王永生

（西山煤電股份有限公司西銘礦 ，山西 太原 030052）

目前許多礦井都面臨著礦區(qū)首采煤層資源枯竭，必須要進(jìn)行下位煤層開采的問題[1-5]。工作面布置在采空區(qū)下進(jìn)行開采時，各種礦壓規(guī)律及其控制技術(shù)成為研究的關(guān)鍵內(nèi)容[6-10]。木瓜煤礦10-211工作面上方部分處于上方9煤采空區(qū)下，在工作面回采過程中，上方采空區(qū)對覆巖運移規(guī)律產(chǎn)生了很大的干擾，可能造成下煤層工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，上下采空區(qū)貫通的危險。文章假設(shè)下工作面全部處于上方煤層采空區(qū)影響范圍下，探究近距離煤層下工作面回采過程的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為下工作面的安全高效開采提供指導(dǎo)。

1 工程概況

木瓜煤礦10-211工作面上部大部分為實體煤，局部區(qū)域位于格桃焉村保安煤柱下，以北緊鄰10-213采空區(qū)，以南緊鄰10-209采空區(qū)，以西緊鄰礦井井田邊界，靠近風(fēng)氧化帶及西縱高速公路保安煤柱，以東緊鄰二采區(qū)三條大巷。工作面標(biāo)高范圍：+851～+895 m，地面標(biāo)高范圍+1095～+1225 m。工作面走向長度1195 m，傾向長度296 m，煤層厚度2.92～3.12 m，平均3.02 m，煤層傾角 3°～7°，平均5°為近水平煤層。工作面地質(zhì)綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 工作面地質(zhì)綜合柱狀圖

工作面直接底為泥巖，厚度1.0 m，灰黑色，致密光滑細(xì)膩，老底為細(xì)砂巖，厚度3.85 m，灰黑色，致密堅硬，偽頂為泥巖，厚度1.01 m，灰黑色，致密細(xì)膩光滑，直接頂為中砂巖，厚度4.5 m，老定為粗砂巖，厚度5.2 m，淺灰色，厚層狀、棱角狀，泥質(zhì)膠結(jié)。

2 數(shù)值模型及參數(shù)

根據(jù)木瓜煤礦10-211工作面的實際地質(zhì)條件，9煤與10煤的層間距平均在10 m左右，參考文獻(xiàn)建立三維數(shù)值模型如圖2所示，模擬10煤10-211工作面在9煤采空區(qū)下回采過程中的壓力顯現(xiàn)規(guī)律。

圖2 三維數(shù)值模型

建立的數(shù)值模擬尺寸為400 m×300 m×26 m，模型限制其底部與四周的位移，在模型上邊界施加7.13 MPa的垂直應(yīng)力用來模擬上方巖層的載荷，數(shù)值模擬計算的物理力學(xué)參數(shù)選取按照已有實驗室實測的抗壓抗拉及彈性模量的數(shù)值[5]，具體見表1所示。模型整體采用莫爾庫倫破壞準(zhǔn)則，模型開挖時四周各留設(shè)50 m的保護(hù)煤柱以消除邊界效應(yīng)，開挖后的采空區(qū)采用弾性模型進(jìn)行充填以減小數(shù)值計算量。模型中首先開挖9煤并完全計算至應(yīng)力平衡，之后按照不同的開挖進(jìn)尺對10煤進(jìn)行分部開挖模擬，模擬后的結(jié)果導(dǎo)入Tecplot后處理軟件進(jìn)行處理，研究9煤采空區(qū)下10煤開采不同進(jìn)尺下的應(yīng)力分布規(guī)律。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 上工作面采空后應(yīng)力分布規(guī)律

模型首先對9煤進(jìn)行全部開挖，開挖長度與下工作面長度相同，開挖平衡后模型垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力分布規(guī)律如圖3所示。從垂直應(yīng)力分布規(guī)律可知，垂直應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工作面四周煤體，集中應(yīng)力最大值可達(dá)34.6 MPa，應(yīng)力系數(shù)為4.8，影響范圍在四周煤體深部4～5 m，越靠近工作面采空區(qū)中部，頂板越被壓實，垂直應(yīng)力向下影響范圍也越大；從水平應(yīng)力特征來看，9煤采空區(qū)頂板破斷后主要受水平方向的擠壓，而底板方向并未受到水平應(yīng)力的影響。由此可知，下工作面開采主要受上工作面采空區(qū)垂直應(yīng)力的影響，水平應(yīng)力對其回采工作影響較小。

圖3 上工作面采空后應(yīng)力分布規(guī)律

3.2 下工作面不同開挖進(jìn)尺應(yīng)力分布規(guī)律

為了研究在上工作面采空區(qū)垂直應(yīng)力影響下的下工作面不同開挖進(jìn)尺的工作面應(yīng)力分布規(guī)律，分別選取開挖 10 m、40 m、70 m、100 m、150 m、200 m 六種開挖狀態(tài)，監(jiān)測不同進(jìn)尺下工作面煤壁前方30 m范圍的垂直應(yīng)力分布規(guī)律，得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 下工作面不同開挖進(jìn)尺下的垂直應(yīng)力分布規(guī)律

