錢家營礦近距離煤層上行開采礦壓規律研究

孫 勝

（開灤（集團） 有限責任公司，河北 唐山 063018）

0 引 言

我國經濟迅速發展，對煤炭需求的不斷增加，給煤炭供給帶來了許多壓力，研究近距離煤層群的開采十分必要。與單一煤層開采相比，近距離煤層受到的重復采動情況更加嚴重。雖然在大多數情況下對近距離煤層使用下行開采，但是在某些地質條件和技術條件下，上行開采更具有優勢。我國學者對上行開采近距離煤層做了大量的研究，馮國瑞等運用相似試驗，針對白家莊煤礦垮落法殘采區上覆開采進行了研究，得出了殘采區在上行開采過程中層間應力傳遞的規律和層間巖層受到兩層煤開采影響的位移變化規律。南存全等在解決近距離煤層群聯合開采巷道支護困難的情況下，運用FLAC2D，通過分析巷道圍巖頂板最大下沉量、應力場、塑性屈服范圍，得出桁架錨索支護是最好的支護方式。李樹清等運用數值模擬的方式研究了下煤層開采對上煤層產生的影響。趙訓等通過現場監測的方法，得出煤層群上行開采中，下煤層對上煤層開采的影響范圍。馬立強等運用理論分析、數值模擬以及工程實踐，得出了上覆巖層對上行開采過程中產生的影響。張京超等先進行理論分析，然后運用UDEC建立二維模型，得出A6 煤層開采后覆巖的運移規律和應力變化情況，結果表明A6 上煤層可進行上行開采。王寅等運用理論分析和相似模擬來研究上行開采重復采動下頂底板的結構特征，得到覆巖破壞機制，并提出了“上行式開采三鉸拱式結構”。王成等對上行開采上覆巖層的應力場和裂隙進行了研究，得出了上行開采過程中采動應力的分布規律和裂隙發展情況。

1 概 況

錢家營礦1692 工作面位于一水平六采區，工作面地面標高為+13.1—+14.6 m，工作面標高為-468.5—-521.5 m。1692 工作面長度為553.1 m，傾向長度為160.8 m，面積為88 938 m2，同煤層傾斜下方為1693 工作面，上方為83 m 寬的沖積層防水煤柱，上覆8 煤層1681、1682 工作面已于2010年回采完畢；7 煤層1671 工作面已回采完畢；下方12-1 煤層1622 工作面已于2015 年回采完畢；除此之外，暫無其它工程。1692 工作面與1681、1682 工作面間距為1.2～10.8 m，平均間距5.6 m，與1622 工作面間距24 m。1692 工作面上部有1681、1682 工作面間殘留的區段保護煤柱，寬度為12 m，下方為1622 采空區。

工作面所屬煤層厚度在0.1~ 3.4 m，平均2.3 m，煤層底部有一層不穩定泥巖夾矸，厚度0~0.3 m，平均0.2 m。煤層傾角6°～25°，平均17°，可采指數為0.89，屬于不穩定煤層。煤層玻璃光澤，為半亮型煤，煤體結構為I 類，煤質牌號為1/3 焦煤。工作面切眼與回風平巷交叉點附近以及運輸平巷中部存在小范圍煤厚小于1.3 m 薄煤區。

煤層老頂為深灰色細砂巖，平均厚度為2.6 m，抗壓強度為50.7 MPa，抗拉強度為2.0 MPa，巖性特征為局部含植物化石和碳化體，頂部粗糙，含植物碎屑化石。直接頂為深灰色泥巖，平均厚度為1.9 m，抗壓強度為27.1 MPa，抗拉強度為1.69 MPa，巖性特征為致密均一，性脆，貝殼狀斷口，含黃鐵礦散晶。直接底為灰色細粉砂巖，厚度為4.8 m，巖性特征為夾淺灰色細砂巖薄層，含植物根化石及黃鐵礦散晶，層理面偶見苛達化石。老底為細砂巖，厚度為9.0 m，巖性特征為巖性上粗下細，顯水平層理，含黃鐵礦薄層，成分以石英為主，含植物化石碎屑。1692 工作面為上行開采的工作面，其中煤層厚度為2.3 m，工作面傾斜長160 m。

2 上行開采模擬

2.1 數值模擬

為研究上行開采時，12 煤層開采對9 煤層產生的影響，建立FLAC3D 數值模擬模型，模擬實際開采情況。模型長680 m，寬304 m，高160 m。模型的四周為單約束邊界，作用水平方向的約束力，即在邊界的水平方向上不發生位移，只能在垂直方向上發生移動。模型的底面是全約束邊界，即底面邊界的節點不能發生水平位移和垂直位移，上部邊界施加原巖自重應力。建立的FLAC3D 數值模型如圖1 所示。

