近距离煤层群综放工作面矿压显现规律

白 刚,任 杰

(1山西铺龙湾煤业有限公司,山西 阳泉 045000； 2太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西 太原 030000)

煤炭是典型的植物沉积岩，因此常见多层可采煤层连续或在近距离存在。当两煤层间距较小时,上煤层开采形成的采空区必然会对下煤层工作面矿压显现规律造成显著影响。随着浅部煤层资源的枯竭,煤矿开采深度正在以每年15～20 m的速度向深部延伸,深部煤层开采面临高地应力、煤层易失稳变形等问题,制约了矿井的安全高效生产[1-3]。因此，研究近距离煤层采动引起的覆岩移动规律至关重要。

按照岩体形态分类,专家学者们将回采工作面前后分为“横三区”、“竖三带”[4-5]，杜晓丽[6]认为随着采动过程推进采空区周围应力逐渐转移,在一定范围内产生应力集中,在重力影响下形成了环绕采空区的岩石压力拱。李宁[7]认为工作面的推进,周围围岩由扁拱变化为尖拱拱厚度以及拱脚应力集中均随采动逐渐增大。压力拱假说解释了回采工作面围岩卸压问题，但未分析上覆岩层移动、变形的过程和支架—围岩间的相互关系。解兴智[8]通过分析浅埋煤层房柱式采空区下煤层长壁开采，认为上位悬臂梁与下位悬臂梁不同周期失稳引起的采场周期来压不等距性以及来压强度不等强性,是造成长壁采场围岩失稳的主要原因。矿山压力显现是由覆岩的运动引起的，随着煤炭的不断开采，地下原有的应力状态被打破[9-10]，上述研究均表明近距离下煤层工作面应力分布受上覆岩层印象，但分布规律仍有待研究。

本研究采用现场实验结合实验模拟的方法，分析了铺龙湾煤矿的8103及5103工作面矿压显现和应力分布规律，研究成果可以为铺龙湾煤矿近距离下煤层工作面和其他类似赋存条件的矿井设备选型和矿压控制提供理论依据。

1 工作面生产条件

1.1 工作面地质条件

8103及5103工作面位于铺龙湾煤矿东南侧，煤层赋存稳定，煤层松软、破碎。工作面西部煤层倾向为西北，工作面东部煤层倾向为西。煤厚在4.2～8.2 m之间，夹石厚度0.1～0.8 m，煤层厚度为5～8.2 m.顶板情况如表1所示。

表1 8103工作面顶板情况

1.2 采煤工艺

综采工作面采用双滚筒采煤机割煤，放顶煤和装煤，液压支架支护，刮板运输机、转载机、胶带机运煤，放顶煤自然垮落法处理采空区等一系列生产方式来完成回采工作。

1) 落煤：通过采煤机滚筒上安装的截齿旋转截割煤壁来完成割煤。

2) 装煤：利用滚筒上的螺旋叶片将煤抛至刮板运输机内；推移刮板运输机时，刮板运输机前方铲煤板将煤壁下方的煤装入刮板运输机内。

3) 运煤：刮板运输机将煤运送到机头落入转载机，转载机内的煤流经破碎机破碎后落在巷道胶带运输机上运出。

4) 支护：工作面支护采用液压支架支护，进、回风巷超前支护采用单体液压支柱支护。

5) 采空区处理：放顶煤顶板自然垮落。

回采工艺：采煤机端头斜切进刀方式，双向割煤，液压支架及时支护顶板，一采一放。

2 矿压显现特征分析

近距离煤层采空区下煤层覆岩结构一般可以分为煤层间有无基本顶两种情况，基本顶结构对下煤层矿压显现发生规律有很大影响。

极近距离上部煤层初采结束后，封板断裂时间受关键层强度及厚度影响，关键层在断裂过程中形成砌体梁结构。在下部8103工作面与上部5103工作面之间主要是软质的泥岩和砂质泥岩，强度低，因此可以认为连工作面之间不存在厚硬基本顶与承载结构。因此8103工作面顶板垮落无明显规律，极近煤层上部采空区下工作面矿压显现规律主要受两工作面间关键层性质影响。

上煤层覆岩可以根据位置分为导水裂隙带及弯曲下沉带，导水裂隙带在采动后发育高度须重新确定[9]：

Hd=30M0.5±10

(1)

式中：M为工作面采高，m；本矿实际生产采高为6 m，得到导水裂隙带发育高度为63～83 m，故上覆关进层位于导水裂隙带内。

上部煤层采空区下煤层开采后关键层发生滑落失稳和变形失稳两种破坏形式。但在以下条件满足时两种失稳均不发生：

h/L≤0.5tanφ

(2)

式中：h为关键层厚度，m；L为破断块体长度，m；φ为破断快之间摩擦角。

σm/σc≤k

(3)

式中：σm=2qi2/(1-isinβ)2为断裂快之间作用力，MPa；i=L/h2,β为断裂后允许下沉角;σc为断裂快单轴抗压强度，MPa；k为经验系数。

破坏后岩石块同时满足式(2)及式(3)时其所处的随动层属于断裂带，否则属于垮落带。本煤层上覆关键层为单一关键层结构，其处于上部煤层开采后形成的导水裂隙带中，故其采场上方到地表均可认为是导水裂隙带。

