海域下三軟煤層綜放開采礦壓顯現規律研究

摘要：通過對北皂礦H2103工作面的理論分析及實測檢驗，揭示了三軟煤層采用放頂煤開采條件下的覆巖運動和支承壓力分布規律，提出了海域下三軟煤層布置工作面的采場頂板控制技術，為實現北皂礦海域下安全高效開采奠定了基礎。

關鍵詞：三軟煤層；覆巖運動規律；采場礦壓；巖層運動

我國東部沿海地區環渤海灣經濟圈的膠東半島從龍口到蓬萊已經勘測到海域下煤炭資源豐富，黃河口海域也賦存厚煤層。其中，龍口煤田延伸至海下面積超過150km2，經過海上三維地震勘探已探明的局部海域下煤炭地質儲量約為12.9億t。開發大型水體下煤炭資源不僅能夠增加我國東部經濟發達地區的煤炭產量，緩解煤炭緊張的局面，而且能夠使煤炭資源回收率最大化。因此，如何控制回采工作面及回采巷道頂板的穩定，是實現煤礦安全高效開采的基礎和重要保障。

1地質概況及工作面開采條件

H2103工作面位于北皂后村北部海域。該面為海域第二個回采工作面，東部為BH5鉆孔，東南部為HF-14斷層，西南為H2101工作面采空區，西部為海域回風井，北為二采回風巷。工作面走向長597m，傾向長146.2m，開采煤層總厚度4.25m，煤層傾角4~10°，平均8°。工作面內煤層結構較簡單，含主要夾矸兩層，厚度一般較小，以泥巖、炭質泥巖為主。

2工作面開采過程中相關參數計算

根據H2103工作面覆巖特性及開采技術條件，采用實用礦山壓力理論，建立采場結構力學模型（見圖1）和數學模型，得出了采場圍巖礦壓特性。該工作面為單巖梁結構，厚度為 ，其中支托層厚度為7.87m，隨動層厚度29.06m，頂板巖層垮落厚度 ，直接頂初次垮落步距 ，老頂初次垮落步距 ，周期垮落步距為 。支承壓力分布范圍為276m，其中內應力場范圍為8.3m。

3 數值模擬研究

3.1H2103工作面數值模擬模型

H2103工作面推進的數值模擬采用有限差分FLAC3D軟件，分別模擬了工作面在原始應力、開切眼、推進到工作面長度及停采位置的頂板應力分布及覆巖下沉情況。

煤層厚4m，直接頂厚8m。煤層采用綜采放頂煤一次采全高。直接頂隨工作的推進隨采隨落。煤層、直接頂空單元（1）來模擬，不參與計算。

3.2支承壓力分布范圍數值結果分析

為研究覆蓋巖層硬度、強度、以及煤層覆蓋厚度不同支承壓力分布規律，設置多種方案進行數值模擬，得到原煤巖力學參數和煤層埋深下支承壓力分布曲線見圖2，工作面推進塑性區圖見3，支承壓力集中系數與工作面推進長度關系曲線見圖4。

⑴隨著回采工作面向前推進，峰值距離逐漸增大，但變化較小，峰值距離在8～12m。支承壓力集中系數隨回采工作面的推進逐漸增大，工作面推進長度為110m時，趨于穩定，支承壓力集中系數為1.63。

⑵回采工作面前方大約12m以內的應力達到強度極限，隨著巖體的破壞，其支承能力開始降低，煤層支承壓力分布為兩個區間：塑性區和彈性區。開挖面前方大約12m以內為塑性區，12m外為彈性區。在塑性區壓力逐漸上升，在彈性區壓力單調下降，彈塑性區的交界處為支承壓力峰值位置。覆蓋巖層的塑性區范圍在30～50m。

