淺埋多煤層房柱式采空區下開采動壓模擬*

謝 沛

(陜西陜煤陜北礦業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

神府礦區作為西北地區主要產煤基地之一，在開采過程中發生工作面冒頂、異常壓架等工程問題，很多專家學者針對以上問題進行了大量研究[1-3]，現有研究主要集中在單一煤層開采，對淺埋近距離煤層群重復擾動覆巖運移規律的研究仍顯不足，需繼續加強該方面的研究和認識[4-6]。只有科學地認識該礦的開采條件才能進一步掌握覆巖破斷運移特征和關鍵層結構失穩機理，對以上內容研究的深入，有利于發現控制工作面礦壓顯現異常的原因和提出解決問題的措施[7]。

韓家灣煤礦位于神府煤田，屬淺埋煤層，全井田共5層可采煤層。礦井主采煤層為1-2、2-2號煤層，兩層煤間距較小，平均23 m，均屬于近距離煤層重復開采。2-2、3-1號煤層間距平均25 m左右，也屬于近距離煤層重復開采。并且在1-2、2-2號煤層的開采過程除了近年的綜合機械化開采外，在以往都采用房柱式開采，留有部分采空區和煤柱，勢必對下煤層開采造成一定礦壓影響。為此，開展淺埋近距離煤層開采后重復采動覆巖結構失穩機理的研究，以確定韓家灣煤礦淺埋近距離煤層上、下煤層的上覆巖層結構的破斷失穩特征及其對下煤層采場礦壓的影響因素，以期促進榆神府礦區安全高效綠色開采技術的發展，為榆神府礦區類似重復采動時工作面的安全回采提供指導和借鑒。

1 煤層群動載礦壓機理

1.1 工程概況

韓家灣煤礦1-2號煤層為局部可采煤層，煤層可采厚度0.80～3.02 m，平均厚度2.27 m。最大埋深92.94 m，最小埋深46.63 m，底板標高1 195～1 230 m。以傾斜長壁綜合機械化采煤法為主，采用“旺格維里”采煤法回收邊角煤。房采部分主要集中在一盤區邊角煤和四盤區1402工作面邊角煤。

2-2號煤層為大部分可采煤層，煤層可采厚度0.8～5.59 m，平均厚度4.60 m。最大埋深100.6 m，最小埋深40.95 m，一般埋深為80～90 m。底板標高1 100～1 230 m。以傾斜長壁綜合機械化采煤法為主，二盤區全區為房柱式開采，盤區大巷間距22 m。礦內1-2號煤層頂板穩定型類別以Ⅰ和Ⅱ類為主。2-2號煤層頂板以Ⅳ類為主，分布糖漿渠以南及礦境北部，Ⅰ類分布于J42號鉆孔K78號鉆孔一帶至礦區南邊界。2-2號煤層頂板以老頂為主，直接頂零星分布，直接頂巖性為砂質泥巖和泥巖，直接頂厚度0.65～2.91 m。3-1號煤層頂板為Ⅱ類、Ⅳ類頂板，糖漿渠以南至礦區邊界為Ⅳ類。

1.2 動載礦壓機理分析

上煤層已采單一關鍵層或復合單一關鍵層結構條件下的采場礦壓顯現最為劇烈，這2種類型實際上都屬于上煤層已采單一關鍵層結構。據此，重點研究上煤層已采單一關鍵層結構對淺埋近距離煤層重復采動下煤層采場礦壓的影響規律[8]。如圖1、2所示，若在下煤層開采前，上煤層頂板關鍵層結構已失穩，因失穩的砌體梁結構不能承擔載荷，而將所有巖層載荷作用于下煤層的關鍵層上，使得上煤層已采下關鍵層破斷后的結構不能滿足結構的滑落失穩條件，易導致下煤層工作面開采時發生動載礦壓。

圖1 上關鍵層破斷形成穩定結構Fig.1 Stable structure formed after breaking of upper key layer

圖2 上關鍵層破斷未形成穩定結構Fig.2 No stable structure formed after breaking of upper key layer

2 煤層群開采相似模擬研究

為了再現上煤層開采過程中覆巖層的破壞規律，按照實際開采參數進行了上煤層開采的試驗，主要研究房柱式開采后覆巖的破壞規律和煤柱的破壞情況，分析上煤層開采對下煤層工作面機械化開采的影響。

2.1 模型比例選擇

由于總的覆蓋層厚度大于100 m，基巖厚度平均49 m，覆蓋層最厚處達141 m，最小為94 m，平均厚度120 m。模擬工作面有足夠厚度的，模型幾何比例選擇宜小，但過小的幾何比例因煤層模擬厚度太小會影響模擬結果[9-10]，因此幾何比例選擇1∶100的3 m平面模型架，以保證模擬的工作面達到開采時上覆巖層自然垮落，模擬的區段煤柱應力分布與實際相似的目的。另外，因為受模型大小的限制，煤柱上的應力集中和關鍵巖塊的運動達不到實際影響的效果，為了模擬煤柱對下煤層開采的影響，同時設計了1.2 m的平面模型，專項模擬工作面過煤柱時的動載現象，以彌補現場實際開采可能遇到的動載災害。分別對1-2號煤層、2-2號煤層和3-1號煤層開采設計了3個方案來完成。