5103采空区下8103工作面开采后关键层被重新压实为相对稳定的砌体梁结构，当其再次破坏时上覆岩层裂隙带产生下沉。近距离煤层不同于单一煤层开采，由于其关键层已经破断，在下部煤层开采过程中关键层的支撑作用大大减弱，关键层上部岩层产生的应力集中到工作面附近采场以及超前煤体中。另外关键层破坏产生的断裂快存在大量裂隙，在应力作用下容易成为能量释放的结构弱面，导致采空区下工作面更容易产生来压，因此有必要对工作面下采区来压规律进行进一步研究。

3 矿压显现规律研究

3.1 矿压监测方法

8103及5103工作面采用KBJ-60Ⅲ-2压力检测仪监测支架工作阻力。在工作面布置1号至5号测区，每个测区布置3个测点，测区布置如图1所示，连续记录数据。顶底板及两帮位移量采用十字观测法进行监测，在工作面两巷每隔50 m处布置测量站，在各测量站断面的顶部与底部以及两帮中点位置各设置一个测量点。

图1 工作面压力监测点布置

3.2 测试结果分析

8103工作面支架工作阻力值较大，因此来压区间安全阀开启频繁；此外结合现场观测及计算所得：8103工作面初次来压步距为24 m；5103的工作面初次来压步距为32 m.分析图2、图3可知8103工作面周期来压时间在4至8个工作日范围内，周期来压步距为14～22 m，周期来压最大值为45 MPa，来压强度较大。8103工作面初次来压步距为24 m，周期来压步为14～22 m，周期来压最大值在27～45 MPa，且来压周期及来压强度无明显规律。

图2 5103工作面循环末阻力和时间加权阻力变化

图3 8103工作面循环末阻力和时间加权阻力变化

老顶初次来压时，近距离煤层采空区下工作面的初次来压步距更小；周期来压时，近距离煤层采空区下的工作面对应的来压步距和持续长度小于上层的工作面，且较上层的工作面，下层工作面对应来压期间支架工作阻力和动载系数变化更大。

3.3 覆岩运动特征分析

基于铺龙湾煤业地质条件，使用水泥等相似材料制作上覆岩层模拟试块， 并对试块构建的模拟岩层从左向右进行模拟开采实验，见图4，图5.

图4 模拟工作面顶板初次垮落

图5 模拟工作面重复扰动叠加垮落

为了研究上覆岩层位移规律，在模拟试块表面布置7排观测点，其中a1～a7代表开采前测点原始高程，b1～b7代表下层煤开采结束后各测点高程。

如图4所示近距离煤层开采过程中，随着工作面推进，采空区范围依次形成垮落带、断裂带、弯曲带，“三带”特征明显，其中断裂带、弯曲带相对稳定并具有一定承载能力，垮落带由于失去支撑应力集中向下传递，导致下覆煤层工作面顶板应力高于正常开采时顶板应力。

3.4 应力场分布

为研究采空区下近距离煤层开挖后的应力场分布状态，采用comsol模拟软件构建相似模型。模型走向长度400 m，工作面长度149.5 m，从上至下分为4层，上部采空区及可采煤层高度为17.98 m下部煤层顶板厚度为20 m，底板厚度4 m，见图6.

图6 顶板变形特征点图

如图7、图8、图9所示分别为原始应力状态以及开挖100 m及150 m围岩应力场分布。可以发现采空区下煤层不受采动影响时垂直方向应力分布为线性分布，说明顶板上采空区形成新的受力平衡可以传递应力，在原始应力平衡状态下地板承托上部岩石，水平方向应力分布较为均为。开挖100 m后采空区正上方出现拱形应力集中区域，新采空区上部顶板应力集中明显，工作面前方顶板出现小范围应力集中区域。由于顶板应力分布类似压力拱形结构，本煤层采动起止点作为压力拱两端支点同样出现小范围应力集中现象。随着开挖距离的增加，新采空区上部拱形应力集中区及工作面前段顶板应力集中区进一步扩大，集中区内应力增大，本煤层两端应力集中区变化较小。顶板压力拱两端中间部分由于受压严重往往最先发生破坏，两端支点处应力向下传递形成了拱形的应力分布状态。开挖150 m后，采空区顶板中部应力集中现象增强，拱形应力分布范围增加，全范围内应力均提高，可以发现随着采动范围的增大，采空区顶板及前后两端由于应力集中最先发生破坏。

图7 原始应力状态

图8 开挖100 m应力分布状态

图9 开挖150 m应力分布状态

总体来说，本煤层采动引起的采动影响引起了采空区下煤层顶板的应力集中，顶板上覆采空区可以传递压力但强度不高，因此随着下层顶板应力集中发生破坏顶板往往更大范围垮落。

4 结 语

1) 老顶初次来压时，近距离煤层采空区下的工作面的初次来压步距小于上层工作面；周期来压时，近距离煤层采空区下层工作面对应的来压步距和持续长度小于其上层的工作面，且较上层的工作面，下层工作面对应来压期间支架工作阻力和动载系数变化更大。

2) 相对于上位煤层常规工作面，下位煤层工作面矿压呈现明显的非周期性特征，矿压显现与上覆岩层结构及其运动密切相关，上覆近距离煤层开采对下覆煤体具有明显的卸压作用。

3) 采空区下煤层开挖后，采空区顶板中部受压严重，两端应力向下传递形成了拱形的应力分布状态，随着开挖距离的增加，拱形范围逐渐扩大。