復采工作面上覆巖層運移規律及力學分析

孫文棟

（山西省煤炭建設監理有限公司，山西 太原 030012）

煤礦開采是我國重要的資源經濟，對社會經濟影響深遠，是不可或缺的能源產業。殘余煤層的復采利用可以提高煤礦開采的效率，創造巨大資源效益。完成殘余煤層的復采需要克服很多地質因素，煤層松散導致的頂板破碎情況、礦壓情況以及液壓支架的情況都是影響殘余煤層復采的關鍵因素。近年來煤礦復采研究大多圍繞房柱法開采后進行研究，而關于普采作業形式的殘煤層研究較少，普采作業形成殘煤區地質結構復雜，頂板及煤壁垮落有可能引起冒頂、片幫等事故，不同區域的礦壓分布情況也不一樣，因此有必要對此種工作面上覆巖層運移規律和相應礦壓力學分析進行研究。

1 工作面上覆巖層運移規律

1.1 復采過程上覆巖層破壞情況

復采過程中頂板的控制，影響二次開采的安全性，因此必須分析普采作業后上覆巖層的破壞情況。一般來說采空區的上覆巖層垮落破壞程度可分為垮落帶、裂隙帶以及彎曲下沉帶，三個破壞層又稱縱三帶，如圖1所示。

圖1 上覆巖層破壞情況

采用普采作業后，縱三帶結構初步形成，開采后長期的擠壓作用使得縱三帶結構基本處于穩定狀態。復采的時候，采動作用將會使縱三帶的結構發生改變。垮落帶結構稀松，再次壓實作用下巖體碎脹系數降低，垮落帶復采時形成高度會增大，頂板在復采結束后會再度垮落，上覆巖層冒落加劇，導致部分裂隙層巖體失去穩定性甚至破碎。裂隙帶巖層經過開采后，巖體之間咬合作用減小，摩擦作用減弱，巖層完整性受到破壞，下部分巖層發生破壞變成垮落帶。彎曲下沉帶在采動作用下彎曲程度加深，有些巖層變為裂隙層，但其高度會受到關鍵層的作用而改變較小。

因此可知，復采作用下上覆巖層縱三帶高度都升高，垮落帶高度升高量最突出，上部裂隙帶的穩定性也會因采動而降低。

1.2 煤壁前方支承應力分析

復采過程中工作面支承壓力是控制頂板維護的關鍵要素，縱三帶的產生會改變上覆巖層的強度和斷裂情況，這與工作面支承壓力有必然的聯系。上覆層產生砌體梁結構，由煤壁、液壓支架和冒落矸石組成。上覆巖層通過砌體梁結構作用于工作面前方，煤壁前方支承壓力計算公式如下：

式中：

δ-上覆巖層容重，N/m3；

H1-彎曲帶高度，m；

σ1，σ2-分別為上覆巖層彎曲下沉帶支承壓力和彎曲帶下方巖層支承壓力，Pa；

α1、α2-煤壁彎曲帶前后的應力減小系數；

α3-彎曲帶下方煤壁應力減小系數；

P0-采空區附加載荷，N；

M0-采空區附加彎矩，N·m；

x-彎曲截面距離，m。

由上述計算公式可以分析出，支承壓力受到上覆巖層破壞程度影響較大，應力衰減系數α對垮落帶和裂隙帶影響顯著。進行復采時殘煤區上覆巖層破壞程度大，冒落矸石碎脹系數低，支架上覆層垮落程度大，巖層抗彎剛度減小，應力衰減系數提高，垮落帶和裂隙帶支承應力相應降低，高度增加，同樣可以得出進行復采時，縱三帶結構改變使得煤壁前方支承壓力值降低。

2 煤柱前方支承壓力分析

復采過程中，工作面經過殘采區及煤柱區，前者相對巖層松散，后者結構強度大，整機集中程度高，因此經過時支承壓力會變化顯著。為了控制復采過程中圍巖支架的穩定性，需要進一步對煤柱前方支承壓力進行分析。工作面到達煤柱區時，煤柱寬度降低，導致煤柱上方壓力分布出現改變。

（1）互不影響階段

當復采工作面初段到達煤柱后，殘留煤柱寬度大，工作面前方支承壓力與煤柱支承壓力互相無影響。工作面推進過程中，頂板長度增加，超前支承壓力漸漸升高，另外一側支承壓力沒有改變，兩邊支承壓力為非對稱馬鞍型分布，如圖2所示。

圖2 工作面前方支承與煤柱側無影響階段受力情況

（2）相互影響階段

工作面推進過程中，煤柱寬度漸漸變窄，兩邊支承壓力相互影響，形成疊加作用，疊加作用使得煤柱中間應力增加，隨煤柱寬度變窄內部應力也達到了極限，煤柱寬度此時為臨界寬度，巖體受力如圖3所示，應力形成平臺型分布。

圖3 煤柱兩側支承壓力影響階段受力情況

（3）壓力疊加煤柱失穩階段

回采過程中，煤柱寬度繼續變窄，兩側支承作用疊加，煤柱寬度低于臨界寬度時，承載水平下降，應力分布如圖4所示，當達到極限強度后，煤柱開始失去穩定性，失去支承作用，液壓支架承受壓力將急劇增加，因此應防止液壓支架的損壞現象發生。

圖4 煤柱失穩階段受力情況圖

3 復采工作面模擬分析

為了了解殘煤復采過程中的應力變化情況，應對殘煤復采進行模擬分析，本文以太原東山五龍煤礦3號煤殘采煤層為例，通過專用實驗臺架進行相似模擬實驗。該煤礦3號煤原煤層厚度平均7m，開采厚度3.5m，剩余底煤和頂煤厚度分別為2.3m和1.2m。相似實驗采用相似比為1∶30，分析結果如圖5所示。

圖5 復采工作面推進過程的覆巖垮落變化情況

由圖5可以看出，當工作面推進到20m時左邊出現垮落，殘采部分和煤柱產生分割線，梯形部分出現裂痕增大現象，一部分上覆巖層完全垮落，位于采空區；由圖5（b）可以看出，殘采巖層全部垮落，煤柱穩定性下降，邊緣下沉，支架后方垮落嚴重，頂板完全垮落；由圖5（c）可以看出，煤柱邊緣發生垮落，垮落占據了煤柱與殘采區之間區域。綜合可知，復采過程垮落帶與裂隙帶會增高，煤柱壓力比其他區域大，煤柱中部區域應力集中水平低于兩側，殘采部位支承壓力小，發生垮落時采空區載荷更為顯著。

4 結論

本文針對復采工作面推進過程，對工作面的巖層運移情況和液壓支架受力情況進行了分析研究。對上覆巖層復采過程中形成的垮落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶的變化情況作了理論分析，結果顯示此縱三帶在復采過程中高度明顯增加，煤壁前方支承壓力會降低。對復采過程煤柱受力情況進行了特征分析，得出工作面推進過程中隨著煤柱寬度的改變，煤柱的應力分布也發生了改變，且隨著寬度減小到極限值，煤柱支承也逐漸開始失去穩定性。對實際復采工作面進行了相似模擬分析，得出了覆巖垮落過程的變化特征，為復采過程中的上覆巖層穩定性管理研究提供了理論依據。