榆家梁煤礦多煤層開采礦壓顯現規律研究

摘要：通過神東礦區榆家梁煤礦4-2，4-3和5-2近距離煤層群分層同采的實測對比，分析了近淺埋煤層群開采下煤層過采空區和煤柱的礦壓顯現規律，以及不同面寬、不同采高工作面的礦壓顯現變化規律。研究表明，下煤層開采過上煤層采空區時，工作面來壓步距變短，強度平均增大29.0%，下煤層工作面過上煤層煤柱時的礦壓影響最大，煤柱影響區的支架載荷增幅達41.4%.相同面寬條件下，隨著采高的增大，工作面支架載荷增大。在工作面寬度為240～360 m范圍內，寬度變化對礦壓影響不明顯。

關鍵詞：淺埋煤層群；采空區；煤柱影響區；頂板來壓

中圖分類號：TD 323 文獻標志碼：A

0.引言

中國陜晉蒙煤炭資源豐富，且賦存大量埋深在200 m內的淺部煤田，如神府一東勝和大同煤田等。神府一東勝煤田是我國重要的大型淺埋煤炭能源基地，探明的儲量占全國探明儲量的1/3，區內的千萬噸大型礦井均含有多層距離較近的可采煤層。近淺埋煤層工作面的礦壓不僅沒有因埋深淺而減小，反而存在異常強烈的礦壓顯現，出現地表臺階下沉，工作面冒頂等問題。目前淺埋單一煤層開采的巖層控制理論，已經得到系統研究。對淺埋煤層開采覆巖運動和頂板動態載荷傳遞、大采高工作面巖層控制、保水開采巖層控制等進行了較為系統深入的研究。

近年來，神府礦區內大型礦井已陸續進入第2主采煤層的開采，有的礦井選擇多煤層分層同采。自2007年以來，神東礦區已累計發生各類壓架事故高達十多起，直接經濟損失高達3億多元，見表1，淺埋近距離煤層開采逐漸成為新的研究熱點，其礦壓規律和機理還有待深入研究。

在淺埋近距離煤層群分層同采過程中，下煤層在開采前頂板的完整性受上煤層開采擾動而出現破碎頂板或未壓實頂板，上位煤層開采后未回收的煤柱會在底板形成集中應力，導致下煤層開采的頂板結構和應力場發生變化，使得下煤層開采條件復雜化。因此，研究煤層群開采下位煤層的礦山壓力顯現規律成為大型礦區安全高效開采亟待解決的問題。

文中基于神東礦區榆家梁煤礦淺埋多煤層開采實踐，通過對工作面過集中煤柱區、上覆采空區、不同面寬和不同采高情況下的工作面礦壓實測數據進行分析，揭示淺埋近距離煤層群開采的礦壓顯現規律，為工作面頂板控制提供科學依據。

1.榆家梁煤礦地質條件

榆家梁煤礦核定生產能力1 630萬t/a，傾角13°，構造簡單。采用長壁后退式一次采全高采煤法，全部垮落法處理頂板。該礦含可采煤層4層，分別為4-2，4-3，4-4及5-2煤層，如圖1所示。目前4-2，4-3和5-2煤層3層煤同時開采。

4-2煤層厚度2.02～6.44 m，平均3.68 m.煤層頂板為泥巖或粉砂巖，底板為泥質粉砂巖，該煤層距4-3煤21 m左右。工作面采用ZY-12000/20/40D掩護式支架。

4-3煤層厚度為1.70～2.08 m，平均1.90 m.煤層厚度較薄，底板和煤壁較軟。該煤層距5-2煤50 m左右，且煤層上覆頂板存在煤柱和采空區。工作面支架為ZY7600/1.2/2.4掩護式支架。

5-2煤層厚度3.2～4.2 m，平均3.8 m.頂板為泥巖，底板為粉砂巖，泥質膠結。工作面選用支架有鄭煤ZY9000/2.4/5.0和DBT生產的ZY8638/2.4/5.0.掩護式支架。

2.淺埋煤層群開采礦壓顯現規律

在煤層群開采時會存在不同面寬、不同采高的工作面，以及聯合開采等情況。下面根據榆家梁煤礦不同工作面的礦壓實測數據，分析下位煤層開采過程過上覆采空區和集中煤柱區情況下的礦壓顯現規律。

2.1下位煤層過上覆采空區

當下位煤層處于上覆采空區時，礦壓顯現主要受煤層間距的影響，一般可分為3種情況

1）極近距離煤層群，一般指層間距小于10 m或層間巖層很薄、難以形成老頂鉸接結構的煤層，來壓步距受上煤層覆巖層關鍵層破斷距的影響明顯；

2）近距離煤層群，一般指層間距小于30 m或層問巖層只有一組關鍵層的煤層，來壓步距為煤層間巖組關鍵層的破斷距；

3）遠距離煤層，一般指層間距大于30 m或間隔巖層具有2組以上關鍵層的煤層，煤層間相互影響較小，等效于單一煤層的采動規律。

43302-1工作面長度354.8 m，推進長度1749.7 m，煤層厚度1.55-1.90 m，平均厚度1.72m，回采工作面經過42201，42202和42224工作面采空塌陷區，如圖2部分所示。該煤層距412煤18～22 m，屬淺埋近距離煤層群開采，工作面選用ZY7600/1.2/2.4掩護式液壓支架，支架額定工作阻力為7 600 kN/架。

