淺埋近距離采空區下工作面礦壓特征與頂板結構分析*

黃慶享，李康華，曹 健

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

我國西部陜蒙交界浩瀚的毛烏素沙漠下，淺埋煤層儲量豐富，主要可采煤層為3～5層近距離煤層。隨著不斷開采，最上部的煤層已開采殆盡，大部分礦井進入下部煤層開采。下煤層工作面處于上煤層近距離采空區下，工作面存在動壓災害，造成壓架事故，淺埋煤層群下煤層開采問題日益凸顯。

關于淺埋煤層群上部單一煤層開采，國內開展了大量研究，提出了淺埋煤層的定義，建立了淺埋單一煤層開采的頂板結構與巖層控制理論[1-6]。關于淺埋煤層群開采的研究成果，主要集中于過上覆煤柱的工作面異常來壓與頂板控制研究[7-8]。例如，楊敬軒等[9]分析了房柱采空區下近距離兩煤層頂板的砌體結構，并提出非連續均載作用下的砌體結構模型。王路軍等[10]認為下煤層工作面的礦壓顯現受上覆主關鍵層回轉運動的影響，因主關鍵層破斷塊體較長且距離下煤層較遠，工作面周期來壓步距更大，來壓持續時間更短。王創業等[11]對工作面過采空區及煤柱的礦壓規律進行了實測與模擬，得出工作面過上煤層采空區時來壓異常，過上覆煤柱時工作面來壓劇烈，導致壓架事故。目前，對間隔巖層結構特征、間隔巖層與上煤層破斷關鍵層組合結構及這些結構對下煤層采場來壓的影響，研究較少。

為此，以陜蒙淺埋煤層群開采為背景，通過14個近距離煤層下工作面礦壓特征是實測統計，分析近距離采空區下開采礦壓特征及其影響因素；采用物理模擬與理論分析，探究淺埋近距離煤層采空區下開采的礦壓顯現規律與頂板結構特征。

1 礦壓特征及其影響因素

1.1 工程開采實例統計

開采實踐表明，神府東勝煤田淺埋煤層群開采條件下，雖然不同礦井在煤層厚度、埋深及層間距等方面存在差異，但工作面礦壓顯現存在規律性。

同一礦井同一煤層工作面礦壓顯現規律基本類似，如大柳塔煤礦12305和12306工作面，補連塔煤礦22305、22306以及22307工作面等，統計具有代表性的開采條件及礦壓特征見表1[12-18]。

表1 陜-蒙部分礦井淺埋近距離煤層采空區下開采實例

1.2 影響因素實測分析

根據表1，運用控制變量的方法，研究某一因素變化對工作面礦壓顯現的影響。

1.2.1 埋深

已有研究表明，并非工作面上覆全部地層的重量都能作用于支架，支架載荷與工作面頂板結構密切相關。對比分析開采實例1、2、5，隨埋深增大，來壓期間支架工作阻力降低，而補連塔煤礦22306及32301工作面在埋深更大的情況下工作面支架阻力則高達19 700 kN/架與11 517 kN/架。可見，淺埋煤層群開采條件下，埋深對采空區下工作面礦壓顯現的影響不明顯，應重點對其他影響因素進行分析。

1.2.2 上煤層采高

通過控制其他基本因素，對比大柳塔煤礦實例7與8得出，上煤層采高由2.67 m增加至3.78 m，周期來壓期間支架的平均工作阻力由10 693 kN/架增大為10 887 kN/架，增大了2%；動載系數由1.5增大為1.72，增大了14.7%，如圖1所示。

圖1 支架阻力及動載系數隨上煤層采高的變化

1.2.3 下煤層采高

對比開采實例4、8及9，在上煤層采高、層間距及層間關鍵層數等因素一定的條件下，隨下煤層采高增大，層間具有單一關鍵層時，支架最大阻力與周期來壓步距均有所增大，如圖2所示。采高從1.72 m增大到4.7 m，兩者分別增大了52.4%與108%。

