近距離煤層開采礦壓及覆巖運動規律研究

武雪紅

(山西省陽泉煤業集團翼城華泓煤業有限公司，山西臨汾 043500)

0 引言

在開采近距離煤層下分層時，上層殘留煤柱往往對下分層煤產生了應力集中，這種情況將導致下層工作面覆巖結構發生變化，礦壓及覆巖運動規律也發生相應變化。這些變化對下層采煤工作面的順槽布置、工作面推采等提出了新的要求。研究上覆巖層壓力變化，對下層煤層安全開采具有重要意義。

1 工程概況

為了更好地研究淺埋深近距離煤層礦壓及覆巖運動規律，文中選擇將納林廟煤礦1號井作為研究對象。1號井第一個開采的綜采工作面為6－2煤層，該煤層的傾向與走向長度分別為165 m、1 700 m，煤層厚度在2．5～3．6 m 之間，平均采高2．6 m，煤層傾角在1°～3°之間。煤層直接底是砂質泥巖，屬于層狀結構，平均厚度約1．5 m。6－2上煤層與6－2煤層間距在2．21 ～3．35 m 之間，6－2上煤層工作面已經開采結束，平均采高為2．1 m。6－2上煤層底板巖性為砂質泥巖、泥巖以及粉砂巖。直接頂巖性是砂質泥巖，厚度為12．77 m，工作面上部的巖性為細砂巖，厚度約為13 m，脈狀層理及波狀層理，由長石與石英構成，其中還存在少量暗色礦物。1號井采用走向長壁后退式綜合機械化采煤方法，上層遺留煤柱的寬度15 m，工作面初期的布置方式采用內外錯結合的方法，回風巷選用內錯布置，內錯集中煤柱距離為10 m，回風巷兼做運輸巷［1］。

2 近距離煤層礦壓顯現規律

2．1 巷道礦壓

工作面巷道初期布置于上覆集中煤柱正下部，利用錨網索支護方式掘進195 m后，發現巷道圍巖發生了明顯塑性變形，巷道掘進端以及巷道兩幫的煤幫，最大片幫深度約3．0 m，巷道內部崩落噴出了部分煤塊，為掘進施工留下安全隱患。圖1為6－2上煤層開采后煤柱的應力分布圖，通過分析該應力分布圖，能夠明顯看出輔助運輸巷處在應力集中的區域。由于工作面巷道基本頂是厚度為13 m的細砂巖，基本頂具有極大的抗壓強度，可以把巷道工作面的上覆松散層荷載與自身荷載傳遞到煤柱處，增強了應力集中效果，而且煤層的抗壓強度又比較小，所以輔助運輸巷礦壓表現強烈［2］。

圖1 6－2上煤層開采后煤柱的應力分布圖

在該工程中，回風巷兩幫不支護，內錯距離10 m，頂板支護采用無腿架棚支護方式，經過現場的實際測量，發現巷道的變形量較小。在工作面回采過程中，巷道超前支護段的礦壓表現不明顯，觀測過程中，單體支護柱的壓力變化較為平緩，大部分情況下，支柱壓力都不超過10 MPa。通過監測回風巷煤柱的應力變化，在8月13日、19日、25日以及31日，對孔深為5 m與9 m的巷道，進行了應力監測，發現孔深為5 m時，13日、19日、25日、31日內錯煤柱的應力分別為:7．0 MPa、6．8 MPa、6．9 MPa、7．0 MPa，當孔深為9 m時，內錯煤柱的應力分別為:5．6 MPa、5．6 MPa、5．5 MPa、5．6 MPa。為了清楚觀測內錯煤柱的應力變化，繪制了內錯煤柱應力監測曲線，發現在回采過程中，內錯煤柱內應力無明顯變化，工作面巷道的側向支承壓力表現出逐漸減小的趨勢［3］。

2．2 工作面礦壓

為了判斷頂板壓力的變化趨勢，共設置了11臺支架壓力記錄儀，測量總長度480 m。在觀測過程中，工作面第一次來壓步距為26．4 m，但工作面的周期均值遠小于第一次來壓步距，只有11．5 m，工作面的動載系數為1．27，工作面片幫冒頂的現象不是很明顯。通過擬合計算，對支架工作阻力的三維等值線進行了觀測。觀測結果顯示，工作面的來壓具有周期性特點，但是工作面的來壓峰值不明顯，工作面整體的來壓數值較小，頂板位置處的來壓呈現逐漸減小的趨勢［4］。

除此之外，匯總了生產工作面的過程中，支架的平均工作阻力，見表1。

表1 支架平均工作阻力

觀察支架平均阻力表可以明顯看出，除了2#支架以外，其它沒有較大的數值差異，這說明工作面頂板的整體壓力大小接近，所有區域的差異不顯著。除此之外，還可以發現工作面的3個高壓區，分別位于12#支架處、42#支架處以及92#支架處，這說明高壓區處在工作面的中間區域，工作面兩端受頂板旋轉偏載的影響較大，旋轉支承區壓力最為顯著［5］。

3 淺埋深近距離覆巖運動規律

圖2是6－2上煤層開采后的覆巖運動示意圖，借助此圖，分析6－2煤層工作面開采前的頂板賦存狀態。

圖2 6－2上煤層開采覆巖運動示意圖

在此工程中，6－2上煤層的開采厚度平均值為2.10 m，上覆頂板是細砂巖與砂質泥巖，其中細砂巖的厚度為12．00 m，砂質泥巖的厚度為12．77 m，假設砂質泥巖的膨脹系數為1．5，那么6－2上煤層在開采后，上覆巖層垮落填充采空區需要的巖層高度約為4．2 m，由于上覆頂板砂質泥層的厚度為12.77 m，該砂質泥巖抗壓強度較小，隨采隨冒。對6－2上煤層進行完全充填時，充填部分會形成破碎充填層，碎漲系數與充填層的厚度有關，在充填層被逐漸壓實的過程中，碎漲系數會逐漸減小，在砂質泥巖的上部，會形成部分運動空間，與下部垮落區隨動，由此產生隨動下沉層。6－2煤層的關鍵層與6－2上煤層上覆頂板處的細砂巖，共同組成了支承拱結構，該支承拱結構負責控制更上部，厚度在40～115 m之間的砂土、以及泥巖等抗壓強度較小的隨動松散層。因為一些直接頂可以完全充填采空區，且初期關鍵層的強度大、破壞甚微，所以關鍵層的結構具有穩定性，只會緩慢下沉，與下沉層相比，關鍵層的下沉速度較小［6］，因此會在層間產生縫隙與離層，也可稱其為“離層區”。

此外，由于砂質泥巖持續碎漲充填，采出的厚度有限等原因，在煤柱附近，關鍵層不會發生破斷，形成鉸接結構，偏載旋轉，因而加大了煤柱位置的應力集中程度。布置在離層區正下方的內錯巷道，處于低應力區，內錯巷道的壓力只受承載隨動松散層靜載的作用，礦壓顯現不明顯。外錯煤柱的巷道處于煤柱的高應力區域，承載著煤柱附近基本頂“離層區”的全部荷載，礦壓顯現十分明顯。因此，為了加快施工進度，可以選擇將外錯的輔助運輸巷轉變為內錯10 m的巷道。

4 結語

近距離煤層開采礦壓顯現較單一煤層有其特殊性，通過對不同的煤層頂板、底板及工作面壓力觀測，探索復合應力分布和覆巖運動規律，選擇合理的順槽布置方式，內錯式布置還是外錯式布置都是為了避免應力疊加，增強安全保障，從根本上提高煤礦開采效益。