某礦近距離淺埋煤層房采區下層煤開采巖層運移分析

張華偉

(山西汾西礦業(集團)有限責任公司雙柳煤礦)

某礦為典型的侏羅紀煤田淺埋多煤層群生產礦井[1-2]。隨著該礦2-2#煤層資源逐漸匱乏，目前礦井生產逐漸向其下部的3-1#煤層轉移。在3-1#煤層開采準備過程中，綜采工作面的合理布置受到2-2#煤層區段煤柱和房柱式采空區不同集中壓力的影響[3-4]。本研究針對3-1#煤層開采過程中的圍巖運移特征進行數值模擬分析，為該煤層安全回采提供可靠依據。

1 工程概況

某礦綜采工作面主采3-1#煤層，其巷道均布置在該煤層中。3-1#煤層首采面為3301工作面，設計傾向長度200 m，走向長度2 260 m[5]。3301工作面的推進需經過其上部2-2#煤層3類區域：①未采動區，位于房柱式開采區域東部到井田開采邊界處，走向長度為418 m；②房柱式采空區，位于2306工作面東側133～550 m區域，位于2306工作面和未采動區之間，房柱式開采區域走向長度為195 m，工作面長度為268 m；③2306長壁開采區，2306工作面長度為268 m，采高4 m，走向長度為1 820 m[5]。

2 試驗方案

試驗內容為：①2-2#煤層采用房柱和長壁開采方式，3-1#煤層采用長壁開采方式，模擬分析3-1#煤層工作面在房區下開采時的頂板來壓特征；②模擬研究3-1#煤層在2-2#煤層房柱區下開采時上覆巖層的運動規律以及裂隙發育特征；③分析3-1#煤層長壁開采出上部2-2#煤層房柱式采空區間隔煤柱時的來壓特征。

結合該礦覆巖與煤層的實際條件，確定設計模型與實際的幾何比為1∶100，容重比為2∶3。試驗采用平面應力模型，模型長寬分別為5 m和0.2 m。本研究構建的試驗模型如圖1所示。基巖層上部較厚的風化層重量采用同等重量的鐵磚鋪設于其上部進行代替[6-7]。按設計要求在建模初期鋪設壓力傳感器，采用光學全站測量儀和百分表進行數據采集。

圖1 試驗模型示意(單位：cm)

3 試驗分析

3.1 工作面頂板來壓特征

為確保模擬試驗結果的準確性，按照該礦的實際生產條件進行模型搭建。模型搭建完畢后擱置數日，待風干后按照一定的時間比例進行試驗開挖。首先進行2-2#煤層140 m房柱區和100 m長壁采動區開挖。模型左右兩側均留設30 m邊界煤柱，工作面由左至右進行推進。

當工作面推過2-2#煤層未采動區后進入140 m的房柱采空區范圍，當開挖進入房柱采空區10 m處時，頂板再次垮落，即進入房柱采空區的第1次頂板來壓。期間垮落8層巖層，厚度為12 m，破斷角約55°。裂隙發育至距離3-1#煤頂板62.5 m處，來壓步距為13.5 m。

裂隙隨著工作面的推進逐漸向上發育至2-2#煤層未采區，導致2-2#煤層與其頂板發生整體下沉，由于受工作面超前應力及上覆巖層重量的雙重影響，煤柱開始出現塑性變形，試驗開挖過程中沿工作面方向前2個煤柱兩側有明顯的掉渣現象。

隨著3-1#煤層工作面不斷向前推進，頂板隨采隨落。當開挖至房柱采空區下24 m時，頂板再次來壓，即老頂在房柱采空區下的第2次周期性來壓，來壓步距14 m，破斷角約60°。裂隙發育至距離2-2#煤層房柱采空區邊界8.5 m處，房柱采空區內前方煤柱發生失穩破壞，間隔一段時間后，失穩的煤柱無法承受上覆巖層重量，2-2#煤層上覆巖層出現下沉，距房柱采空區與未采區邊界42.2 m處出現超前裂隙并沿此垮落，超前裂隙角約62°，從而導致沿下煤層工作面推進方向的連續7個煤柱發生剪切破壞，出現煤柱群的“多米諾骨牌”失穩效應。