圖1 1692 工作面模型Fig.1 Model of 1692 working face

2.2 模擬結果和分析

上行開采中12 煤層開采對9 煤層垂直應力分布和垂直位移的影響如圖2 所示。

圖2 上行開采中12 煤層開采對9 煤層垂直應力分布和垂直位移的影響Fig.2 The influence of No.12 coal seam mining on vertical stress distribution and vertical displacement of No.9 coal seam in upward mining

從垂直應力的分布情況分析可得，9 煤層在開采之前，受下部12 煤層開采的影響，垂直應力明顯減小，顯著的低于原巖應力；從9 煤層的沉降情況來看，1623 采空區上方9 煤層區域沉降較小，1622 采空區上方9 煤層區域沉降明顯變大，總體沉降位移較小。

3 煤柱強度校核

以1692 工作面為研究對象，采用數值模擬方法，分析研究合理的煤柱寬度，其中煤柱應力的分布情況如圖3 所示。

圖3 不同煤柱寬度下應力的分布Fig.3 Stress distribution under different pillar widths

分析可知，由于受上煤層及下煤層開采卸壓作用的影響，煤柱總體垂直應力偏低，低于此處的原巖應力，而從應力分布的角度分析，在煤柱寬度為4 m 時，煤柱內應力的分布呈明顯的單峰分布，在煤柱寬度為6 m 時，垂直應力開始呈雙峰分布，之后，隨著煤柱寬度的增大，煤柱垂直應力的峰值逐漸降低，且呈現明顯的雙峰分布。進一步將數值模擬得到的煤柱強度與實際中煤柱的強度進行對比。

煤柱極限強度可由式（1） 計算：

式中：R為煤柱強度，MPa；Rcl為煤的單軸抗壓強度，MPa；a為煤柱的寬度，m；h為煤層的采高，m。

通過計算和實驗得出煤柱的極限強度和實際強度，見表1。

表1 煤柱的實際強度與極限強度Table 1 Actual strength and ultimate strength of coal pillar

對比可得，煤柱的實際強度遠小于煤柱的極限強度，綜合考慮煤柱中應力的分布形態和實際支護的需要，選擇煤柱的寬度為6 m。在實際開采中，9 煤層留設的大部分煤柱寬度都是6 m 左右，故實際中煤柱留設的寬度是合理的。

4 超前應力監測及分析

為研究12 煤層開采后9 煤層1692 工作面超前支承壓力的影響，特在9 煤層1692 工作面風道中，布置2 個天地科技KJ21B 無線監測系統中的礦用本安型無線鉆孔應力傳感器鉆孔應力計，應力計分別安裝在A、B 兩點。其中，B 測點位于風道殘余94 m。A 測點位于風道殘尺128 m。在測點A、B處，清除9 煤層浮煤后安裝應力計，并進行定期觀測。記錄數據如圖4 所示。

圖4 94 m、128 m處超前支承壓力對比變化曲線Fig.4 Relative change curve of advanced abutment pressure at 94 m and 128 m

從圖4 可得出，128 m 位置處的支承壓力明顯大于94 m 處的壓力，且其變化強度也大于后者，推測超前支承壓力的大小與距離工作面遠近有關；工作面推進至殘余進尺177.4 m 處對于128 m 位置的影響開始增大時，卻對94 m 處影響趨于穩定，工作面推進至殘余進尺151.6 m 處對于128 m 位置的影響趨于穩定時，卻對94 m 處影響顯著增大，推斷出超前支承壓力影響跨度范圍為26 m 左右。

5 結 論

（1） 通過對9 煤層進行數值模擬，得出了上行開采中12 煤層開采后對9 煤層產生垂直應力分布和垂直位移情況，得出12 煤層采空區上方9 煤層區域垂直應力變小，小于原巖應力，在1622 采空區上方9 煤層區域沉降明顯變大。

（2） 運用數值模擬得出寬度為4、6、8、10 m 煤柱寬度下應力的分布，由于受下煤層開采卸壓作用的影響，煤柱總體垂直應力偏低，通過理論計算將煤柱的實際強度和理論強度進行對比，最終確定煤柱寬度為6 m 合理。

（3） 通過超前應力監測，研究超前支承壓力

變化情況，得出在工作面的推進過程中超前支承壓力增加，且超前支承壓力影響范圍為26 m。