淺埋房式采空區下煤層長壁綜采礦壓規律研究＊

王方田 陳 芳 白慶升 王 沉

（1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116）

淺埋房式采空區下煤層長壁綜采礦壓規律研究＊

王方田1，2陳 芳1，2白慶升1，2王 沉1，2

（1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116）

根據溫家梁三號煤礦地質生產條件，采用理論分析、數值模擬及現場實測等方法，分析了淺埋房式采空區下綜采長壁工作面礦壓規律。結果表明：工作面充分采動后覆巖呈現冒落帶與裂隙帶的“兩帶”發育特征；在工作面來壓期間出現頂板沿支架前方煤壁處切落現象，臺階下沉量高達1.0m，在地表形成斷裂地塹。

淺埋煤層 房式采空區 綜采長壁工作面 臺階下沉 礦壓規律

淺埋煤層具有埋藏淺、基巖薄、上覆厚松散砂土的賦存特征，與一般煤層開采相比，淺埋煤層長壁開采頂板不易形成穩定的結構，容易出現整體切落式頂板破斷及頂板臺階下沉。神東礦區煤層埋藏淺、地質條件簡單，在進行大規模開發之前多采用房式或刀柱式開采，該方法以留下煤柱或充填后的煤房來支撐頂板，防止地表沉陷，煤炭采出率不足40%，不僅造成大量煤炭資源浪費，而且形成大面積煤房采空區和殘留煤柱，采空區殘留煤柱形成局部應力集中，對下方煤層開采造成不利影響。隨著開采強度不斷加大，神東礦區部分區域第一層主采煤層已基本開采完，開始回采第二層主采煤層。目前針對淺埋煤層做了大量礦壓規律模擬與實測分析，而在房柱式采空區影響下，主要針對采動覆巖變形破壞、巖體彈性能聚集造成沖擊式來壓和壓架機理、地表裂隙發育規律等進行了研究，總體上對淺埋房柱式采空區下煤層開采礦壓規律研究較少。隨著國家能源戰略向西部地區的轉移，類似條件下的煤層將逐漸增多。因此，研究淺埋房式采空區下煤層綜采面礦壓規律具有重要意義。

1 地質概況

烏蘭集團溫家梁三號煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗，侏羅系中下統延安組為礦區主要含煤地層。其中，3－2煤層厚1.9～4.4m，平均3.2m，煤層結構簡單，不含夾矸，為全區可采的較穩定煤層。頂底板巖性以砂質泥巖為主，與4－2煤層間距34.0～37.9m，平均36.0m。3－2煤層已按采6m留6m房式采煤法開采結束，形成了房式采空區及遺留煤柱。4－2煤層厚2.3～3.2 m，平均3.0m，煤層結構簡單，不含夾矸，賦存穩定，頂板以粉砂質泥巖、細粒砂巖為主，底板為泥質粉砂巖。4－2煤層頂底板巖層狀況如圖1所示。

圖1 煤巖綜合柱狀圖

14203工作面為4－2煤層第3個長壁綜采工作面，工作面走向長1328.0m，傾斜長184.5m，工作面標高約＋1215.0m，地面標高約＋1311.7 m。該工作面南部為井田邊界，東部為已經采完的14202綜采工作面，西部為14204工作面（待采），北部為回風大巷、運輸大巷及輔運大巷。工作面采用單一走向后退式長壁開采工藝，選用MG150／368－WD型電牽引雙滾筒采煤機落煤及ZY6000／15／33型支撐掩護式液壓支架管理頂板。14203綜采工作面布置如圖2所示。

圖2 14203綜采工作面布置圖

2 頂板來壓數值計算分析

2.1 頂板來壓步距計算

在老頂初次來壓之前可以把老頂簡化為一個兩端固支的固定梁，老頂來壓之后可看作是由兩端固定梁彎折而后形成兩個塊體咬合的三角拱式結構，老頂的周期來壓步距按懸臂梁折斷來確定。為此，初次來壓步距Lf和周期來壓步距Lp分別為：

