近距离煤层综放面矿压显现特征模拟与观测

史宏宝

（山西铺龙湾煤业有限公司，山西 大同 037100）

我国多数地区都赋存有近距离煤层，由于上覆煤层开采后围岩的应力集中现象将制约下层煤工作面开采，并且矿压显现特征与单一煤层开采有着较大不同，顶板事故发生的可能性增大，对矿井的安全生产形成一定的制约[1-3]。目前许多学者对近距离煤层矿压规律进行了大量研究，但多以经验总结、数值模拟和相似模拟研究为主[4-6]。针对近距离煤层开采矿压显现特征，本文以铺龙湾煤矿8103 工作面条件为背景，采用理论分析、现场实测方法，对上覆煤层采空区下工作面上覆岩层的矿压显现特征进行了研究，为本矿井其他类似条件工作面开采提供参考。

1 工程背景

铺龙湾煤矿8103 工作面位于八一采区东部，开采8#煤，煤层厚度平均6.2 m，煤层倾角平均2°，工作面煤层埋深平均为260 m。工作面北部为8#煤层首采8101 回采工作面，南部为8#煤层实煤区，西部为盘区大巷。8103 工作面倾向长度为150 m，可采长度为840 m，上覆5103 工作面采空区。5103 工作面开采煤层为5#煤，煤层厚度平均为9.1 m，与8#煤层间距为18.3～24.6 m，于2015 年8 月回采结束，工作面采用综合机械化放顶煤开采方式。

2 覆岩结构特征模拟分析

建立物理相似模型，通过试验判断采场覆岩结构变化特征，模型如图1 所示。从图1（a）中可以看出，下伏煤层工作面推进过程中，工作面初次来压时的推进度对应为35 m，其顶板呈现不规则梯形结构，顶板垮落高度平均为6.5 m，梯形两垮落角分别为49°、50°，顶板垮落长度为25～30 m。从图1（b）可以看出，当工作面推进度至达到47 m时，顶板垮落岩层与上覆煤层采空区导通。此时梯形结构发生变化，两垮落角增大为62°、65°，顶板垮落高度平均为14.5 m。同时，模拟结果表明，下伏煤层采面开采过程中，周期来压步距平均为19 m。

图1 破断顶板层运动特征

为有效确定顶板岩层位移特征，在模型顶板岩层中布置监测点，监测位移变化。监测点共布置7 组，每组数量为10 个，利用全站仪记录工作面开采过程中的监测点变化信息，其中A～G 为未开采时各监测点的初始高程，a1～g1 代表开采后监测点的高程，监测结果如图2 所示。从图中可以看出，下伏煤层采面推进过程中，顶板岩层的运移体现出下层大于上层特点，上覆煤层采面开挖后，顶板下沉量对应为3.4 m；下伏煤层采面开采后，顶板下沉量对应为4.9 m。

图2 测点高程变化曲线

综上所述，下伏煤层开采后，两煤层中间岩层逐步断裂，与上覆煤层采空区顶板导通，使得顶板垮落结构进一步扩大，形成大的顶板垮落梯形结构。

3 工作面矿压特征现场实测

为掌握工作面上覆岩层运动、支承压力分布变化规律，分析工作面在不同情况下的来压特征，对5103、8103 工作面支架阻力、支架受力特征、来压特征进行了实测分析。

5103、8103 工作面均采用KBJ-60Ⅲ-2 压力检测仪监测支架工作阻力，工作面内共布置5 个测区，15 个测点，其中2#、9#、16#布置第一测区，23#、30#、37#布置第二测区，44#、51#、58#布置第三测区，65#、72#、79#布置第四测区，86#、93#、98#布置第五测区。

（1）工作面初次来压分析

5103、8103 工作面初采期间支架工作阻力分布如图3 所示，从图中可以看出，5103 的工作面初次来压步距约为32 m，来压时支架工作阻力在6 000～7 000 kN 范围内；8103 工作面初次来压步距约为24 m，来压时支架工作阻力在9 000～10 000 kN 范围内。该结果表明，8103 综放工作面初次来压步距小于5103 综放工作面的来压步距，初次来压强度大于5103 工作面的来压强度。

