煤層群下位煤層開采速度對礦壓顯現影響規律

周 虎 孫 峰 張桐桐

（1.陜西能源涼水井礦業有限責任公司，陜西 榆林 719000；2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221000）

涼水井煤礦4-3煤正處于煤層群下位煤開采階段，綜采面在開采時已受到4-2煤綜采面開采擾動，覆巖并非完整巖體，工作推進速度1.3～9.6 m/d，推進速度變化較大且經歷多次停采，礦壓顯現特征存在未知性。國內外學者在近距離煤層群開采覆巖運動規律方向做了深入研究[1-3]，但對覆巖運動與礦壓顯現之間影響的研究較少。本文以涼水井煤礦431301 工作面為工程背景，研究下位煤不同推采速度下覆巖運動對工作面礦壓顯現的影響規律。

1 工程地質概況

涼水井煤礦4-3煤431301 工作面布置于4-2煤采空區下。4-3煤層埋深130 m，平均層厚1.02 m，頂板巖性以細粒砂巖為主，局部為中粒砂巖和粉砂巖，厚度0.60～20.11 m；底板巖性以粉砂巖為主，局部為細粒砂巖或泥巖，厚度0.66～14.25 m。4-3煤與4-2煤（層厚2.9 m）煤層間距20 m，屬近距離薄煤層群開采。4-2煤頂板上方45 m 細粒砂巖關鍵層受開采擾動破斷，4-3煤間隔關鍵層（粉砂巖）成為覆巖主關鍵層。

2 近距離薄煤層群頂板破斷結構分析

間隔關鍵層和已破斷的4-2煤關鍵層組成了431301 綜采面覆巖主要結構。隨著下位煤層工作面推進，間隔巖層垮落下沉，發生周期性破斷，同時4-2煤已穩定覆巖受下位煤層采動影響再次活化運移。如圖1 所示，直接頂垮落后，間隔關鍵層最先回轉下沉，塊體B、C 逐步形成穩定的砌體梁或臺階巖梁結構。受間隔關鍵層下沉量和層間巖體碎脹量的影響，運移活動傳遞至上關鍵層塊體D、E，造成結構失穩運移直至再次平衡。

圖1 煤層群開采關鍵層運移關系

h2為上下關鍵層間隔厚度；n為層間巖層碎脹系數，與冒落帶巖層碎脹系數大致相同；絕對碎脹量η為關鍵層層間巖層碎脹后的厚度減去原有的關鍵間隔巖層厚度，則有：

若η＞0，則已擾動關鍵層存在臺階下沉，形成“臺階巖梁”結構；若η2≤0，則已擾動關鍵層不存在臺階下沉，形成“砌體梁”結構。此時，下關鍵層下沉量被層間巖層碎脹充實，覆巖關鍵層形成“砌體—臺階”結構。間隔關鍵層在下位煤厚度較小時巖層沉降較小，煤層群頂板形成“砌體—砌體”結構。已知涼水井煤礦冒落帶巖層碎脹系數為1.2，將覆巖條件代入公式（1），可求得η＜0，涼水井煤礦431301 工作面采后形成“砌體梁-砌體梁”覆巖結構。

3 推進速度對覆巖運動的影響規律

3.1 431301 綜采面開采覆巖環境分析

煤體應力卸載速度受工作面推進速度的直接影響[4]，圍巖應力狀態變化改變了頂板的承載狀態和覆巖運移規律。為更真實地反映工作面覆巖運動情況，根據涼水井煤礦巖層物理力學參數和地質資料建立UDEC 模型模擬4-2煤開采活動對4-3煤原巖的應力擾動。

根據4-2煤采后覆巖垮落運移模擬結果（圖2），4-2煤覆巖關鍵層破斷后頂板形成砌體梁結構，相鄰關鍵塊鉸接達到暫時平衡。由于覆巖垮落對底板產生的擠壓效應，致使4-3煤頂板中已存在大量裂隙，模擬形成了4-3煤采前應力環境。

圖2 4-2 煤采后覆巖裂隙分布

3.2 正常推采時覆巖運動規律

根據431301 工作面以4 m/d 速度推進時模擬結果，工作面初采階段基本頂下沉不明顯，關鍵層完整性較好；綜采面由36 m 推至44 m 時基本頂初次破斷，間隔關鍵層驟然沉降480 mm，4-2煤關鍵層同步下沉450 mm，采場初次來壓步距為44 m；頂板在工作面繼續推進16 m 時再次劇烈沉降，間隔關鍵層下沉量增加250 mm，4-2煤關鍵層下沉量增加210 mm，采場發生周期性來壓，周期來壓步距16 m，4-2煤關鍵層最大下沉點滯后于間隔關鍵層的最大下沉點。關鍵層下沉量監測數據如圖3。

圖3 4 m/d 推采時關鍵層下沉量

已知4-3煤和4-2的間隔巖層碎脹率為1.2，關鍵層間隔34 m，將模擬結果代入頂板結構判別式（1）可知η2始終小于等于0，即當采場以4 m/d 的速度推進時，4-3煤頂板巖層在周期性破斷中保持“砌體梁-砌體梁”結構。

