白 剛,任 杰

(1山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司,山西 陽(yáng)泉 045000； 2太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030000)

煤炭是典型的植物沉積巖，因此常見(jiàn)多層可采煤層連續(xù)或在近距離存在。當(dāng)兩煤層間距較小時(shí),上煤層開(kāi)采形成的采空區(qū)必然會(huì)對(duì)下煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律造成顯著影響。隨著淺部煤層資源的枯竭,煤礦開(kāi)采深度正在以每年15～20 m的速度向深部延伸,深部煤層開(kāi)采面臨高地應(yīng)力、煤層易失穩(wěn)變形等問(wèn)題,制約了礦井的安全高效生產(chǎn)[1-3]。因此，研究近距離煤層采動(dòng)引起的覆巖移動(dòng)規(guī)律至關(guān)重要。

按照巖體形態(tài)分類,專家學(xué)者們將回采工作面前后分為“橫三區(qū)”、“豎三帶”[4-5]，杜曉麗[6]認(rèn)為隨著采動(dòng)過(guò)程推進(jìn)采空區(qū)周圍應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)移,在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中,在重力影響下形成了環(huán)繞采空區(qū)的巖石壓力拱。李寧[7]認(rèn)為工作面的推進(jìn),周圍圍巖由扁拱變化為尖拱拱厚度以及拱腳應(yīng)力集中均隨采動(dòng)逐漸增大。壓力拱假說(shuō)解釋了回采工作面圍巖卸壓?jiǎn)栴}，但未分析上覆巖層移動(dòng)、變形的過(guò)程和支架—圍巖間的相互關(guān)系。解興智[8]通過(guò)分析淺埋煤層房柱式采空區(qū)下煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采，認(rèn)為上位懸臂梁與下位懸臂梁不同周期失穩(wěn)引起的采場(chǎng)周期來(lái)壓不等距性以及來(lái)壓強(qiáng)度不等強(qiáng)性,是造成長(zhǎng)壁采場(chǎng)圍巖失穩(wěn)的主要原因。礦山壓力顯現(xiàn)是由覆巖的運(yùn)動(dòng)引起的，隨著煤炭的不斷開(kāi)采，地下原有的應(yīng)力狀態(tài)被打破[9-10]，上述研究均表明近距離下煤層工作面應(yīng)力分布受上覆巖層印象，但分布規(guī)律仍有待研究。

本研究采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法，分析了鋪龍灣煤礦的8103及5103工作面礦壓顯現(xiàn)和應(yīng)力分布規(guī)律，研究成果可以為鋪龍灣煤礦近距離下煤層工作面和其他類似賦存條件的礦井設(shè)備選型和礦壓控制提供理論依據(jù)。

1 工作面生產(chǎn)條件

1.1 工作面地質(zhì)條件

8103及5103工作面位于鋪龍灣煤礦東南側(cè)，煤層賦存穩(wěn)定，煤層松軟、破碎。工作面西部煤層傾向?yàn)槲鞅?，工作面東部煤層傾向?yàn)槲鳌Ｃ汉裨?.2～8.2 m之間，夾石厚度0.1～0.8 m，煤層厚度為5～8.2 m.頂板情況如表1所示。

表1 8103工作面頂板情況

1.2 采煤工藝

綜采工作面采用雙滾筒采煤機(jī)割煤，放頂煤和裝煤，液壓支架支護(hù)，刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶機(jī)運(yùn)煤，放頂煤自然垮落法處理采空區(qū)等一系列生產(chǎn)方式來(lái)完成回采工作。

1) 落煤：通過(guò)采煤機(jī)滾筒上安裝的截齒旋轉(zhuǎn)截割煤壁來(lái)完成割煤。

2) 裝煤：利用滾筒上的螺旋葉片將煤拋至刮板運(yùn)輸機(jī)內(nèi)；推移刮板運(yùn)輸機(jī)時(shí)，刮板運(yùn)輸機(jī)前方鏟煤板將煤壁下方的煤裝入刮板運(yùn)輸機(jī)內(nèi)。

3) 運(yùn)煤：刮板運(yùn)輸機(jī)將煤運(yùn)送到機(jī)頭落入轉(zhuǎn)載機(jī)，轉(zhuǎn)載機(jī)內(nèi)的煤流經(jīng)破碎機(jī)破碎后落在巷道膠帶運(yùn)輸機(jī)上運(yùn)出。

4) 支護(hù)：工作面支護(hù)采用液壓支架支護(hù)，進(jìn)、回風(fēng)巷超前支護(hù)采用單體液壓支柱支護(hù)。

5) 采空區(qū)處理：放頂煤頂板自然垮落。

回采工藝：采煤機(jī)端頭斜切進(jìn)刀方式，雙向割煤，液壓支架及時(shí)支護(hù)頂板，一采一放。

2 礦壓顯現(xiàn)特征分析

近距離煤層采空區(qū)下煤層覆巖結(jié)構(gòu)一般可以分為煤層間有無(wú)基本頂兩種情況，基本頂結(jié)構(gòu)對(duì)下煤層礦壓顯現(xiàn)發(fā)生規(guī)律有很大影響。

