近距離煤層群上行開采超前支承壓力變化規律研究

宋增謀 孫 晴

（山東科技大學，山東 青島 266590）

我國近距離煤層分布廣泛，煤層間距較小使開采工作難以進行，為使煤炭資源安全合理采出，上行開采方法得到了一定研究和應用[1]。曲廣龍[2]等對受下部多次不均衡采動影響煤層上行開采技術進行研究，證明了上行開采的可行性。張勇[3]等通過UDEC 數值模擬軟件對趙各莊不同煤厚的煤層群上行開采進行模擬分析，研究了不同采厚的煤層上覆巖層運移破壞特征。目前對上行開采的研究大多數放在可行性的判定方面和覆巖破壞規律方面，對上行開采超前支承壓力影響規律和煤層間距對開采的影響研究不夠完善。基于此，本文通過數值模擬對下位煤層開采后支承壓力分布規律進行分析，對下位煤層開采完畢后上位煤層應力分布狀態展開研究，為近距離煤層安全開采提供了理論依據。

1 數值計算模型及開采方案

1.1 工程背景

鮑店煤礦六采區地質構造比較簡單，以褶曲為主，斷層較發育。六采區主要開采2、3 煤層。2 煤層局部可采，平均厚度0.91 m；3 煤層平均厚4.5 m，普氏硬度系數f=3.5，煤層間距30.5～40.5 m 不等，平均厚度34.4 m。3 煤頂板由灰和灰白色中砂巖、細砂巖、粉砂巖組成，比較穩定。2 煤頂板以粉砂巖、頁巖為主，局部為砂質泥巖，工作面內有斷層構造。

1.2 數值模型的建立

以六采區2、3 煤巖的賦存情況及相對位置為工程背景，以6208 和6308 工作面為研究對象，建立近距離煤層群數值計算模型，研究上行開采工作面前方支承壓力演化規律。此模型的尺寸為400 m（長）×300 m（寬）×85 m（高），近距離煤層簡化模型剖面圖如圖1。煤巖層物理參數見表1。計算模型采用摩爾-庫侖破壞準則，模型四周邊界施加水平位移約束，底部施加水平位移和垂直位移約束，頂部為自由面。模型模擬埋深318 m，在模型頂部施加6.86 MPa 的覆巖應力。

圖1 近距離煤層開采簡化模型剖面圖

表1 煤巖物理參數表

1.3 開采方案

模型在x 軸方向上兩邊各預留100 m 的保護煤柱，在y 軸方向上兩邊各預留75 m 保護煤柱。以空單元格近似模擬工作面開挖狀態，工作面沿著走向開采傾向布置。3 煤工作面每次開挖20 m，共計開挖10 次。3 煤開采完畢后，對2 煤進行開采，工作面每次開挖20 m，共開挖5 次。

2 模擬結果分析

2.1 下位煤層開采過程中超前支承壓力分析

圖2 為低位煤層工作面推進40 m、80 m、120 m、160 m 和200 m 時超前支承壓力的云圖。由圖示可知，距離開切眼40 m 時，工作面煤壁前方應力集中程度較高，在工作面前方8 m 超前支承壓力達到峰值，約為25.6 MPa。在煤層開采距離較近時，下位煤層基本頂會以板的形式承受載荷。隨著推進距離不斷增加，基本頂巖層的反向支承力增大，支承壓力峰值不斷增大。工作面推進80 m 時，應力集中程度進一步提高，應力集中區域出現在煤壁前方6 m 處，最大支承壓力達到33.1 MPa。工作面推進120 m 后，支承壓力向承載能力比較大的工作面外側轉移，應力集中區域出現在工作面前方6.7 m 處，最大支承壓力達到37.8 MPa。考慮到煤體和基本頂的彈性效應，簡支邊的合力作用點前移，支承壓力峰值點與工作面煤壁距離增大。距離開切眼160 m時，工作面外側形成高應力集中區域，最大應力達到41 MPa。距離開切眼200 m 時，工作面外側高應力集中區域進一步增加，最大應力達到43.8 MPa。綜合分析可得，工作面每次推進40 m，工作面前方最大支承壓力增加幅度略微減緩，應力集中區域隨著推進距離的增加略微增加。這是因為，距離開切眼越遠，煤層上方的頂板受開采擾動作用影響所產生的壓力拱半徑越大。

