近距離采空區下煤層開采礦壓顯現特征研究

周 波，張 旺，周 澤，李克城

（1.貴州灣田煤業集團有限公司 湘橋煤礦，貴州 盤州 553503；2.盤州市能源局，貴州 盤州 553503；3.貴州理工學院 礦業工程學院，貴州 貴陽 550007）

近距離煤層開采相對于單一煤層開采，各個煤層之間存在相互影響，下伏煤層開采礦壓顯現規律更加復雜，頂板管理較為困難，與單一煤層開采存在較大區別。為更具針對性地指導近距離煤層開采工作，宋振騏[1]針對盤江礦區近距離煤層群生產實際情況，提出了上行開采卸壓的技術方案。張向陽[2]采用相似模擬、數值模擬等研究手段對上下采空極近距離煤層開采采動應力進行了分析，指出在上下采空極近距離煤層開采中，應加強兩巷維護與加固，并合理布置工作面位置以避開應力集中區和剪切破壞區。張勇[3]針對趙各莊礦近距離煤層賦存特點，分析了煤層群上行開采的機理和可行性，研究了不同開采厚度時上覆巖層垮落運移規律和瓦斯卸壓效果。黃慶亨[4]指出上煤層采高越大，來壓期間支架工作阻力和動載系數就越大。汪北方，許猛堂等[5-6]對極近距離厚煤層房式采空區下的煤層開采進行了研究，指出頂板房式采空區煤柱群比單一煤柱底板應力集中現象顯著，并從支架初撐力、工作面推進速度、放頂強度等方面提出了下伏煤層開采頂板控制措施。楊路林[7-8]針對近距離煤層采空區下煤層開采工作阻力進行了實測，指出下伏煤層開采工作面液壓支架均值比采用“傳遞巖梁”理論計算值要大，其原因是由于上覆煤層采空區矸石對下伏煤層開采施加了附加靜載荷。尹時雨[9]采用現場實測的方法對旺格維利采煤法采空區下部煤層回采礦壓顯現強烈原因進行了分析，并且提出了增大采高、工作面調斜、加強生產組織一次性通過應力集中區的方法，在一定程度上緩解了下伏煤層開采礦壓顯現程度。孫卓越[10]對帶壓開采不同工作面開采傾向長度的底板破壞深度進行分析，得到了底板破壞深度和工作面傾向長度的關系表達式。此外，樊勇[11]、王震[12]等人基于近距離煤層采空區采動應力的傳播規律，分析了下部煤層回采巷道的穩定性及其合理布置位置。

綜上所述，大量的學者及專家對近距離煤層群的采動應力傳播規律進行了研究，從不同角度分析并闡述了近距離采空區下煤層開采礦壓現象規律以及近距離煤層開采圍巖變形規律[13-14]。然而，大部分研究多集中在下部煤層開采的頂板破壞方面，對近距離采空區下煤層開采礦壓顯現規律與上部煤層底板破壞情況以及煤層間距的考慮較少。為此，針對湘橋煤礦近距離采空區下煤層開采情況，在對上部煤層底板破壞情況進行理論分析的基礎上，對近距離采空區下煤層開采覆巖破斷特征、支承壓力傳播特征等進行理論和數值分析，以期更好地指導湘橋煤礦近距離采空區下煤層綜合機械化開采。

1工作面概況

湘橋煤礦礦區面積1.186 7 km2，準采標高為+1 700～+1 300 m，擬建規模45 萬t/a。首采區為一采區10#煤層，區域平均傾角12°，煤層厚在1.16 m左右，設計在一采區布置1 個綜采工作面—11001工作面。一采區9#煤層與5#煤層已大面積采空，一采區主要開采煤層10#、12#煤層，其首采工作面11001 距離9#煤層采空區16.78 m，9#煤層與5#煤層采空區距離為30.29 m，1 采區地層概況見表1。

表1 1 采區地層概況Table 1 Strata survey of 1# district in Xiangqiao Coal Mine

2 上覆煤層底板破壞規律

2.1 上覆煤層開采底板破壞深度理論

在煤層開采過程中，支承壓力通過煤體向底板傳遞，當底板巖石達到承受的臨界值后，會產生塑性變形，形成底板塑性區；當支承應力的大小達到使巖體發生完全破壞的極限載荷后，底板處于塑性區的巖體將會連成一片，塑性區范圍內的巖體向采空區移動，形成1 個連續的滑移面，這時煤層的采動效應對底板巖體的影響最大。此時可以把煤層底板的破壞區分為3 個區域，分別為：Ⅰ主動極限區；Ⅱ過渡區；Ⅲ被動極限區[15-16]。底板屈服破壞深度如圖1。