極近距離上部煤層初采結(jié)束后，封板斷裂時(shí)間受關(guān)鍵層強(qiáng)度及厚度影響，關(guān)鍵層在斷裂過(guò)程中形成砌體梁結(jié)構(gòu)。在下部8103工作面與上部5103工作面之間主要是軟質(zhì)的泥巖和砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度低，因此可以認(rèn)為連工作面之間不存在厚硬基本頂與承載結(jié)構(gòu)。因此8103工作面頂板垮落無(wú)明顯規(guī)律，極近煤層上部采空區(qū)下工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律主要受兩工作面間關(guān)鍵層性質(zhì)影響。

上煤層覆巖可以根據(jù)位置分為導(dǎo)水裂隙帶及彎曲下沉帶，導(dǎo)水裂隙帶在采動(dòng)后發(fā)育高度須重新確定[9]：

Hd=30M0.5±10

(1)

式中：M為工作面采高，m；本礦實(shí)際生產(chǎn)采高為6 m，得到導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為63～83 m，故上覆關(guān)進(jìn)層位于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)。

上部煤層采空區(qū)下煤層開(kāi)采后關(guān)鍵層發(fā)生滑落失穩(wěn)和變形失穩(wěn)兩種破壞形式。但在以下條件滿足時(shí)兩種失穩(wěn)均不發(fā)生：

h/L≤0.5tanφ

(2)

式中：h為關(guān)鍵層厚度，m；L為破斷塊體長(zhǎng)度，m；φ為破斷快之間摩擦角。

σm/σc≤k

(3)

式中：σm=2qi2/(1-isinβ)2為斷裂快之間作用力，MPa；i=L/h2,β為斷裂后允許下沉角;σc為斷裂快單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

破壞后巖石塊同時(shí)滿足式(2)及式(3)時(shí)其所處的隨動(dòng)層屬于斷裂帶，否則屬于垮落帶。本煤層上覆關(guān)鍵層為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，其處于上部煤層開(kāi)采后形成的導(dǎo)水裂隙帶中，故其采場(chǎng)上方到地表均可認(rèn)為是導(dǎo)水裂隙帶。

5103采空區(qū)下8103工作面開(kāi)采后關(guān)鍵層被重新壓實(shí)為相對(duì)穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)其再次破壞時(shí)上覆巖層裂隙帶產(chǎn)生下沉。近距離煤層不同于單一煤層開(kāi)采，由于其關(guān)鍵層已經(jīng)破斷，在下部煤層開(kāi)采過(guò)程中關(guān)鍵層的支撐作用大大減弱，關(guān)鍵層上部巖層產(chǎn)生的應(yīng)力集中到工作面附近采場(chǎng)以及超前煤體中。另外關(guān)鍵層破壞產(chǎn)生的斷裂快存在大量裂隙，在應(yīng)力作用下容易成為能量釋放的結(jié)構(gòu)弱面，導(dǎo)致采空區(qū)下工作面更容易產(chǎn)生來(lái)壓，因此有必要對(duì)工作面下采區(qū)來(lái)壓規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

3.1 礦壓監(jiān)測(cè)方法

8103及5103工作面采用KBJ-60Ⅲ-2壓力檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)支架工作阻力。在工作面布置1號(hào)至5號(hào)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)區(qū)布置如圖1所示，連續(xù)記錄數(shù)據(jù)。頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏坎捎檬钟^測(cè)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在工作面兩巷每隔50 m處布置測(cè)量站，在各測(cè)量站斷面的頂部與底部以及兩幫中點(diǎn)位置各設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

圖1 工作面壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

8103工作面支架工作阻力值較大，因此來(lái)壓區(qū)間安全閥開(kāi)啟頻繁；此外結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及計(jì)算所得：8103工作面初次來(lái)壓步距為24 m；5103的工作面初次來(lái)壓步距為32 m.分析圖2、圖3可知8103工作面周期來(lái)壓時(shí)間在4至8個(gè)工作日范圍內(nèi)，周期來(lái)壓步距為14～22 m，周期來(lái)壓最大值為45 MPa，來(lái)壓強(qiáng)度較大。8103工作面初次來(lái)壓步距為24 m，周期來(lái)壓步為14～22 m，周期來(lái)壓最大值在27～45 MPa，且來(lái)壓周期及來(lái)壓強(qiáng)度無(wú)明顯規(guī)律。

圖2 5103工作面循環(huán)末阻力和時(shí)間加權(quán)阻力變化

圖3 8103工作面循環(huán)末阻力和時(shí)間加權(quán)阻力變化

老頂初次來(lái)壓時(shí)，近距離煤層采空區(qū)下工作面的初次來(lái)壓步距更??；周期來(lái)壓時(shí)，近距離煤層采空區(qū)下的工作面對(duì)應(yīng)的來(lái)壓步距和持續(xù)長(zhǎng)度小于上層的工作面，且較上層的工作面，下層工作面對(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。

3.3 覆巖運(yùn)動(dòng)特征分析

基于鋪龍灣煤業(yè)地質(zhì)條件，使用水泥等相似材料制作上覆巖層模擬試塊， 并對(duì)試塊構(gòu)建的模擬巖層從左向右進(jìn)行模擬開(kāi)采實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖4，圖5.

