近距離煤層綜放面礦壓顯現(xiàn)特征模擬與觀測(cè)

史宏寶

（山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

我國(guó)多數(shù)地區(qū)都賦存有近距離煤層，由于上覆煤層開采后圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象將制約下層煤工作面開采，并且礦壓顯現(xiàn)特征與單一煤層開采有著較大不同，頂板事故發(fā)生的可能性增大，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)形成一定的制約[1-3]。目前許多學(xué)者對(duì)近距離煤層礦壓規(guī)律進(jìn)行了大量研究，但多以經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、數(shù)值模擬和相似模擬研究為主[4-6]。針對(duì)近距離煤層開采礦壓顯現(xiàn)特征，本文以鋪龍灣煤礦8103 工作面條件為背景，采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，對(duì)上覆煤層采空區(qū)下工作面上覆巖層的礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行了研究，為本礦井其他類似條件工作面開采提供參考。

1 工程背景

鋪龍灣煤礦8103 工作面位于八一采區(qū)東部，開采8#煤，煤層厚度平均6.2 m，煤層傾角平均2°，工作面煤層埋深平均為260 m。工作面北部為8#煤層首采8101 回采工作面，南部為8#煤層實(shí)煤區(qū)，西部為盤區(qū)大巷。8103 工作面傾向長(zhǎng)度為150 m，可采長(zhǎng)度為840 m，上覆5103 工作面采空區(qū)。5103 工作面開采煤層為5#煤，煤層厚度平均為9.1 m，與8#煤層間距為18.3～24.6 m，于2015 年8 月回采結(jié)束，工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采方式。

2 覆巖結(jié)構(gòu)特征模擬分析

建立物理相似模型，通過(guò)試驗(yàn)判斷采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)變化特征，模型如圖1 所示。從圖1（a）中可以看出，下伏煤層工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面初次來(lái)壓時(shí)的推進(jìn)度對(duì)應(yīng)為35 m，其頂板呈現(xiàn)不規(guī)則梯形結(jié)構(gòu)，頂板垮落高度平均為6.5 m，梯形兩垮落角分別為49°、50°，頂板垮落長(zhǎng)度為25～30 m。從圖1（b）可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)度至達(dá)到47 m時(shí)，頂板垮落巖層與上覆煤層采空區(qū)導(dǎo)通。此時(shí)梯形結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，兩垮落角增大為62°、65°，頂板垮落高度平均為14.5 m。同時(shí)，模擬結(jié)果表明，下伏煤層采面開采過(guò)程中，周期來(lái)壓步距平均為19 m。

圖1 破斷頂板層運(yùn)動(dòng)特征

為有效確定頂板巖層位移特征，在模型頂板巖層中布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)位移變化。監(jiān)測(cè)點(diǎn)共布置7 組，每組數(shù)量為10 個(gè)，利用全站儀記錄工作面開采過(guò)程中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化信息，其中A～G 為未開采時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始高程，a1～g1 代表開采后監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出，下伏煤層采面推進(jìn)過(guò)程中，頂板巖層的運(yùn)移體現(xiàn)出下層大于上層特點(diǎn)，上覆煤層采面開挖后，頂板下沉量對(duì)應(yīng)為3.4 m；下伏煤層采面開采后，頂板下沉量對(duì)應(yīng)為4.9 m。

圖2 測(cè)點(diǎn)高程變化曲線

綜上所述，下伏煤層開采后，兩煤層中間巖層逐步斷裂，與上覆煤層采空區(qū)頂板導(dǎo)通，使得頂板垮落結(jié)構(gòu)進(jìn)一步擴(kuò)大，形成大的頂板垮落梯形結(jié)構(gòu)。

3 工作面礦壓特征現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為掌握工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)、支承壓力分布變化規(guī)律，分析工作面在不同情況下的來(lái)壓特征，對(duì)5103、8103 工作面支架阻力、支架受力特征、來(lái)壓特征進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析。

5103、8103 工作面均采用KBJ-60Ⅲ-2 壓力檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)支架工作阻力，工作面內(nèi)共布置5 個(gè)測(cè)區(qū)，15 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中2#、9#、16#布置第一測(cè)區(qū)，23#、30#、37#布置第二測(cè)區(qū)，44#、51#、58#布置第三測(cè)區(qū)，65#、72#、79#布置第四測(cè)區(qū)，86#、93#、98#布置第五測(cè)區(qū)。

（1）工作面初次來(lái)壓分析

5103、8103 工作面初采期間支架工作阻力分布如圖3 所示，從圖中可以看出，5103 的工作面初次來(lái)壓步距約為32 m，來(lái)壓時(shí)支架工作阻力在6 000～7 000 kN 范圍內(nèi)；8103 工作面初次來(lái)壓步距約為24 m，來(lái)壓時(shí)支架工作阻力在9 000～10 000 kN 范圍內(nèi)。該結(jié)果表明，8103 綜放工作面初次來(lái)壓步距小于5103 綜放工作面的來(lái)壓步距，初次來(lái)壓強(qiáng)度大于5103 工作面的來(lái)壓強(qiáng)度。