圖1 支承壓力作用下底板破壞深度Fig.1 Failure depth of base plate under support pressure

根據滑移線場[17-18]理論，由圖1 可知，在超前支承壓力影響作用下導致的底板破壞深度為：

式中：h 為底板破壞深度；r0為底板任意破壞點與煤壁處連線長度；α 為極坐標下底板任意破壞點與煤壁連線和底板最大破壞點與煤壁聯線的夾角，即圖1 中ob 與oe 的夾角；x0為煤壁塑性區寬度；φ為煤體的內摩擦角；φf為底板巖層內摩擦角。

把式（4）代入可以求得上層煤開采時底板的最大破壞深度h0：

2.2 湘橋煤礦9#煤層開采對10#煤層開采影響

1）9#煤層底板破壞深度。9#煤層平均采高m=2.05 m，埋深H=604.06 m，煤體的內摩擦角φ=25°，C=0.75 MPa，煤體與煤層頂底板接觸摩擦系數f 取值為0.125，上覆巖層的平均密度ρ=2.5 t/m3；底板巖層內摩擦角φf為40°，將9#煤層相關參數代入式（5）可知，9#煤層的底板破壞深度為3.36 m。

2）10#煤層垮落帶發育高度。根據“三帶”發育高度計算公式。10#煤層開采厚度1.16 m，煤層傾角12°，受重復采動影響頂板巖層碎脹系數較小取K=1.1，則10#煤層開采后垮落帶發育高度Hm為11.34 m。

式中：m′為開采厚度m；K 為跨落巖石碎脹系數，根據實測求得，一般為1.1～1.4；β 為煤層傾角。

在混合料拌和過程中，嚴格控制拌和樓集料級配，嚴禁出現隨意放料的情況。攤鋪和碾壓時要嚴格按照施工工藝進行，壓實度要控制在95%～100%范圍內，平整度要滿足《公路瀝青路面施工技術規范》要求，其母體瀝青混合料具體質量檢查標準如表2所示。

3）9#煤層對10#煤層開采影響分析。9#煤層開采底板破壞深度為3.36 m，10#煤層開采垮落帶發育高度為11.34 m，9#煤層與10#煤層的間距為16.78 m。因此，在10#煤層開采后，10#煤層底板破壞帶與9#煤層垮落帶的間距為2.08 m。

由此可見，9#以及10#煤層間距較近，但是在9#煤層開采過后，在理論上9#煤層和10#煤層之間覆巖破壞范圍尚未貫通。9#煤層底板破壞帶距10#煤層垮落帶之間僅有2.08 m。上部煤層底板破壞范圍距離下部煤層垮落帶范圍較近，處于10#煤層頂板斷裂帶范圍內，上部采空區將不可避免地對下部煤層的礦壓顯現造成影響。

3 數值分析

為分析上部采空區對下部煤層開采礦壓顯現的影響，得到近距離采空區下煤層綜采礦壓顯現特征，根據湘橋煤礦5#、9#、10#煤層的賦存情況建立UDEC離散元數值模型，數值模型如圖2。數值模擬方案巖石力學參數見表2。

表2 各模擬方案巖（煤）參數取值Table 2 Rock mechanics parameters

圖2 數值模型圖Fig.2 Numerical model

為對比分析單一煤層開采與近距離采空區下煤層開采的礦壓顯現特征，建立2 種數值模擬模型：

1）方案1。多煤層開采，根據湘橋煤礦的實際開采情況分別開采5#、9#、10#煤層。

2）方案2。單煤層開采，即只開采10#煤層，巖層力學參數與方案1 保持一致，在方案1 與方案2 的煤層頂、底板中布置測線和監測點，對巖層應力變化情況以及巖層垮落、斷裂情況進行監測。工作面開挖采取分布開挖的方式，每次開挖5 m，工作面共推進80 m。

3.1 近距離采空區下煤層綜采支承壓力分布特征

為對比分析在2 種方案開采條件下支承壓力的分布特征，分別選取2 個方案在開采初期（即開挖10 m）與開采末期（即開采80 m）時的采動支承壓力進行對比，不同開采方案不同開挖階段的支承壓力分布如圖3。

由圖3 可知，在工作面推進初期和末期，方案1開采條件下工作面前方最大應力集中為30.0、37.3 MPa，而在方案2 開采條件下23.3、34.6 MPa，說明在近距離采空區條件下進行煤層開采時，由于上覆巖層遭受到了一定的破壞，巖層失去了其支承能力，導致上覆巖層載重均作用于10#煤層頂板，使得采空區下煤層開采支承壓力作用較大。由此可見，在近距離采空區下進行煤層開采時應注重加強工作面上下兩巷的超前支護。

圖3 不同開采方案不同開挖階段的支承壓力分布Fig.3 Abutment pressure distribution in different excavation stages and different mining schemes

