近距離煤層開采時下部煤層壓力成因及防治技術研究

王 星

（大同煤礦集團股份有限責任公司安全管理監察局，山西 大同 037000）

同煤集團煤峪口礦14#層410盤區近距離煤層開采為原型進行了研究，上部煤層開采引起回采空間周圍巖層應力重新分布，應力的范圍及大小與上部煤層開采范圍和采空區周圍的支撐壓力分布有關，下部煤層重新形成的應力分布規律成為影響下部煤層巷道布置和維護的重要因素。

1 近距離煤層開采時下部煤層壓力分布

1.1 底板巖層應力分布計算

依據土力學理論，集中力rh（看作上部煤體的載荷峰值）作用在半無限體的平面上，對平面下方任意點M將發生影響如圖1（a）。

圖1 集中力對半無限平面內M點的影響

假設處于彈性狀態，則有

式中：

A、B-比例系數；

R-半徑，m；

dR-半徑的延伸量，m；

μR-M點沿R方向的變形量，m；

μR1-M1點沿R+dR方向的變形量，m；

εR-dR段的應變量；

σR-R方向的徑向應力，kN。

取半徑為R的半球面，如圖1（b），則有

將（1）中的σR帶入（2）中積分后得：

將σR換算為作用在水平面積FW的應力，如圖1（c），則有：

在上部煤體載荷rh的作用下，巖體內的鉛直應力：

式中：

rh-上部煤體載荷，kN；

FR-半球的表面積，m2；

RW-水平面積，m2；

z-該點距上部煤體的垂直距離，m；

由式（3）可知，底板巖層內任一點的應力主要取決于上部煤柱（體）的載荷、該點與上部煤柱（體）的垂直距離及該點與上部煤柱（體）邊緣中心線的水平距離。

1.2 底板巖層應力分布規律

圖2 底板巖層的應力圖

按照公式（3）計算底板巖層的應力分布如圖2，圖2（a）為上部巖層一側采空區壓力峰值為3RH時，底板巖層的壓力分布情況。圖2（b）為上部煤層兩側采空區壓力峰值為5RH時，底板巖層的壓力分布情況。綜上發現一側采空煤體作用于煤層上的支撐壓力的影響深度約為1.5倍至2倍煤柱寬度，兩側采空煤體作用于煤層上的支撐壓力的影響深度約為3倍至4倍煤柱寬度，在煤柱影響范圍內的同一底板巖層水平面上，煤柱中心線垂直應力最大，無論在何種形式煤層載荷的作用下，底板巖層內的應力分布都呈擴展狀態，一般在上部煤層的煤柱下方為增壓區，采空區的下方為減壓區。

2 近距離煤層開采時下部煤層壓力防治措施

2.1 近距離煤層開采工作面部署

2.1.1 空間上

近距離煤層下行開采時，上部煤層工作面回采后，采空區上覆巖層產生變形撓曲直至破壞冒落后，巖體內的應力將重新分布，并趨于新的平衡，對下部煤層工作面形成卸壓區域，應力低于原巖應力，上部煤層回采時留有的煤柱，在煤柱下方為增壓區域，應力高于原巖應力。在煤礦生產中，盡量使下部煤層工作面布置于卸壓區域內，一般內錯上部煤層工作面布置。目前近距離煤層工作面回采巷道空間布置位置關系主要有內錯式、外錯式、重疊式三種，如下圖3，1、3布置為內錯式，1、2布置為重疊式，1、4布置為外錯式。

圖3 巷道空間布置位置圖

2.1.2 時間上

近距離煤層下行開采時，不僅在空間上要布置合理，避開高應力區，在采掘時間上也要合理安排，上部煤層開采后，圍巖內的應力不斷地趨于新的相對平衡狀態。下部煤層工作面采掘時間安排應保證：（1）在上部煤層工作面的采動影響范圍之外；（2）上部煤層工作面回采后，采空區圍巖應力相對穩定后。

煤礦生產中下部煤層工作面巷道布置在時間和空間上應盡量避開采掘活動影響，最好將巷道布置在上部煤層開采后所形成的應力降低區域內，例如：煤峪口礦14#層410盤81010工作面內錯布置于上覆12#層410盤區81008工作面采空區下方，錯距10m，14#層410盤區81010工作面開采時間滯后于12#層410盤區81008工作面兩年半，在14#層410盤區81010工作面回采時受上部煤層壓力影響較小。由于每個礦的地質條件不同，工作面錯距與開采滯后時間視層間距、煤層傾角、層間巖性、構造等因素而定。