43302-1工作面初采期間的來壓規律如圖3所示，老頂初次來壓時工作面中后部支架來壓明顯（圖3（b）），壓力逐步向兩側轉移。工作面周期來壓步距為6 m，2次小周期一次大周期，存在大小周期來壓。

由于4-2和4-3煤層間距較小，平均為21 m，上覆巖層僅存在較薄的單一關鍵層，工作面周期來壓期間頂板有淋水、局部漏頂等現象。實測發現，工作面周期來壓時整個工作面頂板來壓，大部分支架載荷超過額定工作阻力，最大載荷超過8 444 kN/架，是額定工作阻力的1.1倍。來壓步距變短，來壓強度增大是礦壓的主要特點。

2.2下位煤層過集中煤柱區

開采下煤層時，受上煤層開采遺留煤柱的影響，下煤層工作面推進通過上覆兩側采空煤柱和一側采空煤柱過程中，發生了多起壓架事故。榆家梁煤礦43309綜采工作面長度320.76 m，推進長度1 865.6 m，煤層平均厚度1.89 m，設計采高2.1 m.43309綜采工作面機尾段處于42308和423092側采空區煤柱下的應力集中區（圖4）。

在工作面過上煤層區段煤柱時，煤層間距的影響和合理的上下煤柱錯距（巷道布置）為主要影響因素。43309工作面初采段為原始地層，末采段上部13～17 m為42208和42209工作面遺留集中煤柱。43309工作面初采和末采段200 m內的礦壓規律對比分析如圖5所示，圖中字母C和M分別表示初采和末采，后面的數字表示支架號（自運輸順槽至回風順槽依次編號）。30#支架位于工作面上測部，90#支架位于工作面中部，160#支架為工作面下部且末采時位于煤柱下。

通過對初采期間（自開切眼200 m內為原始地層）和末采期間（距停產線200 m內）的同一支架工作阻力對比分析可知回采班上部30#支架載荷增幅27.6%，90#支架載荷增幅30.0%，下部煤柱區160#支架載荷增幅最大，為41.4%.檢修班工作面上部30#支架載荷增幅27.7%，中部90#支架增幅7.6%，下部煤柱影響區160#支架載荷增幅也高達39.4%.總體上，有如下特點

1）在受上煤層開采影響的區域（末采段為例），工作面支架載荷普遍增大，總平均增幅29.O%；

2）回采班平均增幅33.0%，檢修班支架載荷增幅平均24.9%，回采班增幅更顯著；

3）煤柱影響區的液壓支架的工作阻力增幅最大，平均增幅達到40.4%.其中，檢修班增幅為39.4%，回采班增幅高達41.4%，極易出現壓架的可能。

因此，在工作面支架選型布置時，應當在上部煤柱影響區的選擇支護能力較強的液壓支架，保證工作面支護安全。

2.3不同面寬和不同采高的礦壓規律

在煤層群分層同采的情況下，會存在不同采高、不同面寬的工作面。通過對不同工作面寬度和采高的工作面礦壓規律實測，掌握不同工作面寬度和采高對礦壓顯現規律的影響，指導工作面頂板管理和支護。

5-2煤工作面回采過程中經常在4-3或4-2煤采空區下回采，由于層間距較大，4-3煤煤層厚度較薄為1.9 m，對5-2煤層工作面礦壓影響較小，見表2.在采高相同的情況下，隨著工作面寬度由214 m增大到360 m，來壓步距和動載系數略有增加，但變化不大。面寬314 m時來壓步距稍大，說明一定范圍內工作面寬度的影響不大。

不同煤層采高，相同面寬時的工作面礦壓顯現規律如表3所示。可見，42202和52105工作面在面寬基本相同而采高增大情況下，工作面周期來壓步距不變，動載系數增大。43309工作面頂板上有集中煤柱區的影響，雖然采高小，但周期來壓動載系數較大。

綜上所述，在近距離煤層群的開采中，頂板的完整性和是否存在煤柱，是影響工作面礦壓顯現強度的主要因素。在榆家梁煤礦條件下，2～4 m采高和200～360 m工作面寬度，對礦壓規律影響不大。

3.結論

1）淺埋煤層群的上煤層開采對下煤層工作面礦壓顯現具有明顯影響，下煤層開采時的支架選型必須考慮上煤層采空區和煤柱的影響；

2）在近距離條件下，下煤層工作面處于上煤層采空區時，工作面周期來壓時整個工作面頂板來壓，來壓步距變短，存在大小周期來壓，來壓強度增大，平均最大幅度達到29.0%；

3）在上煤層煤柱影響區，支架載荷增幅最大，可達41.4%.工作面支架選型時，應該在煤柱影響區選擇阻力較大的支架，確保工作面安全和經濟支護；

4）工作面采高增大礦壓顯現增大；一定范圍內（240-360 m），工作面寬度變化對來壓規律影響不明顯。