由圖4（a）可知，工作面開挖10 m即相當(dāng)于開切眼工作，此時距離工作面煤壁前方3～4 m位置出現(xiàn)超前支承應(yīng)力峰值，垂直應(yīng)力最大值達(dá)到9.78 MPa，之后在煤體深部超前支承應(yīng)力逐漸恢復(fù)原巖應(yīng)力狀態(tài)，其影響范圍在0～15 m左右；由圖4（b）可知，工作面開挖40 m后，此時無論是煤壁承受的垂直應(yīng)力還是超前支承應(yīng)力值都有明顯的升高，煤壁所受垂直應(yīng)力值在9.58 MPa，超前支承應(yīng)力最大值為27.71 MPa，超前支承應(yīng)力的影響范圍也增加到15～20 m，且上下煤層間的巖層所受應(yīng)力較小說明此時巖層已經(jīng)發(fā)生不同程度的破壞導(dǎo)致巖層失去了承載能力；由圖 4（c）（d）可知，工作面開挖 70 m 和 100 m 之后，超前支承應(yīng)力分布規(guī)律相似，最大值分別為39.16 MPa和38.82 MPa，峰值位于工作面前方3～4 m處，超前支承應(yīng)力的影響范圍均在15 m左右，隨著推進(jìn)距離的增加，煤層間的巖層可能會出現(xiàn)不同程度斷裂并重新擠壓，應(yīng)力狀態(tài)分布表現(xiàn)出很大的不均勻性；由圖4（e）可知，工作面前方30 m的垂直應(yīng)力分布特征與開挖70 m、100 m時有明顯不同，超前支承應(yīng)力峰值達(dá)到56.85 MPa，且在煤壁前方9～10 m位置處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力降低區(qū)域，之后應(yīng)力值繼續(xù)升高達(dá)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，造成這種現(xiàn)象的原因是在推進(jìn)到150 m距離時，下煤層工作面受到上煤層邊界集中應(yīng)力的影響，而邊界集中應(yīng)力值較大，對下煤層的影響范圍更大，導(dǎo)致下煤層工作面開挖到150 m時，工作面煤壁前方一定范圍內(nèi)煤體提前出現(xiàn)破壞導(dǎo)致監(jiān)測值下降；由圖4（f）可知，工作面開挖距離與上工作面一致后，超前支承應(yīng)力分布特征與開挖70 m、100 m時相似，此時應(yīng)力峰值在34.79 MPa，影響范圍在15～20 m。

4 近距離煤層釆空區(qū)下工作面礦壓規(guī)律分析及防治措施

近距離煤層上工作面開采后，工作面兩側(cè)實體煤內(nèi)存在殘余支承應(yīng)力與采空區(qū)重新壓實后對底板的應(yīng)力傳遞的作用，會導(dǎo)致下煤層出現(xiàn)不同程度的破壞，破壞程度與上煤層工作面開采強(qiáng)度與煤層間距有關(guān)。下煤層工作面開挖后，首先在開切眼階段，由于開挖長度較短上方巖層結(jié)構(gòu)較完整，超前支承應(yīng)力值與分布范圍都比較小，及至開挖距離達(dá)到40 m時，上方采空區(qū)對下方工作面的影響開始凸顯，又因為工作面開挖長度較大，上方巖層出現(xiàn)破斷，導(dǎo)致層間巖層受力出現(xiàn)降低，超前支承壓力峰值增大，影響范圍增加。工作面繼續(xù)開挖至70 m、100 m時，垂直應(yīng)力分布特征變化不大。開挖至150 m時，由于受到上工作面邊界殘余支承應(yīng)力的影響，下工作面垂直應(yīng)力出現(xiàn)下降趨勢，因此在推進(jìn)至靠近上工作面邊界時應(yīng)著重注意壓力顯現(xiàn)變化，做好防護(hù)措施。

由上述分析可知，在木瓜煤礦10-211工作面部分處于9煤采空區(qū)下的情況下，應(yīng)著重監(jiān)測在工作面推進(jìn)至采空區(qū)或出采空區(qū)情況下的礦壓數(shù)據(jù)，并對巷道采取“錨網(wǎng)梁+錨索”的加強(qiáng)支護(hù)措施[11-15]，其中頂錨桿“六?六”布置，間排距920×800 mm；幫錨桿“三?三”布置，間排距1200×800 mm；頂錨索“三?三”布置，間排距1500×1600 mm，錨桿索材料及其他相關(guān)參數(shù)詳見支護(hù)斷面圖（圖5）。現(xiàn)場對過采空區(qū)前、過采空區(qū)時、過采空區(qū)后三個階段的錨桿索進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，分別布置三個測站監(jiān)測頂錨索（左右兩根）、頂錨桿（中間四根）、幫錨桿（上方兩根）的應(yīng)力數(shù)值，監(jiān)測周期為1周，現(xiàn)選取過采空區(qū)時的測站2的數(shù)據(jù)如圖6所示，根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測圖可知，錨桿索應(yīng)力數(shù)值在20 h之后逐漸趨于平穩(wěn)，表明采用的支護(hù)方式能夠有效防止礦壓的劇烈變化，對工作面安全通過上方采空區(qū)過程起到了很好的保護(hù)作用。

圖5 工作面巷道加強(qiáng)支護(hù)斷面圖

圖6 工作面過上方采空區(qū)時錨桿索應(yīng)力監(jiān)測值

5 結(jié)論

通過對采空區(qū)下工作面不同開采階段的數(shù)值模擬分析可知，工作面超前支承應(yīng)力影響范圍在15 m左右，應(yīng)力峰值在40 MPa左右，峰值位置距煤壁3～4 m，在工作面推進(jìn)至采空區(qū)邊緣時應(yīng)力分布特征出現(xiàn)較大波動，對10-211工作面而言，加強(qiáng)工作面進(jìn)出上方采空區(qū)的應(yīng)力監(jiān)測，同時采取相應(yīng)的“錨網(wǎng)梁+錨索”巷道加強(qiáng)支護(hù)措施，是保證工作面正常安全生產(chǎn)的重要途徑。