2.2 物理模擬方案的建立

2.2.1 測點布置

模型在覆巖中設計了3排固定位移測點，第1排測點布置在1-2號煤層頂板巖層的關鍵層之上，距離關鍵層5 cm(原型5 m，)，測點水平間距20 cm；第2排測點布置在2-2號煤層頂板巖層的關鍵層之上，距離關鍵層5 cm，測點水平間距20 cm；第3排測點布置在3-1號煤層頂板巖層的關鍵層之上，距離關鍵層5 cm，測點水平間距20 cm。地表測點采用百分表測量，水平間距30 cm，各排第1個測點距模型右邊界30 cm。另外在試驗中隨著模型的開采，設計移動觀測點，在模型架上15 m、25 m、35 m、57 m、67 m、84 m、95 m、105 m高處布置了8條測線，每條測線有16個測點，測點間距20 cm，各測線1號測點和16號測點均布置于模型架邊界處。聲發射鉆孔在開采1-2號煤層時，用1號、2號、4號鉆孔檢測，開采2-2號煤層和3-1號煤層時，用2號、3號、4號鉆孔檢測，這樣需要的鉆孔數目小，裂隙位置判斷在能量傳遞方面容易體現。

2.2.2 方案步驟

方案步驟一：根據現場實際開采參數設計1-2號煤層開采方案，本煤層采用房柱式開采和長壁開采布置方案，模型從左向右分為110 m和190 m這2部分，在左側110 m設計為房柱式開采，并且在房柱式右側設計30 m區段煤柱，煤柱右側為長壁開采。房柱式開采5 m煤房，留5 m煤柱，長壁開采由煤柱右側回采推進至模型右側邊界15 m處停采，試驗時的開采順序為從左向右依次進行。

方案步驟二：為了模擬2-2號煤層回采過程中通過1-2號煤層回采完后留下房柱式開采煤柱和區段煤柱及長壁開采采空區時覆巖移動破壞規律，根據現場實際開采參數設計2-2號煤層房柱式開采和區段煤柱的布置方案，模型從左向右分為190 m和110 m這2部分，在左側190 m設計長壁開采，右側110 m設計房柱式開采，并在模型中間設計30 m煤柱，房柱式開采5 m煤房，留5 m煤柱，長壁開采由模型左側留15 m邊界煤柱向右側一直采到160 m處停采，留設30 m煤柱，再向右以房柱式開采完右側。試驗時的開采順序由左側向右側依次進行，研究1-2號煤層綜采采空區和房柱式采空區對2-2號煤層開采的影響。

方案步驟三：為了掌握淺埋近距離煤層重復采動過煤柱和采空區時下關鍵層破斷機理以及覆巖垮落規律，為韓家灣煤礦即將采的3-1號煤層提供理論和技術上的指導。按照上述設計開采完1-2號煤層和2-2號煤層，從模型左側留15 m邊界煤柱，采用綜合機械化開采，工作面連續推進至右側邊界15 m停采，研究上覆巖層礦壓顯現規律，以及1-2號煤層和2-2號煤層綜采采空區和房柱式采空區對3-1號煤層開采的影響。

2.2.3 測試手段和采集設備

采用壓力傳感器監測上覆巖層應力分布，采用光學全站儀監測上覆巖層位移。采用壓力計算機采集系統采集數據，采用聲發系統監測巖層中的破壞和損傷。

2.2.4 物理模擬試驗模型

由于邊界效應的影響，模型架留15 m邊界煤柱作為試驗邊界條件。在1-2號煤層左側95 m內布置房采區，在2-2號煤層右側95 m內布置房采區，兩煤層均為開采5 m房，留設5 m煤柱，如圖3所示。

圖3 物理模擬試驗模型Fig.3 Physical simulation test model

2.3 模擬結果分析

2.3.1 開采過程中壓力變化規律分析

1-2號煤層開采過程支撐壓力分布特征：由于模型鋪設高度的限制，需要加配鐵磚模擬模型頂部以上巖層重量。根據實際巖層承載能力，加配鐵磚一層，模擬部分巖層重量，以滿足礦壓顯現規律的相似模擬試驗研究。開采前各壓力測點數據如圖4所示。在1-2號煤層工作面綜合機械化開采完后底板上應力傳感器數據變化不明顯，盡管在模型左邊采用的房柱式開采，對本煤層的底板有一定的應力集中，但煤層距離3-1號煤層底板較遠，應力集中只在2-2號煤層中一定范圍出現，到3-1號煤層時幾乎沒有明顯的集中現象，傳感器上壓力基本無變化。

