复采工作面上覆岩层运移规律及力学分析

孙文栋

（山西省煤炭建设监理有限公司，山西 太原 030012）

煤矿开采是我国重要的资源经济，对社会经济影响深远，是不可或缺的能源产业。残余煤层的复采利用可以提高煤矿开采的效率，创造巨大资源效益。完成残余煤层的复采需要克服很多地质因素，煤层松散导致的顶板破碎情况、矿压情况以及液压支架的情况都是影响残余煤层复采的关键因素。近年来煤矿复采研究大多围绕房柱法开采后进行研究，而关于普采作业形式的残煤层研究较少，普采作业形成残煤区地质结构复杂，顶板及煤壁垮落有可能引起冒顶、片帮等事故，不同区域的矿压分布情况也不一样，因此有必要对此种工作面上覆岩层运移规律和相应矿压力学分析进行研究。

1 工作面上覆岩层运移规律

1.1 复采过程上覆岩层破坏情况

复采过程中顶板的控制，影响二次开采的安全性，因此必须分析普采作业后上覆岩层的破坏情况。一般来说采空区的上覆岩层垮落破坏程度可分为垮落带、裂隙带以及弯曲下沉带，三个破坏层又称纵三带，如图1所示。

图1 上覆岩层破坏情况

采用普采作业后，纵三带结构初步形成，开采后长期的挤压作用使得纵三带结构基本处于稳定状态。复采的时候，采动作用将会使纵三带的结构发生改变。垮落带结构稀松，再次压实作用下岩体碎胀系数降低，垮落带复采时形成高度会增大，顶板在复采结束后会再度垮落，上覆岩层冒落加剧，导致部分裂隙层岩体失去稳定性甚至破碎。裂隙带岩层经过开采后，岩体之间咬合作用减小，摩擦作用减弱，岩层完整性受到破坏，下部分岩层发生破坏变成垮落带。弯曲下沉带在采动作用下弯曲程度加深，有些岩层变为裂隙层，但其高度会受到关键层的作用而改变较小。

因此可知，复采作用下上覆岩层纵三带高度都升高，垮落带高度升高量最突出，上部裂隙带的稳定性也会因采动而降低。

1.2 煤壁前方支承应力分析

复采过程中工作面支承压力是控制顶板维护的关键要素，纵三带的产生会改变上覆岩层的强度和断裂情况，这与工作面支承压力有必然的联系。上覆层产生砌体梁结构，由煤壁、液压支架和冒落矸石组成。上覆岩层通过砌体梁结构作用于工作面前方，煤壁前方支承压力计算公式如下：

式中：

δ-上覆岩层容重，N/m3；

H1-弯曲带高度，m；

σ1，σ2-分别为上覆岩层弯曲下沉带支承压力和弯曲带下方岩层支承压力，Pa；

α1、α2-煤壁弯曲带前后的应力减小系数；

α3-弯曲带下方煤壁应力减小系数；

P0-采空区附加载荷，N；

M0-采空区附加弯矩，N·m；

x-弯曲截面距离，m。

由上述计算公式可以分析出，支承压力受到上覆岩层破坏程度影响较大，应力衰减系数α对垮落带和裂隙带影响显著。进行复采时残煤区上覆岩层破坏程度大，冒落矸石碎胀系数低，支架上覆层垮落程度大，岩层抗弯刚度减小，应力衰减系数提高，垮落带和裂隙带支承应力相应降低，高度增加，同样可以得出进行复采时，纵三带结构改变使得煤壁前方支承压力值降低。

2 煤柱前方支承压力分析

复采过程中，工作面经过残采区及煤柱区，前者相对岩层松散，后者结构强度大，整机集中程度高，因此经过时支承压力会变化显著。为了控制复采过程中围岩支架的稳定性，需要进一步对煤柱前方支承压力进行分析。工作面到达煤柱区时，煤柱宽度降低，导致煤柱上方压力分布出现改变。

（1）互不影响阶段

当复采工作面初段到达煤柱后，残留煤柱宽度大，工作面前方支承压力与煤柱支承压力互相无影响。工作面推进过程中，顶板长度增加，超前支承压力渐渐升高，另外一侧支承压力没有改变，两边支承压力为非对称马鞍型分布，如图2所示。

图2 工作面前方支承与煤柱侧无影响阶段受力情况

（2）相互影响阶段

工作面推进过程中，煤柱宽度渐渐变窄，两边支承压力相互影响，形成叠加作用，叠加作用使得煤柱中间应力增加，随煤柱宽度变窄内部应力也达到了极限，煤柱宽度此时为临界宽度，岩体受力如图3所示，应力形成平台型分布。

图3 煤柱两侧支承压力影响阶段受力情况

（3）压力叠加煤柱失稳阶段

回采过程中，煤柱宽度继续变窄，两侧支承作用叠加，煤柱宽度低于临界宽度时，承载水平下降，应力分布如图4所示，当达到极限强度后，煤柱开始失去稳定性，失去支承作用，液压支架承受压力将急剧增加，因此应防止液压支架的损坏现象发生。

图4 煤柱失稳阶段受力情况图

3 复采工作面模拟分析

为了了解残煤复采过程中的应力变化情况，应对残煤复采进行模拟分析，本文以太原东山五龙煤矿3号煤残采煤层为例，通过专用实验台架进行相似模拟实验。该煤矿3号煤原煤层厚度平均7m，开采厚度3.5m，剩余底煤和顶煤厚度分别为2.3m和1.2m。相似实验采用相似比为1∶30，分析结果如图5所示。

图5 复采工作面推进过程的覆岩垮落变化情况

由图5可以看出，当工作面推进到20m时左边出现垮落，残采部分和煤柱产生分割线，梯形部分出现裂痕增大现象，一部分上覆岩层完全垮落，位于采空区；由图5（b）可以看出，残采岩层全部垮落，煤柱稳定性下降，边缘下沉，支架后方垮落严重，顶板完全垮落；由图5（c）可以看出，煤柱边缘发生垮落，垮落占据了煤柱与残采区之间区域。综合可知，复采过程垮落带与裂隙带会增高，煤柱压力比其他区域大，煤柱中部区域应力集中水平低于两侧，残采部位支承压力小，发生垮落时采空区载荷更为显著。

4 结论

本文针对复采工作面推进过程，对工作面的岩层运移情况和液压支架受力情况进行了分析研究。对上覆岩层复采过程中形成的垮落带、裂隙带及弯曲下沉带的变化情况作了理论分析，结果显示此纵三带在复采过程中高度明显增加，煤壁前方支承压力会降低。对复采过程煤柱受力情况进行了特征分析，得出工作面推进过程中随着煤柱宽度的改变，煤柱的应力分布也发生了改变，且随着宽度减小到极限值，煤柱支承也逐渐开始失去稳定性。对实际复采工作面进行了相似模拟分析，得出了覆岩垮落过程的变化特征，为复采过程中的上覆岩层稳定性管理研究提供了理论依据。