⑶覆蓋巖層硬度越高，支承壓力峰值越小，峰值距離越大。出現這種現象，分析認為覆蓋巖層越硬，老頂巖梁傳遞上覆巖層荷載范圍越大。因此，工作面前方煤壁分擔上覆巖層荷載范圍較大，峰值降低。覆蓋巖層彈性模量較小時支承壓力曲線陡峭， 支承壓力集中系數較高。隨覆蓋巖層彈性模量的增大，支承壓力峰值距離增大，支承壓力曲線平緩。

4實測研究

4.1工作面礦壓觀測及支架結果分析

⑴直接頂初次垮落

H2103工作面在安裝設備期間開切眼導硐刷寬后頂板即破碎，在開采后工作面頂板隨采動基本立即冒落，經推算直接頂初次垮落步距應該為原開切眼導硐的寬度3.5ｍ。以后直接頂隨移架而冒落，無懸頂現象，采空區冒落充分，有利于老頂的控制。

⑵老頂的初次裂斷及來壓步距

根據以下活柱下沉速度的現場分析，工作面軌道巷側進尺8m，下部運輸巷側進尺11m，平均9.5ｍ，此次為工作面老頂初次來壓，加上開切眼的8m，經計算老頂初次垮落步距應為17.5m。

⑶周期來壓

H2103工作面支架支護阻力采用綜采支架測力儀自動記錄，曲線見圖5所示。在開采初期，支架受力(特別是后柱)經歷了初始階段，支護阻力緩慢增高、峰值持續、卸載階段，具有明顯的周期性，也表明支架與頂板具有良好的適應性。支架支護阻力曲線表明了三軟煤層H2103工作面頂板來壓過程，初次來壓步距大約為17m，周期來壓7m左右。

4.2 H2103工作面支架活柱縮量分析

H2103工作面活柱縮量采取記錄了工作面在生產過程中，礦壓監測小組對活柱縮量每隔一小時進行了周期測量。

由于老頂來壓時，支架受老頂裂斷的沖擊壓力影響，支架除了持續卸載以外，且卸載的速度會有所增加，因而周期監測活柱的縮量，計算活柱的下降速的，可以更為準確的判斷工作面的來壓情況，可以清晰判斷出42#支架活柱下降速度的分布情況，在下降速度最大的位置即為來壓位置。

5結論

5.1 H2103工作面圍巖在自重作用下，最大、最小地應力差別較大，在布置巷道及回采期間實施支護時應考慮地應力差異的影響。頂底板巖層出現了不同程度的屈服變形，巖層下沉范圍較大，在頂板控制時，不僅要控制支架的支護阻力，而且還有控制支架活柱縮量，以適應頂板巖層的大變形。

5.2 H2103工作面初采時，由于采動影響，頂板巖層發生塑性及蠕變變形，使得圍巖應力發生了急劇的調整，最大主應力最大位置發生在開挖位置底板巖層，最大值較自重應力明顯地增加。同時，在開挖后直接煤層頂板巖層出現了拉應力發生。

5.3 開采以后，在冒落帶之上的巖層是由松軟巖層組成的老頂，無論是下位\"巖梁\"的裂斷或是上、下位\"巖梁\"間的短暫離合，都會是在緩慢的發展過程中實現，不會出現動壓沖擊。受上覆巖層的重力作用還要繼續下沉、彎曲、變形，并將使冒落的巖石逐漸壓實，在壓實過程中上覆巖層的下沉速度愈來愈小。裂隙帶中的破斷巖塊，隨著采空區冒落矸石的壓實，將呈互相牽制的運動狀態。各巖塊之間有可能互相鉸接或擠壓，而形成緩慢下沉式的力的平衡。因此，海域開采工作面老頂將呈現以支托層裂斷步距為依托，整體緩慢下沉運動的特征。

參考文獻

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[2] 夏洪春，鄭學軍， 李金奎， 鄒玉龍.三軟煤層超長工作面采場礦壓顯現規律研究[D]大連大學學報，2008.03.

作者簡介：常穎(1954～)，男，山東濟南人，高級工程師，主要從事煤礦安全高效開采及煤礦管理方面的研究。