采动影响下“三软”煤层开采的矿压显现规律分析

余长柱 谢小平 彭首清 程涛 周雨垚

摘 要：针对采动影响下“三软”煤层安全高效开采的问题，采用现场实测及理论分析相结合的方法，通过对25102试采工作面进行数据观测，对下煤层工作面支架受力和顶板来压规律进行分析研究。得到以下结论：1）25102试采工作面在现场观测期间，没有出现初次来压和周期来压，更没有明显的冲击地压现象，工作面回采过程中，也没有出现大面积的煤壁片帮。工作面顶板较破碎，出现局部冒顶、落矸的现象。2）工作面整面支架阻力主要分布在2000～3000kN范围内，占统计支架总数的69.4%。工作面在回采过程中，支架的平均载荷为2420kN，而支架额定工作阻力为5200kN，支架利用率仅为46.5%。

关键词：三软煤层;采动影响;矿压观测;支架载荷

0引言

“三软”煤层是指煤矿开采中遇到的软的顶板岩层、软的主采煤层和软的底板岩层。一般情况下，具有“三软”特征的煤层和顶底板均为软弱岩层，“三软”煤层裂隙发育，构造复杂。贵州省六盘水矿区许多煤层都属于“三软”煤层，例如米箩井田内开采煤层15层，煤层厚度大多在0.8～2.2m，含煤岩组为二叠系上统宣威组（P3xn），由砂岩、页岩、泥岩及煤层组合，煤层间的顶、底板多为软质岩构成，稳定性较差甚至很差，属于典型的“三软”较薄煤层开采条件。

贵州省近距离煤层赋存和开采所占比重很大，大多矿区都存在近距离煤层群开采的问题，对于煤层群开采，当煤层层间距离较大时，上部煤层开采后对下部煤层的开采影响程度很小，其矿压显现规律，开采方法不受上部煤层开采影响，与普通单一煤层开采基本相同。但是，受上部煤层多次采动的影响，下部煤层开采前顶板的完整程度已受上部煤层开采损伤影响，其上又为上部煤层开采垮落的矸石，且上部煤层开采后残留的区段煤柱及一侧采空的煤体在底板形成的集中应力，导致下部煤层开采区域的顶板结构和应力环境发生变化。从而使下部煤层开采与单一煤层开采相比出现了许多新的矿山压力现象，近距离煤层群下部煤层动压回采巷道由于局部过载而导致巷道整体失稳的变形破坏机理。

本项目针对贵州省典型矿区近距离煤层群开采条件，采用数值模拟试验研究受多次采动影响下“三软”煤层开采工作面矿压显现的规律，通过对贵州典型矿区多次采动影响下“三软”煤层工作面直接顶垮落特征和基本顶破断特征进行分析，并计算出工作面初次、周期来压步距;分析多次采动影响下“三软”煤层工作面上覆岩层“三带”发育特征，为其它具有相似条件下的“三软”煤层工作面开采工艺具有的重要借鉴意义。

1 矿井概况

某煤矿工业场地距县城约5km，井田走向长22km，倾斜宽4.5～8km，面积约135km2。全井田地质储量2252.28Mt，工业储量2013.72Mt，可采储量1275.74Mt。设计生产能力3.0Mt/a，后经过技术改造生产能力提升为5.0Mt/a。矿井目前生产水平为+400m水平。井田共含煤17层，煤层总厚19.42m，含煤系数12.4%;其中可采及局部可采煤层8层，分别是2号、3号、4号、5号煤层和6号、8号、9号、10号煤层，煤层以焦煤为主，总厚度15.4m。该煤矿井北翼2、3+4、5号煤层间距较近，2号薄煤层赋存于该中部，可采厚度0.70～1.46m，平均厚度1.1m，下距离3+4号煤平均14.0m。3+4号混合煤层厚度合并厚度平均4.12m，下距离5号煤平均4.03m。

2下煤层试采工作面地质条件概况

25102试采工作面位于该矿北一采区，沿5号煤层倾向布置的长壁式回采工作面，工作面底板标高430m～570m，地面标高840m～966m，煤层倾角约5o。与25301工作面相邻，布置在已采完的24102工作面采空区下方。25102工作面切眼长度183.3m，布置在24102工作面采空区内错5m，其胶带巷布置在24102工作面胶带巷内错7.5m处，轨道巷位于24102轨道巷内错7.5m处，两煤层间距为5.5m，24102工作面与24301工作面间留设煤柱45m。

