采動影響下“三軟”煤層開采的礦壓顯現規律分析

余長柱 謝小平 彭首清 程濤 周雨垚

摘 要：針對采動影響下“三軟”煤層安全高效開采的問題，采用現場實測及理論分析相結合的方法，通過對25102試采工作面進行數據觀測，對下煤層工作面支架受力和頂板來壓規律進行分析研究。得到以下結論：1）25102試采工作面在現場觀測期間，沒有出現初次來壓和周期來壓，更沒有明顯的沖擊地壓現象，工作面回采過程中，也沒有出現大面積的煤壁片幫。工作面頂板較破碎，出現局部冒頂、落矸的現象。2）工作面整面支架阻力主要分布在2000～3000kN范圍內，占統計支架總數的69.4%。工作面在回采過程中，支架的平均載荷為2420kN，而支架額定工作阻力為5200kN，支架利用率僅為46.5%。

關鍵詞：三軟煤層;采動影響;礦壓觀測;支架載荷

0引言

“三軟”煤層是指煤礦開采中遇到的軟的頂板巖層、軟的主采煤層和軟的底板巖層。一般情況下，具有“三軟”特征的煤層和頂底板均為軟弱巖層，“三軟”煤層裂隙發育，構造復雜。貴州省六盤水礦區許多煤層都屬于“三軟”煤層，例如米籮井田內開采煤層15層，煤層厚度大多在0.8～2.2m，含煤巖組為二疊系上統宣威組（P3xn），由砂巖、頁巖、泥巖及煤層組合，煤層間的頂、底板多為軟質巖構成，穩定性較差甚至很差，屬于典型的“三軟”較薄煤層開采條件。

貴州省近距離煤層賦存和開采所占比重很大，大多礦區都存在近距離煤層群開采的問題，對于煤層群開采，當煤層層間距離較大時，上部煤層開采后對下部煤層的開采影響程度很小，其礦壓顯現規律，開采方法不受上部煤層開采影響，與普通單一煤層開采基本相同。但是，受上部煤層多次采動的影響，下部煤層開采前頂板的完整程度已受上部煤層開采損傷影響，其上又為上部煤層開采垮落的矸石，且上部煤層開采后殘留的區段煤柱及一側采空的煤體在底板形成的集中應力，導致下部煤層開采區域的頂板結構和應力環境發生變化。從而使下部煤層開采與單一煤層開采相比出現了許多新的礦山壓力現象，近距離煤層群下部煤層動壓回采巷道由于局部過載而導致巷道整體失穩的變形破壞機理。

本項目針對貴州省典型礦區近距離煤層群開采條件，采用數值模擬試驗研究受多次采動影響下“三軟”煤層開采工作面礦壓顯現的規律，通過對貴州典型礦區多次采動影響下“三軟”煤層工作面直接頂垮落特征和基本頂破斷特征進行分析，并計算出工作面初次、周期來壓步距;分析多次采動影響下“三軟”煤層工作面上覆巖層“三帶”發育特征，為其它具有相似條件下的“三軟”煤層工作面開采工藝具有的重要借鑒意義。

1 礦井概況

某煤礦工業場地距縣城約5km，井田走向長22km，傾斜寬4.5～8km，面積約135km2。全井田地質儲量2252.28Mt，工業儲量2013.72Mt，可采儲量1275.74Mt。設計生產能力3.0Mt/a，后經過技術改造生產能力提升為5.0Mt/a。礦井目前生產水平為+400m水平。井田共含煤17層，煤層總厚19.42m，含煤系數12.4%;其中可采及局部可采煤層8層，分別是2號、3號、4號、5號煤層和6號、8號、9號、10號煤層，煤層以焦煤為主，總厚度15.4m。該煤礦井北翼2、3+4、5號煤層間距較近，2號薄煤層賦存于該中部，可采厚度0.70～1.46m，平均厚度1.1m，下距離3+4號煤平均14.0m。3+4號混合煤層厚度合并厚度平均4.12m，下距離5號煤平均4.03m。

2下煤層試采工作面地質條件概況

25102試采工作面位于該礦北一采區，沿5號煤層傾向布置的長壁式回采工作面，工作面底板標高430m～570m，地面標高840m～966m，煤層傾角約5o。與25301工作面相鄰，布置在已采完的24102工作面采空區下方。25102工作面切眼長度183.3m，布置在24102工作面采空區內錯5m，其膠帶巷布置在24102工作面膠帶巷內錯7.5m處，軌道巷位于24102軌道巷內錯7.5m處，兩煤層間距為5.5m，24102工作面與24301工作面間留設煤柱45m。

25102試采工作面采煤方法采用傾斜長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤法。采用雙滾筒采煤機（MGTY-300/730-1.1D）雙向穿梭式割煤方式，整個25102工作面共布置110個液壓支架，型號為ZZ5200/25/47型，機頭和機尾各布置兩架ZZ5200/25/47型的液壓支架作為端頭支架。

