近距离煤层开采时下部煤层压力成因及防治技术研究

王 星

（大同煤矿集团股份有限责任公司安全管理监察局，山西 大同 037000）

同煤集团煤峪口矿14#层410盘区近距离煤层开采为原型进行了研究，上部煤层开采引起回采空间周围岩层应力重新分布，应力的范围及大小与上部煤层开采范围和采空区周围的支撑压力分布有关，下部煤层重新形成的应力分布规律成为影响下部煤层巷道布置和维护的重要因素。

1 近距离煤层开采时下部煤层压力分布

1.1 底板岩层应力分布计算

依据土力学理论，集中力rh（看作上部煤体的载荷峰值）作用在半无限体的平面上，对平面下方任意点M将发生影响如图1（a）。

图1 集中力对半无限平面内M点的影响

假设处于弹性状态，则有

式中：

A、B-比例系数；

R-半径，m；

dR-半径的延伸量，m；

μR-M点沿R方向的变形量，m；

μR1-M1点沿R+dR方向的变形量，m；

εR-dR段的应变量；

σR-R方向的径向应力，kN。

取半径为R的半球面，如图1（b），则有

将（1）中的σR带入（2）中积分后得：

将σR换算为作用在水平面积FW的应力，如图1（c），则有：

在上部煤体载荷rh的作用下，岩体内的铅直应力：

式中：

rh-上部煤体载荷，kN；

FR-半球的表面积，m2；

RW-水平面积，m2；

z-该点距上部煤体的垂直距离，m；

由式（3）可知，底板岩层内任一点的应力主要取决于上部煤柱（体）的载荷、该点与上部煤柱（体）的垂直距离及该点与上部煤柱（体）边缘中心线的水平距离。

1.2 底板岩层应力分布规律

图2 底板岩层的应力图

按照公式（3）计算底板岩层的应力分布如图2，图2（a）为上部岩层一侧采空区压力峰值为3RH时，底板岩层的压力分布情况。图2（b）为上部煤层两侧采空区压力峰值为5RH时，底板岩层的压力分布情况。综上发现一侧采空煤体作用于煤层上的支撑压力的影响深度约为1.5倍至2倍煤柱宽度，两侧采空煤体作用于煤层上的支撑压力的影响深度约为3倍至4倍煤柱宽度，在煤柱影响范围内的同一底板岩层水平面上，煤柱中心线垂直应力最大，无论在何种形式煤层载荷的作用下，底板岩层内的应力分布都呈扩展状态，一般在上部煤层的煤柱下方为增压区，采空区的下方为减压区。

2 近距离煤层开采时下部煤层压力防治措施

2.1 近距离煤层开采工作面部署

2.1.1 空间上

近距离煤层下行开采时，上部煤层工作面回采后，采空区上覆岩层产生变形挠曲直至破坏冒落后，岩体内的应力将重新分布，并趋于新的平衡，对下部煤层工作面形成卸压区域，应力低于原岩应力，上部煤层回采时留有的煤柱，在煤柱下方为增压区域，应力高于原岩应力。在煤矿生产中，尽量使下部煤层工作面布置于卸压区域内，一般内错上部煤层工作面布置。目前近距离煤层工作面回采巷道空间布置位置关系主要有内错式、外错式、重叠式三种，如下图3，1、3布置为内错式，1、2布置为重叠式，1、4布置为外错式。

图3 巷道空间布置位置图

2.1.2 时间上

近距离煤层下行开采时，不仅在空间上要布置合理，避开高应力区，在采掘时间上也要合理安排，上部煤层开采后，围岩内的应力不断地趋于新的相对平衡状态。下部煤层工作面采掘时间安排应保证：（1）在上部煤层工作面的采动影响范围之外；（2）上部煤层工作面回采后，采空区围岩应力相对稳定后。

煤矿生产中下部煤层工作面巷道布置在时间和空间上应尽量避开采掘活动影响，最好将巷道布置在上部煤层开采后所形成的应力降低区域内，例如：煤峪口矿14#层410盘81010工作面内错布置于上覆12#层410盘区81008工作面采空区下方，错距10m，14#层410盘区81010工作面开采时间滞后于12#层410盘区81008工作面两年半，在14#层410盘区81010工作面回采时受上部煤层压力影响较小。由于每个矿的地质条件不同，工作面错距与开采滞后时间视层间距、煤层倾角、层间岩性、构造等因素而定。