25102试采工作面采煤方法采用倾斜长壁后退式全部垮落综合机械化采煤法。采用双滚筒采煤机（MGTY-300/730-1.1D）双向穿梭式割煤方式，整个25102工作面共布置110个液压支架，型号为ZZ5200/25/47型，机头和机尾各布置两架ZZ5200/25/47型的液压支架作为端头支架。

3下煤层试采工作面矿压显现规律分析

（1）工作面顶板来压规律

通过对25102工作面支架阻力的连续实测，将观测收集到的支架载荷数据经整理分析后，依据每次支架阻力，绘制了每个测站及整面的平均支架工作阻力P随距开切眼煤壁距离L变化曲线图，如圖1～图4所示。

根据支架阻力与工作面推进距离变化曲线图可以看出，该矿25102试采工作面在现场观测期间，没有出现初次来压和周期来压，更没有明显的冲击地压现象。工作面回采过程中，也没有出现大面积的煤壁片帮。但在工作面推进过程中，采场支架梁端前和两回采巷道均出现过轻微的冒顶现象。

（2）工作面支架载荷频率分布

随着工作面的推进，每次循环过程中，由于地质条件、支架操作等的影响，支架的阻力会有所变化，因此可以通过支架阻力分布频率的范围，来综合反映工作面顶板压力的大小、支架支护效果以及支架的适应性。分别对3个测站及整个工作面的支架载荷频率分布进行统计分析。

统计计算分析而得到的25102工作面下部测站支架阻力分布频率直方图可知。支架阻力主要分布在1500～3500kN之间，占统计支架阻力总数的93.64%，其中支架阻力主要集中在2000～2500kN之间，占统计支架阻力总数的47.27%。工作面下部测站支架阻力主要分布在2000～3000kN之间，工作面下部测站支架都处于正常受力状态，支架工作效果较好。

统计计算分析而得到的25102工作面中部测站支架阻力分布频率直方可知。支架阻力主要分布在1500～3500kN之间，占统计支架阻力总数的91.01%，其中支架阻力主要集中在2000～2500kN之间，占统计支架阻力总数的43.64%。从图2-10中可以看出，工作面中部测站支架阻力主要分布在2000～3000kN之间，工作面下部测站支架都处于正常受力状态，支架工作效果较好。

统计计算分析而得到的25102工作面上部测站支架阻力分布频率直方可知。支架阻力主要分布在1500～3500kN之间，占统计支架阻力总数的88.18%，其中支架阻力主要集中在2000～2500kN之间，占统计支架阻力总数的49.09%。工作面上部測站支架阻力主要分布在2000～3000kN之间，工作面上部测站支架都处于正常受力状态，支架工作效果较好。

工作面在回采过程中，支架的平均载荷为2420kN，支架额定工作阻力为5200kN，支架利用率仅为46.5%。结合以上分析可知，25102工作面整面支架的工作阻力普遍相对较小，支架的选型能充分满足生产的要求，但支架的工作阻力利用率还有待提高。从工作面整体上看，支架工作阻力相对较低，但由于工作面顶板较为破碎，还需加强工作面支护质量管理，特别是在工作面开采过程中对支架初撑力的管理，并要及时调节支架的受力状态，以确保工作面支架的正常运行。

4工作面超前支承压力影响范围

通过在工作面前方80m处打钻安置钻孔应力计，由于钻孔应力计初始安装时，钻孔应力计没有与孔壁紧密接触，导致应力计初始读数为0MPa，但随着工作面向前推进，钻孔孔壁煤体逐渐破碎冒落而挤满整个钻孔空间，使钻孔应力计与工作面煤体完全接触，而且当工作面推进至钻孔应力计测站约40m处时，钻孔应力计读数开始出现变化，当工作面推进至钻孔应力计测站约30m处时，钻孔应力计读数开始有较为明显的增大，说明工作面超前支承压力影响范围约为30m。通过观测并记录测站内钻孔应力计示数与距工作面距离的数据，经分析整理后可反映出各应力计读数随工作面推进的变化，即距工作面不同位置处所受超前支承压力的影响程度，如图5所示。

由图5可知，25102工作面超前支承压力的峰值点为距工作面9m左右，影响范围约为30m，超前支承压力的应力集中系数为1.81。

参考文献：

[1]林崇德.层状岩石顶板破坏机理数值模拟过程分析[J].岩石力学与工程学报，1989，18（4）：392-396.

[2]刘红元，刘建新，唐春安.采动影响下覆岩垮落过程的数值模拟[J].岩土工程学报.2001（3）：201-204.

作者简介：

余长柱（1998.11-）男，汉族，贵州省安顺市人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究

项目基金：贵州省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S202010977009）

（贵州六盘水师范学院矿业与土木工程学院    贵州六盘水  553004）