在煤壁上方設置一條壓力監測線，記錄工作面前方100 m 內支承壓力變化趨勢，如圖3。由圖3可知，隨著開采距離的增大，支承壓力峰值不斷增大，且距離開切眼越遠，超前支承壓力達到峰值后下降速率越快。超前支承壓力影響區域為工作面前方50 m 處且不會隨著推進距離的增加而改變。下位煤層超前支承壓力變化可分為三個階段：（1）支承壓力迅速增大階段（超前距離0～8 m）。此時工作面前方煤體承受來自采空區和工作面上方巖層自重載荷，支承壓力遠大于原巖應力。（2）支承壓力緩慢減小階段（超前距離8～50 m）。由于受采場內外應力場的影響，隨著距離工作面煤壁越遠，支承壓力達到峰值后，受開采擾動影響越弱，超前支承壓力逐漸下降。（3）支承壓力穩定階段（50～100 m）。這時3 煤受開采擾動影響較小，支承壓力到達穩定，略低于原巖應力。

圖3 煤層開采過程超前支承壓力分布規律曲線圖

2.2 上位煤層開采過程中支承壓力分布規律

下位煤層開采完成后，破壞了上位煤層原有應力平衡，造成上覆巖層應力場的破壞。3 煤開采完畢后，上覆巖層垮落，在上方采空區出現降應力效應。在開采2 煤的過程中，超前支承壓力值較原巖應力場有所降低。圖4 為2 煤開采過程中超前支承壓力云圖。從圖4 可以看出，工作面推進20 m 和40 m 時，超前支承壓力受3 煤開切眼應力集中區域和頂板垮落的影響有所降低。工作面推進距離越大，受開切眼影響程度越小。工作面推進60 m 和80 m時，超前支承壓力受3 煤開切眼應力集中區域影響較小。

圖4 上位煤層開采過程中超前支承壓力分布云圖

在煤壁上方設置一條觀測線，記錄2 煤工作面前方100 m 內支承壓力變化情況如圖5。從圖5 可以看出，開采2 煤的過程中，受3 煤層采空區影響，工作面前方應力集中區域較3 煤相比明顯縮小。上位煤層開采時的峰值明顯低于下位煤層峰值，且最大支承壓力的值出現在煤壁上方，支承壓力影響區域較下位煤層明顯縮小。從圖5 可以看出，工作面推進距離為20 m、40 m、60 m、80 m、100 m 時，最大支承壓力分別為18 MPa、23 MPa、32.5 MPa、27 MPa、28 MPa，隨著開采距離的增加，支承壓力峰值呈現出先增大后減小的趨勢。支承壓力影響范圍約為工作面前方6 m，煤壁前方6 m 后的支承壓力值逐漸穩定，但是遠小于原巖應力。在工作面前方80 m 后，支承壓力有增高的趨勢，且距離2 煤開切眼越遠，支承壓力增高幅度越大。這是由于接近3 煤停采線，受到3 煤開采完后內應力場的影響，超前支承壓力增大。

圖5 上位煤層不同推進距離支承壓力分布規律曲線圖

綜上分析可知，在3 煤開采完畢后，對2 煤進行開采時，工作面前方支承壓力可分為三個階段：（1）支承壓力迅速下降階段。此階段出現在工作面前方6 m 內，這是因為2 煤開采工作面在3 煤采空區的上方，處于卸壓區，所以在煤壁前方不遠處迅速恢復到低于原巖應力的狀態。（2）支承壓力穩定階段。此時受3 煤開切眼處應力集中的影響較小。（3）支承壓力逐漸升高階段。這是由于接近3煤停采線，受到3 煤開采完畢后內應力場的影響。

3 結論

（1）下位煤層開采過程中，隨著開采距離的增加，超前支承壓力呈現先增大后減少的趨勢，超前支承壓力影響區域約為50 m，50 m 后恢復平衡的壓力值低于原巖應力。

（2）在上位煤層開采過程中，超前支承壓力遠小于原巖應力，支承壓力影響區域為工作面前方6 m。最大支承壓力出現在工作面煤壁上方，受下位煤層工作面前方支承壓力變化趨勢可分為三個階段，即迅速下降階段（超前距離0～6 m）、穩定階段（超前距離6～80 m）和逐漸上升階段（超前距離80～100 m）。