近距離煤層采空區下工作面礦壓顯現數值研究

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首采煤層資源枯竭，必須要進行下位煤層開采的問題[1-5]。工作面布置在采空區下進行開采時，各種礦壓規律及其控制技術成為研究的關鍵內容[6-10]。木瓜煤礦10-211工作面上方部分處于上方9煤采空區下，在工作面回采過程中，上方采空區對覆巖運移規律產生了很大的干擾，可能造成下煤層工作面礦壓顯現劇烈，上下采空區貫通的危險。文章假設下工作面全部處于上方煤層采空區影響范圍下，探究近距離煤層下工作面回采過程的礦壓顯現規律，為下工作面的安全高效開采提供指導。

1 工程概況

木瓜煤礦10-211工作面上部大部分為實體煤，局部區域位于格桃焉村保安煤柱下，以北緊鄰10-213采空區，以南緊鄰10-209采空區，以西緊鄰礦井井田邊界，靠近風氧化帶及西縱高速公路保安煤柱，以東緊鄰二采區三條大巷。工作面標高范圍：+851～+895 m，地面標高范圍+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。工作面地質綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 工作面地質綜合柱狀圖

工作面直接底為泥巖，厚度1.0 m，灰黑色，致密光滑細膩，老底為細砂巖，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，泥質膠結。

2 數值模型及參數

根據木瓜煤礦10-211工作面的實際地質條件，9煤與10煤的層間距平均在10 m左右，參考文獻建立三維數值模型如圖2所示，模擬10煤10-211工作面在9煤采空區下回采過程中的壓力顯現規律。

圖2 三維數值模型

建立的數值模擬尺寸為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的垂直應力用來模擬上方巖層的載荷，數值模擬計算的物理力學參數選取按照已有實驗室實測的抗壓抗拉及彈性模量的數值[5]，具體見表1所示。模型整體采用莫爾庫倫破壞準則，模型開挖時四周各留設50 m的保護煤柱以消除邊界效應，開挖后的采空區采用弾性模型進行充填以減小數值計算量。模型中首先開挖9煤并完全計算至應力平衡，之后按照不同的開挖進尺對10煤進行分部開挖模擬，模擬后的結果導入Tecplot后處理軟件進行處理，研究9煤采空區下10煤開采不同進尺下的應力分布規律。

表1 煤巖物理力學參數表

3 數值模擬結果與分析

3.1 上工作面采空后應力分布規律

模型首先對9煤進行全部開挖，開挖長度與下工作面長度相同，開挖平衡后模型垂直應力與水平應力分布規律如圖3所示。從垂直應力分布規律可知，垂直應力最大值出現在工作面四周煤體，集中應力最大值可達34.6 MPa，應力系數為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中部，頂板越被壓實，垂直應力向下影響范圍也越大；從水平應力特征來看，9煤采空區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力的影響。由此可知，下工作面開采主要受上工作面采空區垂直應力的影響，水平應力對其回采工作影響較小。

圖3 上工作面采空后應力分布規律

3.2 下工作面不同開挖進尺應力分布規律

為了研究在上工作面采空區垂直應力影響下的下工作面不同開挖進尺的工作面應力分布規律，分別選取開挖 10 m、40 m、70 m、100 m、150 m、200 m 六種開挖狀態，監測不同進尺下工作面煤壁前方30 m范圍的垂直應力分布規律，得到的結果如圖4所示。

圖4 下工作面不同開挖進尺下的垂直應力分布規律

由圖4（a）可知，工作面開挖10 m即相當于開切眼工作，此時距離工作面煤壁前方3～4 m位置出現超前支承應力峰值，垂直應力最大值達到9.78 MPa，之后在煤體深部超前支承應力逐漸恢復原巖應力狀態，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力還是超前支承應力值都有明顯的升高，煤壁所受垂直應力值在9.58 MPa，超前支承應力最大值為27.71 MPa，超前支承應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力較小說明此時巖層已經發生不同程度的破壞導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，超前支承應力分布規律相似，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，超前支承應力的影響范圍均在15 m左右，隨著推進距離的增加，煤層間的巖層可能會出現不同程度斷裂并重新擠壓，應力狀態分布表現出很大的不均勻性；由圖4（e）可知，工作面前方30 m的垂直應力分布特征與開挖70 m、100 m時有明顯不同，超前支承應力峰值達到56.85 MPa，且在煤壁前方9～10 m位置處出現明顯的應力降低區域，之后應力值繼續升高達到原巖應力狀態，造成這種現象的原因是在推進到150 m距離時，下煤層工作面受到上煤層邊界集中應力的影響，而邊界集中應力值較大，對下煤層的影響范圍更大，導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煤體提前出現破壞導致監測值下降；由圖4（f）可知，工作面開挖距離與上工作面一致后，超前支承應力分布特征與開挖70 m、100 m時相似，此時應力峰值在34.79 MPa，影響范圍在15～20 m。

4 近距離煤層釆空區下工作面礦壓規律分析及防治措施

近距離煤層上工作面開采后，工作面兩側實體煤內存在殘余支承應力與采空區重新壓實后對底板的應力傳遞的作用，會導致下煤層出現不同程度的破壞，破壞程度與上煤層工作面開采強度與煤層間距有關。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構較完整，超前支承應力值與分布范圍都比較小，及至開挖距離達到40 m時，上方采空區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，上方巖層出現破斷，導致層間巖層受力出現降低，超前支承壓力峰值增大，影響范圍增加。工作面繼續開挖至70 m、100 m時，垂直應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力的影響，下工作面垂直應力出現下降趨勢，因此在推進至靠近上工作面邊界時應著重注意壓力顯現變化，做好防護措施。

由上述分析可知，在木瓜煤礦10-211工作面部分處于9煤采空區下的情況下，應著重監測在工作面推進至采空區或出采空區情況下的礦壓數據，并對巷道采取“錨網梁+錨索”的加強支護措施[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參數詳見支護斷面圖（圖5）。現場對過采空區前、過采空區時、過采空區后三個階段的錨桿索進行應力監測，分別布置三個測站監測頂錨索（左右兩根）、頂錨桿（中間四根）、幫錨桿（上方兩根）的應力數值，監測周期為1周，現選取過采空區時的測站2的數據如圖6所示，根據數據監測圖可知，錨桿索應力數值在20 h之后逐漸趨于平穩，表明采用的支護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過程起到了很好的保護作用。

圖5 工作面巷道加強支護斷面圖

圖6 工作面過上方采空區時錨桿索應力監測值

5 結論

通過對采空區下工作面不同開采階段的數值模擬分析可知，工作面超前支承應力影響范圍在15 m左右，應力峰值在40 MPa左右，峰值位置距煤壁3～4 m，在工作面推進至采空區邊緣時應力分布特征出現較大波動，對10-211工作面而言，加強工作面進出上方采空區的應力監測，同時采取相應的“錨網梁+錨索”巷道加強支護措施，是保證工作面正常安全生產的重要途徑。