2.2 巷道保护及支护措施

（1）在煤矿实际生产中下部煤层巷道布置受各种条件制约，如果不能避开增压区，布置在上部煤层煤柱下方，可通过在巷道围岩中钻孔卸压，使巷道围岩受到某种形式的不同程度的卸载，将本该作用于巷道周围的集中载荷，转移到离巷道较远的新的支撑区，达到降低围岩应力的目的。例如：煤峪口矿14#层410盘区81014工作面进风顺槽布置在上部煤层采空区煤柱下方，受上覆煤柱压力影响，在工作面回采过程中巷道底板底鼓严重，回采时需重新起底1～1.5m左右，给生产和安全带来严重影响，为解决这一问题，矿在巷道底板距巷帮400mm处开掘宽300mm、深600mm的泄压槽，泄压槽开掘后巷道底板底鼓现象得到了有效控制。泄压槽泄压现场试验结果如图4（a），曲线1为未泄压时巷道顶底板相对移近量，曲线2为泄压槽深度为400mm时巷道顶底板相对移近量，曲线3为泄压槽深度为600mm时巷道顶底板相对移近量。泄压槽的开掘不仅使支撑压力峰值向巷道围岩深部转移，使巷道处于应力降低区，而且还为巷道围岩变形提供了补偿空间，从而使巷道围岩变形量减小。泄压效果取决于泄压槽宽度b（软岩大于200～300mm，中硬岩200～300mm），深度h，德国埃森采矿研究中心对切槽深度与底板稳定性的关系进行了研究，当切槽深度h小于巷帮到切槽的间距a时，可将开槽后的底板视作从泄压槽下方受到横向载荷P作用的岩石悬梁承受弯曲应力作用如图4（b），即使p值不大也可使底板向上翘曲，甚至破断。当切槽深度h大于巷帮到切槽的间距a时，相当于短梁受载情况如图4（c），此时开槽后形成的岩块不受弯曲载荷而承受剪切载荷，由于岩层的抗剪切强度远大于承受弯曲时的抗拉强度，开槽后底板岩层具有较大的稳定性。

（2）采用围岩钻孔注浆和利用各种新型材料加固围岩，增强围岩强度，优化围岩受力条件和赋存环境。

（3）改进支护方式，尽量对围岩施加径向力，加大巷道的围压，保持围岩三向受力状态，提高围岩强度，限制塑性变形区和破裂区的发展，

图4 泄压槽泄压现场试验结果

煤峪口矿14#层410盘区81012工作面属近距离煤层开采，81012工作面进风顺槽和回风顺槽原支护采用锚杆、锚索、钢带联合支护，在工作面超前支护50m范围内采用DZ35-30/110型单体柱加强支护，在工作面推进过程中由于层间距太小，巷道动压显现明显，工作面顺槽变形严重，在生产中巷道维护工程量大，经过改进支护方式，在开采到巷道未变形时采用在原支护下支设U29可缩性金属棚，并在每个U29可缩性金属棚下支设一根单体柱，这样形成“支架-锚杆、锚索-围岩”相互作用和共同承载的力学平衡体系，在这个平衡体系中U29可缩性金属棚的支撑力在一定程度上能有效抑制直接顶顶板离层，控制围岩塑性区的再发展和围岩的持续变形保持围岩稳定，而可伸缩性U29金属棚的可缩性又能有效地控制和适应围岩的变形。

2.3 近距离煤层开采时下部煤层矿压防治效果

同煤集团煤峪口矿14#层410盘区81010综采工作面内错布置于上覆12#煤层采空区下方，层间距8m，巷道采用可缩性金属支架与锚网、锚索联合支护，并在工作面两顺槽距巷帮400mm处开掘宽300mm，深600mm的泄压槽。在该工作面回采过程中，工作面两顺槽无明显矿压显现，巷道底鼓现象基本得到控制，巷道二次维修工作量较其他工作面减少70%左右。通过该工作面的实际生产情况，证明近距离煤层开采时，多种措施联合运用，能取得明显效果。

3 结语

本文结合煤峪口矿14#层410盘区近距离煤层开采的实例，将近距离煤层开采压力成因及如何防治上部煤层开采后对下部煤层的压力影响，作简要分析，为近距离煤层开采提供宝贵经验。