淺埋近距離下煤層工作面過傾向煤柱礦壓規律*

黃慶享，劉佳鑫，蔚保寧，2

(1.西安科技大學 能源學院，教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065)

0 引言

我國榆神府礦區淺埋煤層儲量豐富，煤層多、距離近、埋藏淺、基巖薄、上覆厚松散層是其典型賦存特點。實踐表明，淺埋煤層開采覆巖垮落直達地表，工作面礦壓顯現劇烈，頂板災害嚴重[1-3]。近年來，頂部逐漸開始進入下部煤層開采，淺埋近距離煤層上煤層開采后，常常會遺留很多煤柱，下煤層開采過上部遺留煤柱，工作面礦壓顯現強烈[4-5]，尤其是在出煤柱階段常出現工作面強礦壓，導致支架爆缸和壓死，嚴重威脅安全生產。

國內學者對此開展了大量研究，鞠金峰[6]研究表明，控制煤柱上方關鍵塊體的穩定性，直接影響下工作面出煤柱是否出現動載，煤柱集中應力是導致工作面過煤柱區域強烈來壓的直接原因。陳蘇社等[7]研究發現，通過工作面調斜、加快推進速度等技術措施，可以有效避免在過煤柱階段出現動壓現象。于斌等[8]研究了雙系煤層開采時上煤層煤柱對下煤層工作面礦壓的影響，提出了下工作面來壓的“煤柱-覆巖運動”聯合作用機理。彭海兵等[9-12]指出距煤柱邊緣1～5 m位置處是工作面最易出現強礦壓顯現的區域，而且空巷是應力集中區域，應該在過煤柱時加強對巷道的支護。

以上研究表明，上部采空區煤柱對下煤層開采動壓的形成具有顯著影響，主要影響因素隨開采條件的不同而變化，還需要進一步研究。為此，以哈拉溝煤礦淺埋近距離下煤層過上部遺留煤柱開采為背景，采用物理相似模擬實驗，揭示下煤層過煤柱開采的覆巖垮落規律與礦壓顯現特征，為過傾向煤柱開采的頂板控制提供借鑒。

1 過煤柱開采礦壓特征實例分析

實踐表明，煤層群開采中，上煤層開采后常常在采空區遺留很多煤柱，由于煤柱的存在導致下煤層工作面礦壓顯現強烈。根據神東礦區6個過煤柱開采工作面的礦壓顯現統計，見表1，過走向煤柱時，寬煤柱下周期來壓步距變長，動載系數減小，支架載荷變小(為采空區下的0.97倍)；窄煤柱下周期來壓步距變小，動載系數變大，支架載荷增大為采空區下的1.03～1.04倍。可見，煤柱是導致工作面過煤柱區域礦壓增大的原因。過傾向煤柱(寬60 m)時，煤柱下周期來壓步距為采空區下的1.3～2.6倍，普遍增大；來壓強度也增大為采空區下的1.03～1.13倍；煤柱下動載系數為1.6，是采空區下動載系數的1.1倍。可見，過傾向寬煤柱開采的工作面礦壓顯現增強。

表1 部分工作面過上部煤柱礦壓顯現特征Table 1 Strata behavior characteristics of some working faces passing through upper coal pillar

2 過煤柱開采覆巖垮落規律和結構特征

2.1 工程背景

哈拉溝煤礦1-2上號煤層采高2 m，基巖厚度25～76 m，已開采成為采空區。下部1-2號煤層采高1.75 m，煤層傾角1°～3°，煤層間距平均12 m，鉆孔綜合柱狀圖如圖1所示。12101綜采工作面開采1-2號煤層(虛線部分)，該面為“刀把子”工作面，如圖2所示。工作面采高1.8 m，12101-1工作面長度135.7 m，12101-2工作面長280 m。工作面前60架為上部1-2上101工作面采空區，12101工作面末采階段過上部集中煤柱，12101上煤層主、輔回撤通道間(寬5 m)煤柱寬20 m(1段煤柱)，輔回撤巷道與排矸巷之間的煤柱寬 24 m(2段煤柱)。