當工作面推進至房柱采空區下36 m時，房柱采空區下老頂發生第3次周期來壓，巖層沿工作面后方破斷，破斷角約69°，來壓步距為12 m，裂隙超前發育至距工作面水平距離1.2 m處的2-2#煤層底板。當工作面開挖至房柱采空區下54 m時，房柱采空區下老頂發生第4次周期來壓，直接頂首先冒落，冒落高度為2 m，長度為9 m，隨后整體垮落，來壓步距為18 m，巖層破斷角約53°。當工作面推進至房柱采空區下60 m時，頂板發生冒落，冒落高度為0.8 m。2-2#煤層上覆巖層頂板出現臺階下沉。前8個煤柱被全部壓碎，頂板垮落距為40.2 m。沿工作面方向前端垮落裂隙貫通至地表，垮落角度約為58°，后端裂隙發育高度達12 m，裂隙角約59°。當工作面開挖至房柱采空區下72 m時，房柱采空區下發生老頂第5次周期來壓，懸露的頂板垮落，垮落高度為7.2 m，垮落角約70°，來壓步距為18 m。巖層裂隙繼續向上發育，9#～12#煤柱發生了剪切破壞。

當工作面開挖至房柱采空區下86 m時，老頂發生第6次周期來壓，來壓步距為14 m。工作面后方頂板垮落長度為10 m，裂隙發育至2-2#煤層14#煤柱處，垮落角為58°。2-2#煤層上覆巖層裂隙繼續向上和向前發育，再次導致煤柱群出現“多米諾骨牌”失穩效應，頂板整體垮落，破斷角為59°，出現第2次臺階下沉，14#煤柱發生剪切破壞。當工作面開挖至房柱采空區下102 m時，老頂發生第7次周期來壓，來壓步距為16 m，破斷角為60°，2-2#煤層上覆巖層出現斷裂臺階，10 m煤柱發生小范圍的剪切破壞。

當工作面開挖至房柱采空區下114 m時，老頂發生第8次周期來壓，來壓步距為12 m，垮落角為70°，7 m煤柱以45°角發生剪切破壞，緊隨其后的4個煤柱全部發生失穩破壞。2-2#煤層頂板超前3-1#煤層工作面8 m發生破斷，破斷角為70°，其上覆巖層內部產生斷裂臺階。當工作面開挖至房柱采空區下126 m時，房柱采空區下老頂發生第9次周期來壓，來壓步距為12 m，破斷角為55°。2-2#煤層房柱采空區裂隙發育至15 m間隔煤柱邊界，頂板產生彎曲下沉。

3.2 房柱采空區下開采覆巖裂隙發育狀態特征

受3-1#煤層采動影響，2-2#煤層房柱采空區遺留煤柱遭受失穩破壞，加之房柱式采空區的影響，覆巖裂隙范圍將進一步擴大。在整個房柱區下，隨著工作面不斷向前推進，采場周圍頂板發生周期破斷，形成了裂隙超前發育區；2-2#煤層房柱采空區與未采區邊界上方的巖層處于頂板斷裂邊界，隨著3-1#煤層工作面的采動影響，在一段時間內產生的裂隙不會閉合，形成的與工作面成一定傾角的裂隙區，稱為裂隙暫時發育區；隨著工作面向前推進，其后方采空區達到充分采動，3-1#、2-2#煤層已采段上覆巖層之間的裂隙基本被壓實，該區域稱為裂隙壓實區。在裂隙發育區與壓實區之間，覆巖裂隙趨向于閉合狀態，形成了傾斜于工作面推進方向的裂隙閉合區。因此，沿工作面由左至右的推進方向，覆巖裂隙發育區可分為裂隙暫時發育區、裂隙閉合區、裂隙壓實區和裂隙超前發育區(圖2)。

圖2 房柱采空區下開采覆巖裂隙區分布

3.3 工作面采出間隔煤柱時的頂板來壓特征

當3201工作面開挖至間隔煤柱下方時，通過觀測發現工作面并無明顯的礦壓顯現。當工作面采出上層2-2#煤層間隔煤柱后，進入充分采動區下8 m時，工作面上覆巖層出現整體下沉，沿著工作面煤壁突然切落，礦壓非常強烈，地表下沉4.3 m；3-1#煤層上方裂隙超前工作面4.5 m發育，破斷角約65°，上覆巖層整體在垮落過程中發生錯動剪切破壞，形成了6 m寬的破碎帶。