图3 工作面初次来压期间支架工作阻力分布

（2）工作面周期来压分析

5103、8103 工作面推进度在100～200 m 时支架工作阻力分布如图4 所示。从图中可以看出，5103 工作面期间共发生4 次周期来压，来压步距在20～25 m 范围内，来压时段支架工作阻力在7 000～8 000 kN 范围内，工作面来压时出现多处片帮，液压支架多数安全阀频繁开启，顶板存在漏矸现象。8103 工作面期间共发生5 次周期来压，来压步距在14～22 m 范围内，来压时段支架工作阻力在9 000～12 000 kN 范围内，工作面来压时出现多处片帮，顶板较破碎，液压支架多数安全阀频繁开启。

图4 支架工作阻力分布

现场实测数据与现场矿压显现结果表明：老顶初次来压时，8103 工作面的初次来压步距小于5103 工作面； 周期来压时，8103 工作面对应的来压步距和持续长度小于5103 工作面，且较8103工作面，5103 工作面对应来压期间支架工作阻力和动载系数变化更大。

2.2 超前支承压力实测分析

为确定近距离煤层开采与单一煤层开采工作面超前支承压力分布规律的差异，在5103、8103 工作面运输巷道各设置了1 个超前支承压力测站，每个测站分别安设7 组钻孔应力计，间距为5 m，深度为15 m。

分析8103 采面开采超前支承压力分布曲线可知，工作面超前支承压力与距迎头煤壁的距离相关，各钻孔支承压力趋势分布基本相同，峰值有所差异。当钻孔应力计与工作面煤壁距离在35～45 m 范围内时，应力缓慢增长； 当距离在15～24 m 时，应力增长速度加快；当距离减小至4～9 m 时，应力达到顶峰；当距离继续变小至0 时，应力迅速降低，如图5（a）所示。

图5 超前支承应力分布

分析5103 采面开采超前支承压力分布曲线可知，工作面开采超前支承压力与8103 面趋势基本相同。当钻孔应力计与工作面煤壁距离在20～40 m 范围内时，应力缓慢增长；当距离在9～19 m时，应力增长速度加快；当距离减小至3～8 m 时，应力达到峰值；当距离继续变小至0 时，应力迅速降低，如图5（b）所示。

图5（a）中各曲线峰值强度平均为10.7MPa，峰值距工作面位置平均为5.1 m，应力集中系数平均为2.6，超前影响范围为34.4～46.3 m，工作面前方煤体支承压力基本稳定于3.7MPa。图5（b）中各曲线峰值强度平均为11.8 MPa，峰值距工作面位置平均为5.3 m，应力集中系数平均为2.5，超前影响范围为20.6～37.2 m，工作面前方煤体支承压力基本稳定于4.5 MPa。

根据8103 面与5103 面开采超前承压力监测结果，其超前支承压力趋势基本相同。8103 面开采时，超前支承压力影响范围更大，支承压力峰值点距工作面距离基本不变，峰值强度和原岩应力值均明显降低，说明上覆煤层开采对下伏煤体具有明显的卸压作用。

4 结论

通过对8103 工作面上覆岩层矿压显现特征的研究，得到如下结论：

1）下伏煤层开采后，煤层中间岩层逐步断裂，与上覆煤层采空区顶板导通，顶板垮落结构进一步扩大，形成大的顶板垮落梯形结构。

2）下伏煤层初次来压步距与周期来压步距小于上覆煤层，来压时支架工作阻力与动载系数比上覆煤层更大。

3）上覆煤层开采后对下伏煤层有明显卸压作用，上覆煤层与下伏煤层开采超前支承压力趋势基本相同，压力峰值强度和原岩应力值明显降低。