式中：h——老頂厚度，19.1m；

RT——老頂抗拉強度極限，3.3MPa；

q——老頂及老頂上部巖體對老頂的作用力，通過逐層驗算得1.95MPa；

由式（1）和式（2）計算可知：4－2煤層開采初次來壓步距Lf約35.2m，周期來壓步距Lp約14.3m。所以難以形成大面積突然垮落，不會造成沖擊礦壓災害。

2.2 數值模擬分析

采用UDEC離散元程序進行淺埋房式采空區下煤層開采模擬分析，該模型采用莫爾－庫侖（Mohr－Coulomb）材料本構模型，模型尺寸為250m×104m。

模型沿工作面走向每10m開挖一次，并且開挖10m后立即用支架支撐，支撐長度4.8m，共推進150m，頂板垮落及裂隙發育情況如圖3所示。

由圖3可知：開采10m時，直接頂0.4m泥巖隨采隨冒；開采20m時，直接頂1.0m砂巖垮落，裂隙繼續向老頂發育；開采30m時，直接頂完全垮落，老頂出現離層并有較大下沉；開采約40m時，老頂出現初次垮落，垮落高度約為12m，頂板裂隙發育范圍較大，已與3－2煤層采空區貫通，因此應加強探測并采取有效措施防止3－2煤層采空區水、CO等有害氣體通過采動裂隙進入下煤層。4－2煤層推進40m之后每開挖10～20m，老頂出現周期性垮落，工作面老頂周期來壓步距15 m左右。工作面推進過程中覆巖裂隙發育特征如圖4所示。

圖3 頂板垮落情況與裂隙發育情況

圖4 覆巖裂隙發育分區特征

隨著工作面的開采，工作面上方巖層及前方約20m范圍煤巖體內形成新的裂隙。隨著工作面的進一步開采，工作面后方約40m以外垮落巖體逐漸被壓實，工作面采空區上方最終形成的冒落帶高度約12m，裂隙發育高度88m左右，裂隙已發育至地表，呈現冒落帶與裂隙帶“兩帶”豎向裂隙發育特征。工作面切眼和收作眼處，存在較大范圍裂隙。受4－2煤層采動影響，3－2煤層房式采空區遺留煤柱失穩破壞，由于房式采空區的影響，覆巖裂隙范圍進一步擴大。沿工作面推進方向形成了超前裂隙發育區、活動裂隙區、重新壓實區及切眼側裂隙區4個區域。

根據模型所設的應力及位移監測線，可得不同推進長度時，4－2煤層直接頂處豎直應力及位移變化，如圖5所示。

由圖5可知：（1）工作面超前豎直應力隨工作面的推進而不斷前移，工作面前方應力集中系數為3.5～5.2，應力集中系數較大，峰值點距工作面一般為10～15m，局部達到20m，超前應力影響范圍為20～40m。工作面開采距離超過120m后，工作面后方50m以外的破碎巖體被重新壓實。工作面開采完畢后，兩側豎向最大應力集中系數3.0左右，距離工作面15m左右。（2）直接頂在工作面推進20m左右時斷裂垮落，隨工作面繼續推進，老頂出現離層下沉，工作面開采至30～40m時，老頂斷裂。工作面開采至120m時，監測到的豎直位移達到最大值3.0m。工作面回采過程中，中部巖層逐漸彎曲下沉，在工作面中部形成沉陷“盆地”。

圖5 不同推進長度時應力及位移變化

3 礦壓顯現規律現場實測分析

在14203工作面液壓支架安裝礦壓監測儀表，以便及時預測預報頂板來壓規律。從2011年6月1日試生產至2011年11月20日，工作面共推進了562m。礦壓監測分為上、中、下3個測區，其中下部以10＃、20＃、30＃支架為代表，中部以50＃、60＃、70＃支架為代表，上部以100＃、110＃、120＃支架為代表。