3201工作面向前推進過程中，間隔煤柱附近的2-2#煤層上覆關鍵層巖塊之間以及長壁采動區垮落巖塊之間的縫隙逐漸閉合，表明關鍵巖塊之間發生了回轉運動，當兩巖塊回轉到一定程度時，致使傳遞到下部關鍵層的載荷過大，下部關鍵層的破斷巖塊形成的鉸接結構發生滑落失穩，最終造成下煤層關鍵塊體上載荷急劇增加，整個過程的持續時間非常短暫。

3.4 房柱采空區下開采礦壓規律

3201工作面推進過程中，工作面前方出現了支承壓力區，上下2層煤層之間存在較大間距，模型傳感器顯示的壓力變化較明顯。當工作面推進至房柱采空區下時，老頂處于周期來壓期間，由于上部2-2#煤層采用房柱式開采，當工作面推進進入房柱采空區24 m ，即在房柱采空區下發生第2次周期來壓時，2-2#煤層煤柱發生了失穩破壞，上覆巖層中的應力得到一定程度釋放，位于3-1#煤層底板上的壓力傳感器數據顯示房柱采空區下的壓力比初始值有所減小，而在工作面煤壁前方的應力集中程度增加，出現峰值。當工作面推進進入房柱采空區36 m時，房柱采空區下老頂發生第3次周期來壓。

隨著工作面繼續推進，房柱采空區壓力的變化規律為先減小后增加，主要表現為開采過程中底板首先卸壓，然后隨著上覆巖層的垮落壓實壓力逐漸增加。當工作面推進進入房柱采空區86 m時，老頂發生第6次周期來壓。

下煤層工作面依次向前開挖的過程中，房柱采空區下老頂也逐次發生周期性來壓，來壓期間3-1#煤層底板壓力峰值均在35 kPa左右。當工作面開挖出間隔煤柱8 m時，頂板大面積切落，上覆巖層壓力突然釋放，造成工作面壓架事故。工作面煤壁前方應力集中增加，應力約為上述周期來壓時1.6倍，應力集中程度相對較高。此時壓力傳感器數據變化如圖3所示。

圖3 工作面開挖出間隔煤柱8 m時的頂板壓力分布

下煤層工作面在房柱區下開采時，在前段小煤柱集中區域中，工作面老頂連續發生周期性來壓，來壓過程中礦壓顯現較明顯，工作面實際生產過程中需要增加支架的支護強度。當工作面開挖出間隔煤柱8 m時，頂板發生大面積切落，礦壓顯現強烈，上覆巖層應力瞬間被釋放，造成工作面支架受壓嚴重，甚至被壓死，在工作面煤壁前方形成了較大的應力集中，峰值與其他次周期來壓時相比明顯加大，開采難度相對增大。因此，與淺埋單一煤層相比，近距離淺埋煤層工作面在房柱區下開采時，工作面支護需要增加液壓支架的工作阻力，提高支護強度，必要時應采取有效卸壓措施預防頂板災害事故發生。

4 結 論

(1)在3-1#煤層工作面推進至房柱區下直至推出房柱區的過程中，老頂共發生9次周期來壓，平均來壓步距約15 m，小于未采區下來壓步距，由于受到上部房柱采空區殘留煤柱在底板巖層中形成的應力集中作用，來壓強度相比在未采動區下大。煤柱失穩破壞引起2-2#煤層上覆巖層下沉垮落，裂隙超前發育，最終可能誘發煤柱群的“多米諾骨牌”失穩效應，巖層發生垮落并出現下沉臺階。

(2)3201工作面采出15 m間隔煤柱時，2-2#煤層上覆關鍵層巖塊之間發生回轉運動，使傳遞到下部關鍵層的載荷過大，形成的鉸接結構發生滑落失穩，覆巖整體沿工作面煤壁破斷線切落，積聚的能量得到突然釋放，造成工作面支架被壓死等動力災害。

(3)沿著3201工作面的走向方向，隨著采場上覆巖層的運動，裂隙發育區可劃分為裂隙暫時發育區、裂隙閉合區、裂隙壓實區和裂隙超前發育區。

(4)3201工作面采出15 m間隔煤柱時，2-2#煤層上覆關鍵巖塊的回轉失穩是造成工作面發生動壓事故的原因之一。