極近煤層礦壓顯現(xiàn)問題研究

王 超

（山西焦煤集團有限責任公司官地礦，山西 太原030022）

化石燃料是我國最重要的燃燒能源，而煤炭資源更是化石能源中的重要組成部分。隨著開采年限的不斷增加，易開采的煤層開采較多，但賦存復(fù)雜的煤層仍然沒有得到高效開采。賦存條件較為復(fù)雜的煤層在開采時煤層的層壓過大，煤層的變形量加大致使圍巖和頂板的完整性大打折扣，近距離煤層的開采時煤層間壓力成為煤礦安全生產(chǎn)的重要問題。在進行下行開采時，上煤層的載荷會對下煤層的穩(wěn)定性提出較高的要求，下煤層的工作面頂板的破壞即下煤層的力學(xué)特性被破壞，這無疑會對下煤層的開采造成損害。到目前為止國內(nèi)外關(guān)于近距離煤層的開采研究還處于實驗室檢測和理論分析，例如付書俊等人[1]針對近距離煤層在掘進過程中受到的上層煤體對下層煤層的承壓問題進行了一定的研究，通過數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法對礦井的支護方案進行了優(yōu)化，并驗證了優(yōu)化的合理性。段思宇[2]對極近距離煤層的頂板破碎情況進行了一定的研究后，研制出了ZY5000/12/26D新型液壓支架，并通過工程實踐對研制的液壓支架的支撐效果進行了驗證。朱衛(wèi)兵[3]針對我國極近距離淺煤層房柱開采時下層的工作面壓架等問題，通過數(shù)值模擬和物理模擬相結(jié)合的手段對工作面的壓架問題進行了一定的研究，發(fā)現(xiàn)下煤層工作面開切眼側(cè)與工作面正上方的房采煤柱呈現(xiàn)橫向不均勻承載特征以及受水平拉伸變形影響，最終導(dǎo)致邊界處房采煤柱易出現(xiàn)對角斜切破壞模式。李建光[4]提出在停采線附近進行深孔爆破，使一體支護系統(tǒng)對極近距離的煤層受采動影響產(chǎn)生的巷道圍巖變形得到了解決。本文通過對某礦的監(jiān)測對極近煤層的礦壓顯現(xiàn)問題進行了研究，對極近煤層的圍巖控制具有積極的意義。

1 下煤層巷道穩(wěn)定性觀測

通過對某礦的綜采工作面進行研究和監(jiān)測，對綜采工作面液壓支架的支架阻力進行監(jiān)測和分析，得到工作面的初次來壓步距、初次來壓強度和工作面開采過程中的支撐壓力分布及壓力的演變過程。通過對礦山綜采工作面開采時巷道的圍巖變形、頂板和底板變形量的觀測確定支護設(shè)計的有效性與優(yōu)越性。

監(jiān)測點一般要求設(shè)置在較為完整的分布帶，在綜采工作面的連接槽處均設(shè)置2個觀測點，監(jiān)測點的布置一般要考慮到巷道的圍巖變形量、圍巖的整體性、頂板與底板不出現(xiàn)明顯的巖石破裂情況等，同時巷道中頂板、底板的觀測點一般均位于中間位置，避免監(jiān)測的不準確性。這些觀測點用于觀測巷道的變形及支護結(jié)構(gòu)的整體性。在巷道的順槽中各設(shè)置一個觀測點，巷道的觀測點布置的深度設(shè)置為1 m、2 m、3 m，觀點的監(jiān)測結(jié)果如下頁圖1所示。

從圖1的順槽表面的位移變形圖可以看出，隨著觀測點與開采工作面的距離不斷增大，巷道的圍巖變形越來越小，一般順槽受到綜采工作面的開采影響經(jīng)歷三個階段，分別為采動無影響區(qū)、采動影響較弱區(qū)、采動影響強烈區(qū)。采動無影響區(qū)一般與工作面距離測點50 m以上，采動對巷道的順槽的影響幾乎可以忽略不計，巷道的圍巖變形量、巷道的變形速度及巷道的圍巖破碎較小，圍巖的完整性較好。采動影響較弱區(qū)一般的測點距離工作面20～50 m的范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)巷道的變形量較小，一般變形量在200 mm之下，在此范圍內(nèi)巷道的完整性較采動無影響區(qū)有所降低，由于巷道的超前支撐力的作用，巷道的變形量和巷道變形速度一般較采動無影響區(qū)有了明顯地增大。巷道的采動影響強烈區(qū)一般在測點與工作面距離小于20 m的范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)巷道的變形量快速增大，巷道的完整性明顯降低，巷道的圍巖變形量和變形速度在三個階段內(nèi)最快，巷道受到采動的影響劇烈，巷道容易出現(xiàn)沖擊壓力和頂板下沉情況。