圖4 開采前各壓力測點數據Fig.4 Data of pressure measuring points before mining

2-2號煤層開采過程支撐壓力分布特征：推進至128 m老頂第5次周期來壓，壓力傳感器數據變化如圖5所示。最終工作面推進至131 m時停止，模型的右邊為房柱式開采。從超前煤壁中支撐壓力集中的程度來看，應力集中程度為1.7倍左右，應力集中程度相對較高，此處受上煤層煤柱的影響，部分應力集中傳遞到工作面煤壁中。

圖5 2-2號煤老頂第5次周期來壓Fig.5 Fifth periodic weighting of main roof of No.2-2 coal seam

3-1號煤層開采過程支撐壓力分布特征：3-1號煤層工作面在繼續推進的過程中，底板上的壓力傳感器數據顯示，在采空區壓力的變化規律是先減小后增大，主要是開采過程中底板上先是卸壓，然后隨著上覆巖層的垮落壓實而壓力又逐漸增加。工作面推進至144 m時，也就是工作面再進入煤柱13 m，老頂發生第6次周期來壓，老頂沿工作面煤壁切落，頂板破碎程度大，礦壓顯現劇烈，動載現象明顯。而當工作面推進至160 m老頂發生第7次周期來壓時，區段煤柱由于支撐面積不斷減少，煤柱中部出現劈尖裂隙，由于工作面剛出上煤層的煤柱，部分應力集中傳遞到工作面煤壁中，煤壁中應力集中程度進一步增加，壓力傳感器數據變化如圖6所示。

圖6 3-1號煤層動壓監測Fig.6 Dynamic pressure monitoring of No.3-1 coal seam

2.3.2 聲發射監測結果分析

當3-1號煤層工作面進入上煤層房采區下部，頂板壓力增大，所以上覆巖體初始破壞范圍較大，監測到的聲發射信號較強，大事件、總事件數目較多[11-12]。在90 s、180 s左右有明顯的事件發生，伴隨著較大的能率釋放，同時上部2-2號煤層房采煤柱發生崩落，地表有臺階式下沉。推進到173 m附近，2號、3號、4號聲發射傳感器周圍圍巖受開采擾動影響較大，隨著能量逐漸積聚，聲發射信號增強，能量在經過前一段時間的積累后釋放，此時圍巖內應力不斷升高，上覆巖層內部裂隙擴展劇烈，且有新的損傷擴展，能量不斷增加。此時頂板大面積垮落，顯現劇烈，同時2號、3號、4號傳感器所接收到的信號增強，有大事件發生，如圖7所示。振鈴計數達到578 196個/s，能率值達到2.101 503 18×108mV·us/s。在90 s、180 s左右時2號、3號、4號傳感器上信號都比較明顯，伴隨著頂板的大面積垮落，巖層發生了較明顯的位移，房采區煤柱被壓壞，地表沉陷明顯。之后，巖層變化趨于穩定。

圖7 3-1號煤層動壓點聲發射監測Fig.7 Acoustic emission monitoring of No.3-1 coal seam

2.4 動壓區域預測分析

針對韓家灣煤礦的2-2號煤層和3-1號煤層過采空區和過煤柱開采，開采前應先對地面裂縫進行勘察，分析采掘工程平面圖。如果在工作面采空區內存在地面臺階下沉，表明上煤層采后在上關鍵層處于臨近失穩狀態，采用GPS進行定位，在井上下對照圖上進行危險區域標識。對于過較大的煤柱而言，根據前述的研究結果認為，在下煤層進入煤柱之前10 m至出煤柱后15 m期間均為動載礦壓危險區域。

3 結論

(1)對于淺埋近距離煤層上煤層已采下層單一關鍵層而言，當上煤層采后其上關鍵層破斷后的結構處于失穩狀態，下煤層開采時下關鍵層結構破斷后的結構易出現滑落失穩，工作面礦壓顯現異常強烈，工作面易出現臺階下沉和壓架事故。尤其是進出煤柱期間，工作面易發生動載礦壓。

(2)下煤層開采在采空區下壓力先減后增，在工作面前方形成應力集中峰值。1-2號煤層采后應力傳感器變化不明顯，2-2號煤層采后壓力峰值在煤壁前方7 m左右，過煤柱時應力集中達到1.7倍。3-1號煤過房柱式采空區時房柱逐漸破壞，一般在工作面來壓前支撐壓力峰值較大。聲發射監測表明，在周期來壓的位置或者動壓出現前有明顯征兆。

(3)提出了淺埋近距離煤層房柱式開采采空區下煤層重復采動關鍵層結構失穩的控制及防范措施，主要為采前采空區和煤柱下動載礦壓危險區域作出預測，下煤層工作面周期來壓位置動態預測，在可能遇到動載礦壓危險區域時工作面支護質量的監測等。