圖2 周期來壓步距與支架最大工作阻力隨下煤層采高變化

1.2.4 層間距

對比石圪臺煤礦開采實例2與3得出，其他條件不變時，層間距由1～6 m增加至15 m，周期來壓步距由平均9.7 m增大為11.4 m，增大了18%。根據實測統計，繪制層間關鍵層數與層間距的關系如圖3所示，關鍵層數與層間距成正比。當僅存在單一關鍵層時，層間距越大，關鍵層厚度越大。

圖3 淺埋煤層群層間關鍵層數與層間距的關系

可見，當在淺埋近距離采空區下開采時，上下煤層間距大多在10～45 m，下煤層采高一般為2～7 m，層間存在單一關鍵層，工作面開采過程中具有明顯的大小周期來壓現象，表明在一定程度上，上煤層的頂板關鍵層結構也參與了下煤層工作面的礦壓顯現。

2 頂板結構形態的物理模擬

選取研究區典型的工程實例，通過物理相似模擬實驗，對近距離下煤層開采的頂板結構形態及礦壓顯現特征進行分析。

2.1 哈拉溝煤礦物理模擬研究

2.1.1 工程背景及模擬設計

哈拉溝1-2煤層厚度平均約1.75 m，煤層傾角1°～3°。根據勘探，1-2煤層開采區域內無大斷層，構造簡單。1-2上煤層采高2 m，基巖厚度25～76 m。1-2煤層上部為1-2上煤工作面采空區，煤層間距為7～16 m。根據巖層條件設計相似模擬材料配比，幾何相似比為1∶50，配比表見表2。

表2 相似模擬材料配比

2.1.2 模擬實驗過程

實驗先開挖1-2上煤層，方向自右向左，待其垮落穩定后再開挖1-2煤工作面，根據模擬實驗記錄工作面礦壓顯現規律，見表3。

表3 模擬實驗結果與開采實踐對比

2.1.3 實驗結果分析

根據1-2煤工作面開采條件，屬淺埋近距離煤層采空區下開采，層間存在單一關鍵層，老頂關鍵層周期破斷形成“砌體梁結構”。下煤層老頂關鍵層的破斷運動，對上煤層已穩定鉸接結構產生擾動，擾動后的二次覆巖運動對下煤層工作面礦壓顯現產生影響。在下煤層工作面正常回采階段，下煤層關鍵層破斷，此時，僅“砌體梁”結構作用與直接頂自重對支架施載，形成小周期來壓；當上下關鍵層同步破斷，支架載荷由直接頂自重、層間關鍵層作用力、上下關鍵層間垮落巖層、已擾動關鍵層及其上覆載荷作用組成，形成大周期來壓。

由表3可知，1-2上煤層礦壓顯現規律基本與實測一致，實驗結果可靠。實驗過程顯示，1-2上煤層開采后，工作面初采階段垮落巖塊無鉸接，周期性垮落如圖4所示，在采高2 m時老頂關鍵層周期破斷形成“砌體梁”結構。下部1-2煤層采高1.75 m，初采階段與上煤層頂板垮落特征一致，周期性垮落階段，如圖5所示，同樣形成“砌體梁”結構。根據下煤層支架載荷數據，正常回采階段具有明顯的大小周期來壓現象。

圖4 1-2上煤層開采頂板周期垮落特征

圖5 1-2煤層開采頂板周期垮落特征

2.2 檸條塔煤礦物理模擬研究

2.2.1 工程背景及模擬設計

檸條塔煤礦北翼東區主采1-2煤層和2-2煤層，1-2煤層平均采高1.84 m，埋深110 m，2-2煤層平均厚度5 m，煤層間距平均33 m。實驗幾何相似比為1∶100，煤巖層物理力學參數與相似材料配比分別見表4和表5。

表4 煤巖層物理力學參數

表5 相似模擬材料配比

2.2.2 實驗過程及結果分析

實驗方法與上組相同，1-2煤層礦壓顯現規律與工程實測基本一致，實驗結果可靠。模擬顯示，1-2煤層開采后，工作面初采階段頂板垮落呈“梯拱形”，垮落巖塊無鉸接；此后呈周期性垮落，老頂關鍵層周期破斷形成“砌體梁結構”。2-2煤開采中，初采階段與單一煤層開采的特征一致；周期垮落階段，頂板形成“臺階巖梁”結構，如圖6所示。實驗表明，下煤層正常回采階段也具有明顯的大小周期來壓現象。