3.1 沿工作面走向礦壓顯現規律

以工作面10＃、70＃及120＃支架為例，隨工作面推進，支架工作阻力變化曲線如圖6所示。

圖6 隨工作面推進支架工作阻力變化

由圖6可知，工作面老頂初次來壓不明顯，主要是現場采用了切眼強制放頂措施，避免了頂板大面積來壓造成沖擊災害。周期來壓步距平均14.6m，支架總體平均工作阻力4829.4kN，其中來壓期間支架平均工作阻力為5233.9kN，支架最大工作阻力達到6752.3kN，非來壓期間支架平均工作阻力4424.9kN，來壓期間平均動載系數達到1.18，中部最大達到1.23，呈現中部大兩端小的特征。此外，在工作面來壓期間出現頂板沿支架前方煤壁處臺階下沉，最大時下沉量達到1.0m，在地表形成斷裂地塹，表明頂板未形成穩定鉸接結構。

3.2 支架工作阻力頻度特征分析

工作面連續推進約550m后，統計上、中、下部測區支架平均工作阻力頻度特征如圖7所示。

圖7 支架平均工作阻力頻度分布圖

從工作阻力頻度分布直方圖可知支架工作阻力分布總體較為合理，但富余系數較小。以中部為例，支架工作阻力在4000～6000kN的占78%，但仍有6%的支架工作阻力超過了額定工作阻力6000kN。中部支架來壓時平均工作阻力達到5680.5kN，支架最大工作阻力達到6752.3kN，現場觀測發現支架密封圈出現漏液現象，并出現支柱壓毀事故。因此為了防止大面積來壓時導致中部支架壓架損毀現象，建議下個工作面配套額定工作阻力大于6800kN的支架。

4 結論

（1）老頂出現初次垮落后，頂板裂隙發育范圍已與3－2煤層房式采空區貫通，應加強探測并采取有效措施防止3－2煤層采空區水、CO等有害氣體通過裂隙進入下煤層工作面。

（2）淺埋房式采空區下煤層長壁開采充分采動后，覆巖裂隙已發育至地表，呈現冒落帶與裂隙帶的“兩帶”豎向裂隙發育特征。沿工作面走向形成了超前裂隙發育區、活動裂隙區、重新壓實區及切眼側裂隙區4個區域。

（3）現場觀測表明，工作面支架工作阻力呈現中部大兩端小的特征，在工作面來壓期間出現頂板沿支架前方煤壁處切落現象，臺階下沉量高達1.0m，在地表形成斷裂臺階，表明頂板未形成穩定鉸接結構。

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［9］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003

Study on strata behavior law in fully mechanized longwall mining face in the shallow coal seam beneath gob induced by room－mining

Wang Fangtian1，2，Chen Fang1，2，Bai Qingsheng1，2，Wang Chen1，2
（1.School of Mining Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

According to the geological and mining conditions of No.3mine in Wenjialiang colliery，the methods of theoretical analysis，numerical simulation and field observation have been employed to study the strata behavior law in the fully mechanized longwall mining face in the shallow coal seam beneath the gob induced by room－and－pillar mining.The results indicate that caving zone and fractured zone emerge in the overlying strata after complete mining.There have roof fracturing and falling along the coal wall before the supports during the periodic weighting in mining face.The bench subsidence is around 1.0meter，which results in the fracture graben in the Earth surface.

shallow coal seam，gob induced roommining，fully mechanized mining longwall mining face，bench subsidence，strata behavior law

TD323

A

江蘇省研究生科研創新計劃資助（CX10B＿148Z）；江蘇省高校優勢學科建設工程資助項目

王方田（1985－），男，河南永城人，博士研究生，主要從事采礦方法、礦壓規律及巖層控制方面的研究。

（責任編輯 張毅玲）