某煤礦近距離煤層群采空區下煤層開采的礦壓顯現規律分析

摘" 要：針對近距離煤層群采空區下煤層開采過程中礦壓顯現規律的復雜性，通過數值模擬和現場實測相結合的方法，系統研究采動應力的分布規律、關鍵層破斷特性與礦壓演化機制。數值模擬采用三維有限元模型，模擬采動應力場和頂板破斷過程；現場實測通過礦壓監測系統采集工作面支架阻力和頂板下沉量等關鍵數據。采空區前緣存在明顯應力集中，關鍵層破斷表現為彎曲變形、局部失穩與整體破壞三階段。模擬與實測結果吻合，表明模型具有較高的可靠性。基于研究結果，提出支護優化、采煤工藝調整及巷道布置優化等控制措施，為類似條件下的煤礦安全高效開采提供技術參考。

關鍵詞：近距離煤層群 "采空區 "礦壓顯現 "數值模擬 "現場實測

中圖分類號：TD323

Analysis of the Mining Pressure Manifestation Law of Coal Seam Mining Uunder the Goaf of a Close "Range Coal Seam Group in a Certain Coal Mine

WANG Haijie

Shanxi Huangtupo Xinyun Coal Industry Co.， Ltd.， Changzhi， Shanxi Province， 046599 China

Abstract： This article aims to address the complexity of the manifestation law of mining pressure during the mining process of coal seams in close range goaf areas. A systematic study was conducted on By combining numerical simulation and on-site measurement， the distribution law of mining induced stress， key layer fracture characteristics， and mining pressure evolution mechanism through a combination of numerical simulation and on-site measurementare systematically studied. Numerical simulation adopts a three-dimensional finite element model to simulate the stress field of mining and the process of roof fracture; On- site measurement collected key data such as support resistance and roof subsidence through the mining pressure monitoring system. There is obvious stress concentration at the front edge of the goaf， and the key layer fracture is manifested in three stages： bending deformation， local instability， and overall failure. The simulation and actual measurement results are consistent， indicating that the model has high reliability. Based on the research study results， control measures such as support optimization， coal mining process adjustment， and roadway layout optimization are proposed to provide technical reference for safe and efficient mining of coal mines under similar conditions.

Key Wwords： Close range coal seam group; Goaf; Miningeral pressure manifestation; Numerical simulation; On- site testingmeasurement

煤礦資源開采是能源供應的重要環節，但隨著開采深度增加，復雜地質條件帶來明顯挑戰。近距離煤層群采空區下的煤層開采，由于上覆巖層垮落和應力重分布，常引發礦壓顯現問題，表現為頂板破裂、周期性應力集中和支架失效，嚴重威脅煤礦安全生產。礦壓顯現的形成機制復雜，與采動應力分布、頂板巖性特征及采空區結構密切相關。近年來，礦壓顯現規律的研究取得一定進展，特別是在采動應力演化與支護優化領域，但近距離煤層群的特殊性使其規律更加復雜，相關研究仍需要深入。

1 "工程背景

研究礦區位于煤炭資源豐富區域，地層由砂巖、泥巖與煤層構成，煤層群之間層間距較小，部分區域煤層群極近，整體呈穩定分布。采空區形成與上覆巖層特性相關，主要由砂巖和泥巖交替構成，具備明顯的層間變形特性。礦壓顯現與巖層運動對后續開采影響明顯^[1][ 2]"。典型煤礦采用走向長壁開采工藝與機械化綜放技術，支護形式以液壓支架為主，支護參數依據頂板條件與礦壓顯現調整。上下煤層之間距20～30 m，強烈的應力相互作用影響開采安全^[2]。

2 "近距離煤層群采空區下礦壓顯現規律分析

2.1 "礦壓顯現的基礎理論

礦壓顯現主要由采動引起的應力重分布所致，應力集中區域在工作面推進過程中逐步遷移，集中在采空區邊界，形成支承壓力峰值，并隨采空區擴展向深部巖層擴展^[3]。關鍵層理論認為，上覆巖層中的關鍵層承載作用重要，其失穩和破斷是礦壓顯現的核心原因。頂板關鍵層的破斷規律直接影響采空區應力釋放和周期性礦壓現象。厚硬頂板破斷伴隨大范圍巖層運動，形成強烈礦壓；薄弱巖層則表現為持續性垮落。

2.2 "礦壓顯現的主要影響因素

礦壓顯現的強度與分布規律受地質條件和開采條件共同影響。地質條件中，巖層的力學性質決定礦壓顯現，硬巖層引發強烈礦壓，軟巖層則表現為緩慢沉降。層間距小易產生應力疊加效應，覆巖厚度較大時礦壓顯現更強^[4]。開采條件方面，煤層厚度和采高影響礦壓顯現，厚煤層開采時頂板承載能力下降。提高開采速度會加劇采空區動態變化，增加礦壓顯現的頻率和強度。

2.3 "礦壓顯現的規律總結

采動應力集中區域的演化呈現明顯的階段性特征。初期，應力集中主要位于工作面前緣；隨著采空區擴大，應力逐步向深部遷移并穩定分布^[5]。礦壓顯現的時間特征表現為初次來壓時的強烈應力釋放和周期性來壓時的重復波動。空間分布因地質條件不同而異，厚硬頂板下礦壓顯現集中于采空區上方和兩側，而軟弱頂板的應力集中區域則更分散。分析礦壓顯現規律有助于制定礦壓控制措施和優化開采方案。