圖1 哈拉溝煤礦鉆孔柱狀圖Fig.1 Borehole histogram of Halagou coal mine

圖2 12101工作面巷道布置Fig.2 Roadway layout of No.12101 working face

2.2 物理模擬實驗設計

根據礦井實際條件，采用幾何相似比1∶50開展物理相似模擬，選用3 m模型架，配比見表2。實驗先開挖上部1-2上號煤層，待其垮落穩定后再開挖下部1-2號煤層，物理相似模型如圖3所示。

表2 相似模擬材料配比Table 2 Ratio of simulation materials

圖3 物理相似模擬模型Fig.3 Physical simulation model

2.3 工作面覆巖垮落規律

2.3.1 上煤層工作面覆巖垮落規律

煤層開挖：首先開挖1-2上號煤層，工作面采高為2 m，留設邊界煤柱為15 m，開切眼為5 m，在預定位置掘出3條巷道形成上部集中煤柱(1段煤柱和2段煤柱)。

老頂初次垮落：在工作面推進到28 m時，老頂初次垮落，工作面初次來壓，步距為28 m，支架載荷5 440 kN/架，如圖4所示。

圖4 1-2上號煤層老頂初次垮落Fig.4 The main roof first collapse of 1-2 upper coal seam

周期垮落：工作面推進到36 m，老頂第1次周期垮落，步距8 m，支架載荷5 601 kN/架。工作面推進到48 m，第2次周期垮落，步距12 m，支架壓力5 547 kN/架。工作面推進到54 m，第3次周期垮落，步距6 m，支架載荷5 502 kN/架。

充分采動：工作面推進到60 m，老頂第4次周期垮落，垮落步距6 m，支架載荷5 460 kN/架，此時裂隙發育至地表，工作面充分采動。

2.3.2 近距離下煤層開采覆巖垮落規律

煤層開挖：上煤層開采完畢后，在其采空區下開挖下部的1-2號煤，采高1.75 m，與上煤層間距12 m，模型右側留設20 m邊界煤柱和5 m開切眼。

初次垮落：工作面推進26 m，老頂初次垮落，步距26 m，支架載荷5 570 kN/架。

周期垮落、采空區貫通：工作面推進到36 m，老頂第1次周期垮落，來壓步距10 m，支架載荷5 600 kN/架。此刻，上下采空區貫通，層間巖層破斷后形成“砌體梁”結構，如圖5所示。工作面推進44 m，老頂第2次周期垮落，來壓步距8 m，支架載荷為5 780 kN/架。

圖5 1-2煤層老頂周期垮落Fig.5 The main roof periodic collapse of 1-2 coal seam

進1段煤柱：工作面推進54 m，老頂第3次周期垮落，步距10 m，支架載荷5 932 kN/架，此刻工作面剛進入上部1段煤柱之下。推進到58 m，工作面進入煤柱4 m，間隔巖層破斷角60°，如圖6所示。工作面推進68 m，老頂第4次周期垮落，垮落步距14 m，支架載荷為5 920 kN/架。

圖6 1-2煤層工作面進1段煤柱(4 m)Fig.6 1-2 coal working face enters No.1 coal pillar(4 m)

工作面出1段煤柱：工作面推進78 m，老頂第5次周期垮落，步距10 m，支架載荷6 440 kN/架。此刻，工作面出1段煤柱(過空巷)，如圖7所示。

圖7 1-2煤層工作面出1段煤柱(過空巷)Fig.7 1-2 coal working face out of No.1 coal pillar

工作面進2段煤柱：工作面推進86 m，老頂第6次周期垮落，步距8 m，支架載荷6 358 kN/架，此時工作面進入2段煤柱下方，1段煤柱整體下沉，如圖8所示。

圖8 1-2煤層工作面進入2段煤柱下方Fig.8 1-2 coal working face enters No.2 coal pillar

出2段煤柱：工作面推進98 m，老頂第7次周期垮落，步距12 m，支架載荷6 315 kN/架，工作面即將出2段煤柱，如圖9所示。工作面推進108 m，過空巷，老頂第8次周期垮落，步距10 m，支架載荷6 731 kN/架。此時，為工作面出2段煤柱階段，1段煤柱整體下沉，如圖10所示。