2.2 巷道保護及支護措施

（1）在煤礦實際生產中下部煤層巷道布置受各種條件制約，如果不能避開增壓區，布置在上部煤層煤柱下方，可通過在巷道圍巖中鉆孔卸壓，使巷道圍巖受到某種形式的不同程度的卸載，將本該作用于巷道周圍的集中載荷，轉移到離巷道較遠的新的支撐區，達到降低圍巖應力的目的。例如：煤峪口礦14#層410盤區81014工作面進風順槽布置在上部煤層采空區煤柱下方，受上覆煤柱壓力影響，在工作面回采過程中巷道底板底鼓嚴重，回采時需重新起底1～1.5m左右，給生產和安全帶來嚴重影響，為解決這一問題，礦在巷道底板距巷幫400mm處開掘寬300mm、深600mm的泄壓槽，泄壓槽開掘后巷道底板底鼓現象得到了有效控制。泄壓槽泄壓現場試驗結果如圖4（a），曲線1為未泄壓時巷道頂底板相對移近量，曲線2為泄壓槽深度為400mm時巷道頂底板相對移近量，曲線3為泄壓槽深度為600mm時巷道頂底板相對移近量。泄壓槽的開掘不僅使支撐壓力峰值向巷道圍巖深部轉移，使巷道處于應力降低區，而且還為巷道圍巖變形提供了補償空間，從而使巷道圍巖變形量減小。泄壓效果取決于泄壓槽寬度b（軟巖大于200～300mm，中硬巖200～300mm），深度h，德國埃森采礦研究中心對切槽深度與底板穩定性的關系進行了研究，當切槽深度h小于巷幫到切槽的間距a時，可將開槽后的底板視作從泄壓槽下方受到橫向載荷P作用的巖石懸梁承受彎曲應力作用如圖4（b），即使p值不大也可使底板向上翹曲，甚至破斷。當切槽深度h大于巷幫到切槽的間距a時，相當于短梁受載情況如圖4（c），此時開槽后形成的巖塊不受彎曲載荷而承受剪切載荷，由于巖層的抗剪切強度遠大于承受彎曲時的抗拉強度，開槽后底板巖層具有較大的穩定性。

（2）采用圍巖鉆孔注漿和利用各種新型材料加固圍巖，增強圍巖強度，優化圍巖受力條件和賦存環境。

（3）改進支護方式，盡量對圍巖施加徑向力，加大巷道的圍壓，保持圍巖三向受力狀態，提高圍巖強度，限制塑性變形區和破裂區的發展，

圖4 泄壓槽泄壓現場試驗結果

煤峪口礦14#層410盤區81012工作面屬近距離煤層開采，81012工作面進風順槽和回風順槽原支護采用錨桿、錨索、鋼帶聯合支護，在工作面超前支護50m范圍內采用DZ35-30/110型單體柱加強支護，在工作面推進過程中由于層間距太小，巷道動壓顯現明顯，工作面順槽變形嚴重，在生產中巷道維護工程量大，經過改進支護方式，在開采到巷道未變形時采用在原支護下支設U29可縮性金屬棚，并在每個U29可縮性金屬棚下支設一根單體柱，這樣形成“支架-錨桿、錨索-圍巖”相互作用和共同承載的力學平衡體系，在這個平衡體系中U29可縮性金屬棚的支撐力在一定程度上能有效抑制直接頂頂板離層，控制圍巖塑性區的再發展和圍巖的持續變形保持圍巖穩定，而可伸縮性U29金屬棚的可縮性又能有效地控制和適應圍巖的變形。

2.3 近距離煤層開采時下部煤層礦壓防治效果

同煤集團煤峪口礦14#層410盤區81010綜采工作面內錯布置于上覆12#煤層采空區下方，層間距8m，巷道采用可縮性金屬支架與錨網、錨索聯合支護，并在工作面兩順槽距巷幫400mm處開掘寬300mm，深600mm的泄壓槽。在該工作面回采過程中，工作面兩順槽無明顯礦壓顯現，巷道底鼓現象基本得到控制，巷道二次維修工作量較其他工作面減少70%左右。通過該工作面的實際生產情況，證明近距離煤層開采時，多種措施聯合運用，能取得明顯效果。

3 結語

本文結合煤峪口礦14#層410盤區近距離煤層開采的實例，將近距離煤層開采壓力成因及如何防治上部煤層開采后對下部煤層的壓力影響，作簡要分析，為近距離煤層開采提供寶貴經驗。