圖4 模擬工作面頂板初次垮落

圖5 模擬工作面重復(fù)擾動(dòng)疊加垮落

為了研究上覆巖層位移規(guī)律，在模擬試塊表面布置7排觀測(cè)點(diǎn)，其中a1～a7代表開(kāi)采前測(cè)點(diǎn)原始高程，b1～b7代表下層煤開(kāi)采結(jié)束后各測(cè)點(diǎn)高程。

如圖4所示近距離煤層開(kāi)采過(guò)程中，隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)范圍依次形成垮落帶、斷裂帶、彎曲帶，“三帶”特征明顯，其中斷裂帶、彎曲帶相對(duì)穩(wěn)定并具有一定承載能力，垮落帶由于失去支撐應(yīng)力集中向下傳遞，導(dǎo)致下覆煤層工作面頂板應(yīng)力高于正常開(kāi)采時(shí)頂板應(yīng)力。

3.4 應(yīng)力場(chǎng)分布

為研究采空區(qū)下近距離煤層開(kāi)挖后的應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)，采用comsol模擬軟件構(gòu)建相似模型。模型走向長(zhǎng)度400 m，工作面長(zhǎng)度149.5 m，從上至下分為4層，上部采空區(qū)及可采煤層高度為17.98 m下部煤層頂板厚度為20 m，底板厚度4 m，見(jiàn)圖6.

圖6 頂板變形特征點(diǎn)圖

如圖7、圖8、圖9所示分別為原始應(yīng)力狀態(tài)以及開(kāi)挖100 m及150 m圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布?？梢园l(fā)現(xiàn)采空區(qū)下煤層不受采動(dòng)影響時(shí)垂直方向應(yīng)力分布為線性分布，說(shuō)明頂板上采空區(qū)形成新的受力平衡可以傳遞應(yīng)力，在原始應(yīng)力平衡狀態(tài)下地板承托上部巖石，水平方向應(yīng)力分布較為均為。開(kāi)挖100 m后采空區(qū)正上方出現(xiàn)拱形應(yīng)力集中區(qū)域，新采空區(qū)上部頂板應(yīng)力集中明顯，工作面前方頂板出現(xiàn)小范圍應(yīng)力集中區(qū)域。由于頂板應(yīng)力分布類似壓力拱形結(jié)構(gòu)，本煤層采動(dòng)起止點(diǎn)作為壓力拱兩端支點(diǎn)同樣出現(xiàn)小范圍應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著開(kāi)挖距離的增加，新采空區(qū)上部拱形應(yīng)力集中區(qū)及工作面前段頂板應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，集中區(qū)內(nèi)應(yīng)力增大，本煤層兩端應(yīng)力集中區(qū)變化較小。頂板壓力拱兩端中間部分由于受壓嚴(yán)重往往最先發(fā)生破壞，兩端支點(diǎn)處應(yīng)力向下傳遞形成了拱形的應(yīng)力分布狀態(tài)。開(kāi)挖150 m后，采空區(qū)頂板中部應(yīng)力集中現(xiàn)象增強(qiáng)，拱形應(yīng)力分布范圍增加，全范圍內(nèi)應(yīng)力均提高，可以發(fā)現(xiàn)隨著采動(dòng)范圍的增大，采空區(qū)頂板及前后兩端由于應(yīng)力集中最先發(fā)生破壞。

圖7 原始應(yīng)力狀態(tài)

圖8 開(kāi)挖100 m應(yīng)力分布狀態(tài)

圖9 開(kāi)挖150 m應(yīng)力分布狀態(tài)

總體來(lái)說(shuō)，本煤層采動(dòng)引起的采動(dòng)影響引起了采空區(qū)下煤層頂板的應(yīng)力集中，頂板上覆采空區(qū)可以傳遞壓力但強(qiáng)度不高，因此隨著下層頂板應(yīng)力集中發(fā)生破壞頂板往往更大范圍垮落。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 老頂初次來(lái)壓時(shí)，近距離煤層采空區(qū)下的工作面的初次來(lái)壓步距小于上層工作面；周期來(lái)壓時(shí)，近距離煤層采空區(qū)下層工作面對(duì)應(yīng)的來(lái)壓步距和持續(xù)長(zhǎng)度小于其上層的工作面，且較上層的工作面，下層工作面對(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) 相對(duì)于上位煤層常規(guī)工作面，下位煤層工作面礦壓呈現(xiàn)明顯的非周期性特征，礦壓顯現(xiàn)與上覆巖層結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，上覆近距離煤層開(kāi)采對(duì)下覆煤體具有明顯的卸壓作用。

3) 采空區(qū)下煤層開(kāi)挖后，采空區(qū)頂板中部受壓嚴(yán)重，兩端應(yīng)力向下傳遞形成了拱形的應(yīng)力分布狀態(tài)，隨著開(kāi)挖距離的增加，拱形范圍逐漸擴(kuò)大。