圖6 層間關鍵層周期垮落特征

根據2-2煤工作面開采條件，同屬淺埋近距離煤層采空區下開采，層間存在單一關鍵層，老頂關鍵層周期破斷形成“臺階巖梁”結構(圖6)。下煤層老頂關鍵層的破斷運動，對上煤層已穩定鉸接結構產生擾動。在下煤層工作面正常回采階段，僅下煤層關鍵層破斷時，只有“臺階巖梁”結構作用與直接頂自重對支架施載，形成小周期來壓；當上下關鍵層同步破斷，支架載荷由直接頂自重、層間關鍵層作用力、上下關鍵層間垮落巖層、已擾動關鍵層及其上覆載荷作用組成，形成大周期來壓。

3 下煤層開采頂板結構分析

結合實測統計與物理模擬可知，淺埋近距離煤層采空區下開采，層間關鍵層周期破斷可形成“砌體梁”和“臺階巖梁”兩種結構，如圖7和圖8所示。這兩種結構形態都難以保持自身穩定而出現滑落失穩，這是工作面頂板來壓強烈的根本原因。

圖7 層間“砌體梁”結構

圖8 層間“臺階巖梁”結構

通過對比兩組模擬實驗發現，下煤層采高、間隔巖層性質等因素對層間關鍵層的結構形態產生影響。直接頂巖層的碎脹系數影響垮落后對采空區的充填程度，決定關鍵層破斷后的回轉量，進而影響關鍵層周期破斷的結構形態。式(1)為關鍵層破斷巖塊的可供回轉量

Δ=M-(Kp-1)·h

式中，M為采高；Kp為碎脹系數；h為直接頂厚度。

當下煤層采高較小，采出空間小，采空區充填程度較充分時，Δ值較小，一般形成“砌體梁”結構，反之形成“臺階巖梁”結構。隨著下煤層老頂關鍵層的破斷運動，對上煤層已穩定鉸接結構產生擾動，擾動后的二次覆巖運動將重新形成鉸接結構。

上述兩組實驗上煤層采高均為2 m，工作面推進過程中老頂周期破斷均形成“砌體梁”結構，符合一般淺埋煤層頂板垮落規律。當下煤層采高2 m，間隔巖層厚度10 m條件下，層間關鍵層形成“砌體梁”結構，關鍵層破斷后關鍵塊B無臺階下沉，已擾動關鍵層重新形成“砌體梁”結構。當下煤層采高5 m，間隔巖層厚度33 m條件下，層間關鍵層形成“臺階巖梁”結構，下煤層關鍵層破斷后，關鍵塊B發生臺階下沉，已擾動關鍵層同樣重新形成“砌體梁”結構。

因此，結合實測與模擬實驗結果，可認為在淺埋近距離采空區下開采，下煤層采高2～7 m、煤層間距10～45 m范圍內，層間關鍵層與受擾動關鍵層可能形成的兩種組合結構形態分別為“砌體-砌體”和“臺階-砌體”。在淺埋煤層條件下，已擾動關鍵層結構上的載荷層可以近似按照軟弱散體載荷傳遞規律進行計算，詳見文獻[4]。

4 結論

(1)煤層埋深對礦壓顯現的影響不明顯，是次要因素；上煤層采高決定了采空區垮落頂板靜載范圍的大小；下煤層采高越大，周期來壓步距及支架最大工作阻力與其呈正比；間隔巖層間距越大，周期來壓步距越大。

(2)下煤層工作面正常回采階段，當僅間隔巖層關鍵層破斷，此時僅層間關鍵層結構作用與直接頂自重對支架施載，形成小周期來壓；當上下關鍵層同步破斷時，支架載荷由直接頂自重、層間關鍵層作用力、上下關鍵層間垮落巖層、已擾動關鍵層及其上覆載荷作用組成，形成大周期來壓。

(3)層間存在單一關鍵層時，層間關鍵層周期破斷可形成“砌體梁”和“臺階巖梁”兩種結構；淺埋近距離采空區下開采，由下煤層采高與間隔巖層性質共同決定可能形成“砌體-砌體”和“臺階-砌體”兩種頂板結構形態。