3 "數值模擬與現場實測分析

3.1 "數值模擬方法與參數設置

數值模擬采用三維有限元模型，分析采動應力場分布及頂板破斷過程。使用FLAC3D或ANSYS等軟件，基于礦區地質條件與開采參數構建模型，包含煤層、覆巖、關鍵層、底板等關鍵部位，反映應力演化。邊界條件為底部固定，側向自由變形，頂部施加覆蓋巖層重量模擬地應力環境，確保準確性^[6]。模擬參數基于巖層物性實驗數據與工程經驗，包括彈性模量、泊松比、密度、抗拉強度等，考慮煤層厚度、采高、工作面推進速度及力學特性調整參數。為提高模型魯棒性，進行敏感性分析，結合不同開采工藝方案動態捕捉頂板破斷及采動應力集中帶的形成過程^[7]。

3.2 模擬結果分析

數值模擬結果揭示采動應力場和頂板破斷的動態規律，表現出明顯的區域性和階段性特征。工作面推進時，采空區前緣形成應力集中帶，峰值逐步向深部移動，并在采空區邊界形成強烈應力集中。關鍵層破斷過程經歷彎曲變形、局部拉伸破壞和整體失穩，當承載能力極限時，斷裂以塊狀或弧形破斷為主，導致巖層沉降和周期性礦壓顯現^[8]。頂板破斷演化表明，大跨度懸頂在厚硬頂板條件下易引發強烈礦壓，能量釋放大，形成周期性強峰值區域；軟弱頂板則巖層塌陷緩慢，礦壓顯現較弱。模擬還表明，工作面推進速度增大，加速采動應力場動態變化，提高頂板破斷頻率，增加支護系統壓力。

3.3 "現場實測數據驗證

現場實測采用礦壓監測系統，通過壓力傳感器、頂板下沉位移監測裝置等設備，實時采集支架工作阻力、頂板下沉量與圍巖變形數據，監測點布置覆蓋工作面上下及中部，確保全面反映礦壓顯現的動態特性。實測數據驗證數值模擬的準確性，支架阻力與模擬預測的支承壓力一致，頂板下沉量監測數據與模擬結果趨勢一致^[9]。對比分析發現，局部區域的應力集中現象略高于模擬預測，提示模型參數和采動邊界條件需要進一步優化。綜合分析為采動應力控制和支護方案優化提供支持。

4 "采動影響控制與優化措施

4.1 "礦壓控制技術與對策

礦壓控制技術在近距離煤層群開采中，需要根據支護設計和采煤工藝進行針對性調整。支護優化是關鍵，液壓支架選型需要根據頂板巖層力學特性和礦壓顯現強度進行科學匹配。對于厚硬頂板，應選擇高額定工作阻力的液壓支架并增加初撐力，以承受周期性礦壓沖擊。在采動期間，應動態調整支護參數，防止局部應力集中導致支架失效。對于軟弱頂板，可以調整支護阻力的液壓支架與注漿加固技術結合使用，提高穩定性。采煤工藝優化也能夠緩解采動應力，分層開采可以減少頂板破壞，并通過緩沖層和減速推進提高礦壓控制效果。例如：在山西某煤礦和內蒙古某煤礦的實踐中，合理控制推進速度和保留緩沖層，顯著降低礦壓沖擊。

4.2 巷道布置優化建議

巷道布置優化對于控制采動應力和保障巷道穩定性具有重要作用。應優先布置在采空區應力卸壓范圍內，避免高應力集中區域的影響。例如：淮南礦區通過將回采巷道布置在卸壓區，減少圍巖變形，延長巷道維護周期。巷道圍巖穩定性保障需要結合主動與被動支護技術，常用錨桿、錨索和支護網組合支護方案，并通過注漿加固巖層裂隙，提高穩定性^[10]。新疆某礦區采用注漿技術有效增強破碎頂板穩定性，減少圍巖變形。采動應力較大的區域可以使用鋼架與噴射混凝土聯合支護提高抗剪切能力。對于承壓水體上方的巷道，增大支護密度可以提高安全性。

4.3 "煤礦安全生產的綜合建議

煤礦安全生產需要建立高效的風險預測與監測系統，實時監測關鍵參數如支架阻力、頂板下沉量與巷道變形。例如：陜西某礦區通過物聯網技術的礦壓實時監測系統，結合大數據分析技術，成功預警礦壓突發事故。在多煤層開采條件下，需要動態優化采煤順序和工藝設計，優先開采影響范圍大的煤層，再開采較小煤層，減少相鄰煤層應力疊加效應。神東礦區通過合理調整開采順序并保留隔離層，減少頂板破斷幅度和頻率。智能礦壓控制技術的應用，如智能支架調整系統，提高了開采效率和安全性。

5 "結語

綜上所述，通過結合數值模擬和現場實測，系統分析了近距離煤層群采空區下煤層開采的礦壓顯現規律，揭示了采動應力分布特征和關鍵層破斷機理。研究表明，礦壓顯現強度與規律受地質條件和開采方式的影響，數值模擬與實測數據驗證了理論分析的準確性和工程適用性。通過優化支護設計、調整采煤工藝和巷道布置，有效控制礦壓顯現強度和頻率，為安全開采提供了理論依據和實踐指導。未來研究可以進一步探討復雜地質條件下的礦壓演化規律，提高智能化開采技術和安全保障能力。

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