圖9 1-2煤層工作面位于將出2段煤柱Fig.9 1-2 coal working face moves near out of No.2 coal pillar

圖10 1-2煤層工作面過排矸巷Fig.10 1-2 coal working face passing through gangue roadway

根據哈拉溝煤礦12101工作面實測，模擬來壓規律與現場實測基本吻合，表明物理模擬可靠。

3 過煤柱開采來壓規律和頂板結構特征

3.1 來壓特征及曲線

根據物理模擬實驗，1-2上及1-2煤層工作面開采過程中的來壓特征，見表3。根據工作面推進過程中的支架載荷，繪制出工作面來壓曲線，如圖11和圖12所示。

圖11 1-2上號煤層工作面來壓規律Fig.11 Strata behavior law of the 1-2 upper coal working face

圖12 1-2號煤層工作面來壓規律Fig.12 Strata behavior law of the 1-2 coal working face

表3 1-2上及1-2號煤層工作面礦壓特征Table 3 Strata behavior characteristics of 1-2 upper and 1-2 coal working face

3.2 規律分析

3.2.1 周期來壓

哈拉溝煤礦1-2上號煤層工作面初次來壓步距28 m，周期來壓步距平均8 m，支架載荷平均5 528 kN/架，基本頂周期破斷形成“砌體梁”結構。近距離采空區下1-2煤工作面開采，初次來壓步距26 m，周期來壓步距平均10.3 m。過1段煤柱工作面周期來壓支架平均載荷5 920 kN/架，動載系數1.23；出1段煤柱工作面周期來壓支架平均載荷6 440 kN/架，動載系數1.44。2段煤柱下，工作面周期來壓支架平均載荷6 358 kN/架，動載系數1.12；出2段煤柱后(過空巷)，工作面周期來壓支架平均載荷6 731 kN/架，動載系數1.32。

3.2.2 支架載荷

從表3可知，當工作面推進至44 m時，支架載荷開始增大，也就是說在工作面推進至距上方煤柱水平距離10 m內(間隔巖層厚度的0.83倍)，開始受到煤柱集中應力影響。總體而言，出煤柱(過空巷)時支架載荷較大，在出2段煤柱時支架載荷最大。在工作面進1段煤柱時，1-2號煤工作面直接頂整體垮落，間隔巖層關鍵層呈砌體梁鉸接結構，此時上部煤柱未發生明顯破壞。工作面出1段煤柱時，其后方的采空區上覆巖層還未完全壓實，煤柱上方巖層破斷，導致下煤層工作面壓力升高。

3.2.3 礦壓顯現

工作面進入2段煤柱下方，1段煤柱整體發生較明顯的彎曲下沉，基本頂周期性破斷，巖塊相互擠壓形成砌體梁結構。工作面出2段煤柱，空巷繼續發生破壞，隨著工作面繼續推進，直接頂上方離層閉合，導致下工作面礦壓顯現最明顯。由于上部空巷的存在，導致頂板破斷節奏和來壓規律變化，工作面推過上部空巷時，工作面頂板破斷運動，整體壓力增大，出現強礦壓顯現。

4 結論

(1)實測表明，工作面過走向寬煤柱時，周期來壓步距變大，動載系數減小，支架載荷略小；過走向窄煤柱周期來壓步距變小，動載系數變大，支架載荷變大為采空區下的1.03～1.04倍。

(2)工作面過傾向煤柱時，煤柱下周期來壓步距增大，動載系數增大，來壓強度為采空區下開采的1.03～1.13倍。

(3)物理模擬表明，下煤層工作面進入傾向煤柱階段，下煤層工作面距離上部煤柱水平距離10 m左右，開始受上部煤柱集中應力影響，工作面壓力明顯增高。

(4)過煤柱階段，整體壓力大于在采空區階段；進入煤柱和過煤柱階段，工作面壓力值低于出煤柱階段；出煤柱過空巷階段覆巖垮落劇烈，出現強礦壓顯現。