3下煤層試采工作面礦壓顯現規律分析

（1）工作面頂板來壓規律

通過對25102工作面支架阻力的連續實測，將觀測收集到的支架載荷數據經整理分析后，依據每次支架阻力，繪制了每個測站及整面的平均支架工作阻力P隨距開切眼煤壁距離L變化曲線圖，如圖1～圖4所示。

根據支架阻力與工作面推進距離變化曲線圖可以看出，該礦25102試采工作面在現場觀測期間，沒有出現初次來壓和周期來壓，更沒有明顯的沖擊地壓現象。工作面回采過程中，也沒有出現大面積的煤壁片幫。但在工作面推進過程中，采場支架梁端前和兩回采巷道均出現過輕微的冒頂現象。

（2）工作面支架載荷頻率分布

隨著工作面的推進，每次循環過程中，由于地質條件、支架操作等的影響，支架的阻力會有所變化，因此可以通過支架阻力分布頻率的范圍，來綜合反映工作面頂板壓力的大小、支架支護效果以及支架的適應性。分別對3個測站及整個工作面的支架載荷頻率分布進行統計分析。

統計計算分析而得到的25102工作面下部測站支架阻力分布頻率直方圖可知。支架阻力主要分布在1500～3500kN之間，占統計支架阻力總數的93.64%，其中支架阻力主要集中在2000～2500kN之間，占統計支架阻力總數的47.27%。工作面下部測站支架阻力主要分布在2000～3000kN之間，工作面下部測站支架都處于正常受力狀態，支架工作效果較好。

統計計算分析而得到的25102工作面中部測站支架阻力分布頻率直方可知。支架阻力主要分布在1500～3500kN之間，占統計支架阻力總數的91.01%，其中支架阻力主要集中在2000～2500kN之間，占統計支架阻力總數的43.64%。從圖2-10中可以看出，工作面中部測站支架阻力主要分布在2000～3000kN之間，工作面下部測站支架都處于正常受力狀態，支架工作效果較好。

統計計算分析而得到的25102工作面上部測站支架阻力分布頻率直方可知。支架阻力主要分布在1500～3500kN之間，占統計支架阻力總數的88.18%，其中支架阻力主要集中在2000～2500kN之間，占統計支架阻力總數的49.09%。工作面上部測站支架阻力主要分布在2000～3000kN之間，工作面上部測站支架都處于正常受力狀態，支架工作效果較好。

工作面在回采過程中，支架的平均載荷為2420kN，支架額定工作阻力為5200kN，支架利用率僅為46.5%。結合以上分析可知，25102工作面整面支架的工作阻力普遍相對較小，支架的選型能充分滿足生產的要求，但支架的工作阻力利用率還有待提高。從工作面整體上看，支架工作阻力相對較低，但由于工作面頂板較為破碎，還需加強工作面支護質量管理，特別是在工作面開采過程中對支架初撐力的管理，并要及時調節支架的受力狀態，以確保工作面支架的正常運行。

4工作面超前支承壓力影響范圍

通過在工作面前方80m處打鉆安置鉆孔應力計，由于鉆孔應力計初始安裝時，鉆孔應力計沒有與孔壁緊密接觸，導致應力計初始讀數為0MPa，但隨著工作面向前推進，鉆孔孔壁煤體逐漸破碎冒落而擠滿整個鉆孔空間，使鉆孔應力計與工作面煤體完全接觸，而且當工作面推進至鉆孔應力計測站約40m處時，鉆孔應力計讀數開始出現變化，當工作面推進至鉆孔應力計測站約30m處時，鉆孔應力計讀數開始有較為明顯的增大，說明工作面超前支承壓力影響范圍約為30m。通過觀測并記錄測站內鉆孔應力計示數與距工作面距離的數據，經分析整理后可反映出各應力計讀數隨工作面推進的變化，即距工作面不同位置處所受超前支承壓力的影響程度，如圖5所示。

由圖5可知，25102工作面超前支承壓力的峰值點為距工作面9m左右，影響范圍約為30m，超前支承壓力的應力集中系數為1.81。

參考文獻：

[1]林崇德.層狀巖石頂板破壞機理數值模擬過程分析[J].巖石力學與工程學報，1989，18（4）：392-396.

[2]劉紅元，劉建新，唐春安.采動影響下覆巖垮落過程的數值模擬[J].巖土工程學報.2001（3）：201-204.

作者簡介：

余長柱（1998.11-）男，漢族，貴州省安順市人，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業方面的學習和研究

項目基金：貴州省大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：S202010977009）

（貴州六盤水師范學院礦業與土木工程學院? ? 貴州六盤水? 553004）