测点巷道压力为18.90MPa；14602运输巷上侧巷道压力明显大于下侧巷道压力；14602回风巷上侧巷道压力与下侧巷道压力无较大差异。

3.2 井下断面检测及变形特征分析

根据高林等[15]现场利用YJDM3.6矿用激光巷道断面检测仪对巷道断面进行检测的方法，并通过测试仪器自带的数据分析软件对其测点巷道围岩变形实测数据进行对比分析(仅列出2号、2′号具有代表性的测点变形图)，如图9所示。同时，计算得出代表性测点的断面测量面积、断面收缩率、超挖面积及欠挖面积等(表3)。

图9 14602巷道实测与设计断面对比

测点设计断面/m2测量面积/m2断面收缩/m2断面收缩率/%超挖面积/m2欠挖面积/m2最大超挖/m最大欠挖/m2号13.596.696.9050.772.476.7700.964号13.596.626.9751.292.626.8401.036号13.596.686.9150.852.576.7700.972'号13.596.517.0852.103.196.9401.024'号13.596.457.1452.542.437.0201.026'号13.596.567.0351.731.786.9300.96

依据上述检测结果，对14602回风巷及运输巷围岩变形特点及变形规律分析如下：

由图9可知，与设计断面相比，各实测断面均呈现严重变形，由表3计算结果可知，14602回风巷平均断面收缩率为50.97%，14602运输巷平均断面收缩率为52.12%。检测结果说明急倾斜煤层开采过程中巷道在多重因素影响下，位于工作面下部的巷道在“三角封闭”结构中变形剧烈，应该加强工作面下部巷道支护强度。

4 结 论

(1)在采煤工作面推进过程中，其超前支承压力形成“类椭圆应力区”。

(2)急倾斜采煤工作面推进过程中，基本顶除受自身重力、岩层之间的摩擦力、上覆岩层对块体B的载荷、下部矸石支承力外，还受传递岩梁的作用力。工作面两端传递岩梁的作用力方向不一致，促使采煤工作面下部“三角封闭”结构作用力大于上部，导致工作面下部巷道围岩应力、变形量大于工作面上部。

(3)急倾斜煤层开采过程中巷道在多重因素影响下，位于工作面下部的巷道在“三角封闭”结构中变形剧烈，应该加强工作面下部巷道支护技术，并且为后期巷道支护和安全防范措施提供借鉴和指导。