3.2 近距離采空區下煤層綜采覆巖破斷特征

在數值模擬過程中，選取在方案1 與方案2 煤層頂板初次垮落時的覆巖破段進行對比分析，方案一與方案二覆巖初次破斷情況如圖4。

由圖4 可知，在方案1 與方案2 2 種開采情況下。由于方案1 中10#煤層上覆煤層被采空，且在采空區邊緣尚未完全壓實，故導致方案1 中10#煤層開采初期其上覆巖層實際上處于卸荷狀態，從而近距離采空區下煤層開采10#煤層頂板彎曲下沉幅度小于方案2 中10#煤層單煤層開采狀態。隨著工作面的推進，開采范圍的擴大，方案1 與方案2 的上覆巖層均遭受到了充分的破壞，二者的覆巖周期垮落步距沒有明顯差別。因此，在覆巖垮落步距相同的條件下，近距離下采空區煤層開采（方案1）初次來壓強度低于單煤層開采（方案2），周期來壓強度二者沒有明顯差別。

圖4 不同方案覆巖垮落情況Fig.4 Overburden caving in different schemes

3.3 上覆巖層破壞范圍

不同開采條件下，上覆巖層的裂隙發育程度如圖5。圖5 中白色線條為張開裂隙。

圖5 不同開采方案覆巖破壞程度Fig.5 Overburden failure degree under different mining schemes

由圖5 可知，在近距離采空區下煤層開采時，其采動裂隙發育程度遠高于方案2 中10#煤層單煤層開采。雖然通過理論分析認為9#煤層底板破壞帶距10#煤層垮落帶之間有2.08 m 巖層較為完整，但是結合數值分析可知，9#煤層采空區底板裂隙與10#煤層開采采動裂隙接近貫通，9#煤層與10#煤層之間覆巖已經遭受到較大破壞。因此，在進行近距離采空區下煤層回采工作面支護時，對液壓支架的選型不應只考慮10#煤層垮落帶的發育高度，還應考慮在上覆9#煤層采空區影響下的10#煤層采動覆巖的破壞高度。

4 工業試驗

合理的支護強度應與頂板壓力相平衡，支護強度過大，不僅增加支架質量和設備投資，而且給搬運、安裝帶來困難，過小則會造成頂板過早下沉、離層、垮落，致使頂板破碎，維護困難。因此支護強度的大小就取決于工作面采場礦壓的大小。若根據載荷估算法，一般以支架的支護強度能夠承載6～8 倍采高巖層重力為依據進行設計：

式中：p 為液壓支架的支護強度，t/m2或MPa；λ為頂板載荷系數，范圍取6～8，取8 計算；M 為煤層最大采高，10#煤層平均厚度為0.69～1.54 m；ρ 為頂板巖石平均密度，取2.5 t/m3。

經計算，支護強度為0.103～0.308 MPa。然而根據前面前文理論和數值分析可知，9#煤層與10#煤層之間巖層遭受了較大程度的破壞，因此，根據液壓支架的初撐力和工作阻力要適應直接頂和基本頂巖層移動產生的壓力，將頂底板移近量控制到最低程度，液壓支架至少必須能夠有效控制9#煤層與10#煤層之間巖層。因此，11001 工作面液壓支架支護強度應為：

式中：H9-10為9#煤層與10#煤層的間距，取16.78 m。

經式（7）計算，p 為0.41 MPa。

綜上所述，由于10#煤層為近距離采空區下煤層綜采，其液壓支架支護強度需考慮9#煤層底板巖層破壞程度，其支護強度必須大于0.41 MPa，大于其根據單一煤層開采所計算的0.103～0.308 MPa。最終確定11001 工作面選擇支撐強度較大，過風斷面大的ZY2800/8.5/18Q 型掩護式支架，其主要特征為：①支架高度：0.85～1.8 m；②支架工作阻力：2 800 kN；③支護強度：0.43～0.51 MPa；④支架質量：11.5 t；⑤支架對底板的最大比壓：1.1～1.8。實踐表明，在10#煤層開采期間，ZY2800/8.5/18Q 型掩護式支架較好的滿足了生產需要，對10#煤層開采頂板進行了有效控制。

5 結 語

1）由于受上部煤層開采影響，上下煤層間覆巖已經遭受到了一定程度的破壞，在近距離采空區下采煤時，上覆巖層完全作為載荷存在，使得其超前支承壓力應力集中程度相對單一煤層開采更大。因此，在近距離采空區下采煤時，應格外注重工作面上下兩巷的超前支護。

2）湘橋煤礦10#煤層開采頂板覆巖破壞未能波及上覆采空區破壞區域時，近距離采空區下煤層開采周期垮落步距與單一煤層開采覆巖周期垮落步距沒有明顯差別。

3）結合理論分析與數值分析可知，湘橋煤礦9#煤層與10#煤層之間仍然存在約2 m 相對完整巖層，但在重復采動條件下湘橋煤礦10#煤層開采覆巖采動裂隙發育程度較大，其工作面支架選型應考慮9#煤采空區影響，采場支護強度設計應能夠有效控制9#煤層與10#煤層之間巖層。