圖1 順槽表面位移變形圖

圖2為綜采工作面的上幫的位移工作面隨著工作面距測點的距離圖分別在深度1 m、2 m、3 m的觀測圖。

圖2 順板頂板的位移變化圖

從圖2可以看出回采期間內(nèi)測點不同深度的位移隨測點到工作面的距離依舊保持著三個階段，采動無影響區(qū)、采動影響較弱區(qū)、采動影響強烈區(qū)。在這三個階段中采動無影響區(qū)的測點距離工作面50 m以上的位置，無明顯的變形采動影響對巷道的順槽的影響幾乎可以忽略不計，巷道的圍巖變形量較小及巷道的變形速度一般較小，巷道的圍巖破碎較小，圍巖在深度為3 m的測點的變形速度小于3 mm/d，圍巖的完整性較好。在采動影響較弱的區(qū)域內(nèi)，由于采動會對圍巖產(chǎn)生一定的干擾，此時的圍巖變形將會加大，圍巖的變形速度和變形量都較采動無影響有所加大，圍巖在深度為3 m的測點的變形速度小于3～6 mm/d，圍巖的完整性大大下降，由于較少的破裂圍巖會對礦山的安全開采造成一定影響。采動影響強烈區(qū)內(nèi)的巷道變形量會大幅度增加，巷道的完整性明顯降低，巷道的圍巖變形量和變形速度是采動無影響區(qū)、采動影響較弱區(qū)、采動影響強烈區(qū)三個階段中最快的，深部的測點監(jiān)測到的圍巖變形速度達到15 mm/d，巷道受采動的劇烈影響，巷道容易出現(xiàn)沖擊壓力和頂板下沉情況，嚴重危險到了巷道開采人員和設(shè)備的安全。

在綜采工作面的開采過程中，隨著開采的不斷推進，順槽測點深度對圍巖變形速度監(jiān)測可以看出，隨著測點深度的增加監(jiān)測到的圍巖變形速度和圍巖的總變形呈現(xiàn)出下降的趨勢，且在采動無影響區(qū)、采動影響較弱區(qū)、采動影響強烈區(qū)內(nèi)的上升速度也有所不同；在測點到工作面的距離不斷增大的過程中，變形的加速度明顯減小；依據(jù)測點的監(jiān)測結(jié)果可知煤體的塑性區(qū)寬度一般保持在2.5 mm。

2 錨固力變化研究

在煤礦的回采過程中，通過錨桿測力計對巷道工作面的開采過程進行巷道的頂板的錨桿支護阻力進行監(jiān)測和記錄研究，測點的位置設(shè)置如前面所示為1 m、2 m、3 m，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)隨時間變化的曲線如圖3所示。

圖3 順槽的錨桿錨索的工作阻力曲線

根據(jù)圖3可以看出，隨著工作天數(shù)的不斷增加，錨索呈現(xiàn)出先增大后保持平衡，當工作天數(shù)在8天前時，支架的阻力從71 kN升到了87 kN，上升的速度為2 kN/d；當工作天數(shù)上升到8 d時，錨索的支護阻力開始保持平衡，此時外部的載荷達到了平衡狀態(tài)，但隨著工作天數(shù)不斷增加，頂板載荷將會繼續(xù)增大，頂板將會出現(xiàn)變形。錨桿的支護阻力比錨索的支護阻力明顯偏小，當工作天數(shù)增大到一定的天數(shù)后，錨桿的工作阻力維持在42 kN，錨索的工作阻力維持在87 kN，所以可知頂板的支護系統(tǒng)中錨索起到了主要的支護作用，而錨桿起到輔助支護作用。

3 結(jié)論

1）順槽受到綜采工作面的開采影響經(jīng)歷三個階段，分別為采動無影響區(qū)、采動影響較弱區(qū)、采動影響強烈區(qū)。

2）順槽受到開采影響的三個階段，圍巖變形速度到達了3 mm/d、3～6 mm/d、15 mm/d，可見采動影響強烈區(qū)的變形最大，支護要求也越離，且順槽的監(jiān)測點深度越大，圍巖的變形量越小。

3）隨著工作天數(shù)的不斷增加，錨桿錨索的支護阻力達到平衡，錨桿的工作阻力維持在42 kN，錨索的工作阻力維持在87 kN。