圖3 工作面初次來(lái)壓期間支架工作阻力分布

（2）工作面周期來(lái)壓分析

5103、8103 工作面推進(jìn)度在100～200 m 時(shí)支架工作阻力分布如圖4 所示。從圖中可以看出，5103 工作面期間共發(fā)生4 次周期來(lái)壓，來(lái)壓步距在20～25 m 范圍內(nèi)，來(lái)壓時(shí)段支架工作阻力在7 000～8 000 kN 范圍內(nèi)，工作面來(lái)壓時(shí)出現(xiàn)多處片幫，液壓支架多數(shù)安全閥頻繁開啟，頂板存在漏矸現(xiàn)象。8103 工作面期間共發(fā)生5 次周期來(lái)壓，來(lái)壓步距在14～22 m 范圍內(nèi)，來(lái)壓時(shí)段支架工作阻力在9 000～12 000 kN 范圍內(nèi)，工作面來(lái)壓時(shí)出現(xiàn)多處片幫，頂板較破碎，液壓支架多數(shù)安全閥頻繁開啟。

圖4 支架工作阻力分布

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)結(jié)果表明：老頂初次來(lái)壓時(shí)，8103 工作面的初次來(lái)壓步距小于5103 工作面； 周期來(lái)壓時(shí)，8103 工作面對(duì)應(yīng)的來(lái)壓步距和持續(xù)長(zhǎng)度小于5103 工作面，且較8103工作面，5103 工作面對(duì)應(yīng)來(lái)壓期間支架工作阻力和動(dòng)載系數(shù)變化更大。

2.2 超前支承壓力實(shí)測(cè)分析

為確定近距離煤層開采與單一煤層開采工作面超前支承壓力分布規(guī)律的差異，在5103、8103 工作面運(yùn)輸巷道各設(shè)置了1 個(gè)超前支承壓力測(cè)站，每個(gè)測(cè)站分別安設(shè)7 組鉆孔應(yīng)力計(jì)，間距為5 m，深度為15 m。

分析8103 采面開采超前支承壓力分布曲線可知，工作面超前支承壓力與距迎頭煤壁的距離相關(guān)，各鉆孔支承壓力趨勢(shì)分布基本相同，峰值有所差異。當(dāng)鉆孔應(yīng)力計(jì)與工作面煤壁距離在35～45 m 范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)力緩慢增長(zhǎng)； 當(dāng)距離在15～24 m 時(shí)，應(yīng)力增長(zhǎng)速度加快；當(dāng)距離減小至4～9 m 時(shí)，應(yīng)力達(dá)到頂峰；當(dāng)距離繼續(xù)變小至0 時(shí)，應(yīng)力迅速降低，如圖5（a）所示。

圖5 超前支承應(yīng)力分布

分析5103 采面開采超前支承壓力分布曲線可知，工作面開采超前支承壓力與8103 面趨勢(shì)基本相同。當(dāng)鉆孔應(yīng)力計(jì)與工作面煤壁距離在20～40 m 范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)力緩慢增長(zhǎng)；當(dāng)距離在9～19 m時(shí)，應(yīng)力增長(zhǎng)速度加快；當(dāng)距離減小至3～8 m 時(shí)，應(yīng)力達(dá)到峰值；當(dāng)距離繼續(xù)變小至0 時(shí)，應(yīng)力迅速降低，如圖5（b）所示。

圖5（a）中各曲線峰值強(qiáng)度平均為10.7MPa，峰值距工作面位置平均為5.1 m，應(yīng)力集中系數(shù)平均為2.6，超前影響范圍為34.4～46.3 m，工作面前方煤體支承壓力基本穩(wěn)定于3.7MPa。圖5（b）中各曲線峰值強(qiáng)度平均為11.8 MPa，峰值距工作面位置平均為5.3 m，應(yīng)力集中系數(shù)平均為2.5，超前影響范圍為20.6～37.2 m，工作面前方煤體支承壓力基本穩(wěn)定于4.5 MPa。

根據(jù)8103 面與5103 面開采超前承壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果，其超前支承壓力趨勢(shì)基本相同。8103 面開采時(shí)，超前支承壓力影響范圍更大，支承壓力峰值點(diǎn)距工作面距離基本不變，峰值強(qiáng)度和原巖應(yīng)力值均明顯降低，說(shuō)明上覆煤層開采對(duì)下伏煤體具有明顯的卸壓作用。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)8103 工作面上覆巖層礦壓顯現(xiàn)特征的研究，得到如下結(jié)論：

1）下伏煤層開采后，煤層中間巖層逐步斷裂，與上覆煤層采空區(qū)頂板導(dǎo)通，頂板垮落結(jié)構(gòu)進(jìn)一步擴(kuò)大，形成大的頂板垮落梯形結(jié)構(gòu)。

2）下伏煤層初次來(lái)壓步距與周期來(lái)壓步距小于上覆煤層，來(lái)壓時(shí)支架工作阻力與動(dòng)載系數(shù)比上覆煤層更大。

3）上覆煤層開采后對(duì)下伏煤層有明顯卸壓作用，上覆煤層與下伏煤層開采超前支承壓力趨勢(shì)基本相同，壓力峰值強(qiáng)度和原巖應(yīng)力值明顯降低。