3.3 快速推采時覆巖運動規律

根據431301 工作面以8 m/d 速度推進時模擬結果，431301 綜采面推進16 m 時，基本頂完整性較好，此時采場只有垮落帶下沉明顯；工作面由32 m 推進至48 m 時基本頂初次破斷，間隔關鍵層最大下沉值突增500 mm，4-2煤關鍵層同步增加470 mm，工作面初次來壓；工作面繼續推進24 m 基本頂再次破斷，間隔關鍵層下沉量增加270 mm，4-2煤關鍵層下沉量增加為230 mm，工作面發生周期來壓，來壓步距24 m；工作面繼續推進，采場周期性來壓時4-2煤關鍵層與間隔關鍵層同步垮落下沉，關鍵層下沉量監測數據如圖4。

圖4 8 m/d 推采時關鍵層下沉量

將間隔巖層碎脹率n=1.2，關鍵層間隔h2=34 m，關鍵層最大下沉量860 mm，間隔關鍵層最大下沉量990 mm 代入頂板結構判別式（1），可得η2仍小于等于0。根據模擬結果可知，雖然4-3煤工作面推進速度提高后頂板巖層下沉量增大，但上下關鍵層破斷時依舊形成“砌體梁-砌體梁”結構。

對比不同推進速度下覆巖運移規律，頂板破斷長度隨推進速度提高有所增加，上下關鍵層最大下沉量有所增加，但上下關鍵層仍保持穩定的砌體梁結構。

4 工作面礦壓強度分析

從數值模擬結果可知，工作面推進速度增加后上下關鍵層仍處于“砌體梁-砌體梁”的破斷結構，即上下關鍵層依然是431301 工作面覆巖結構的承載主體，承受上部巖層的部分重量，即使推進速度增加后覆巖下沉量增加，對工作面礦壓強度的影響也不會很大。此時上覆巖層載荷主要由上關鍵層承載，下關鍵層僅承擔間隔巖層段載荷[5]，載荷分布如圖5。

圖5 載荷分布特征

直接頂荷載和關鍵層結構荷載共同組成了431301 采場支架載荷，基于淺埋煤層關鍵層理論支架的支護阻力為：

關鍵層結構載荷R1為：

當下位煤層頂板關鍵層發生回轉下沉時，P0為關鍵層巖塊與煤層間隔層重量R2和上煤層關鍵層自重及上方荷載R3兩部分組成：

考慮支護效率μ，綜合式（1）～（3）可以得到綜采面的合理支護阻力為：

根據涼水井的生產地質條件：

支架寬度b為1.75 m；支架控制距lk為5 m；淺埋煤層支護效率μ取0.9；∑h為4-3煤直接頂厚度；間隔巖層高度h2為34 m，容重ρ1g為23 kN/m3；關鍵層砌體梁塊體長度L取來壓步距平均值20 m；下位煤層關鍵層厚度h1為8.8 m，容重ρg為25 kN/m3；下位煤層關鍵層塊度i為塊體長度與厚度的比值，取值0.44，與單一煤層砌體梁頂板結構相比，431301 工作面關鍵層塊度較大，與保持砌體梁結構穩定的極限值（0.5）較為接近；根據關鍵層下沉量的數值模擬結果，關鍵層回轉角θ為3°，最大回轉角θmax為6°，上位煤層關鍵層均布載荷q等于631 kN/m2。代入式（5）計算得支架阻力應不小于8606 kN。

5 現場觀測結果

431301 綜采面選用ZY9000/09/16D 型兩柱掩護式液壓支架，支護阻力9000 kN。為觀測液壓支架對采場頂板控制情況，在綜采面上、中、下三個位置各設置一個觀測站，每個觀測點各選取3 架液壓支架工作阻力記錄。工作面在不同推進速度下頂板來壓情況見表1。

表1 431301 綜采面不同推采速度期間周期來壓參數統計表

實測數據顯示，推進速度增加后，頂板壓力變化不大，來壓時壓力均值都保持在32 MPa 左右。431301 綜采面在4.3 m/d 推采速度期間周期來壓步距平均值為7.2 m，工作面以7.6 m/d 推采速度期間周期來壓步距平均值為10.8 m，工作面提高推進速度后，加大了頂板巖層破斷長度，周期來壓步距隨之增加。工作面較快推進期間來壓動載系數有所增加，當工作面推進速度由4.3 m/d 增加至7.6 m/d 后，工作面周期來壓動載系數從1.12 增加至1.33，來壓時支架壓力浮動范圍增大，支架壓力達到45 MPa的支架數量增加。涼水井煤礦煤層群下位薄煤層開采推進速度增加后對工作面礦壓大小的影響不明顯，推進速度增加后工作面來壓時來壓步距、動載系數有所增加，因此，合理控制4-3煤工作面推進速度的同時需加強支架支護管理。

6 結語

（1）4-3煤工作面推采速度增加后，直接頂和基本頂破斷長度增加，來壓步距有所增加，對上位煤層已擾動關鍵層活化程度高，覆巖沉降運移量更大。

（2）4-3工作面推采速度增加后，上下關鍵層最大沉降值有所增加。由于4-3煤煤層厚度較小，間隔層碎脹系數較低，當推采速度增加后上下關鍵層破斷結構仍保持穩定的雙砌體梁結構。

（3）涼水井下位煤層工作面推采速度變化對工作面礦壓大小影響較小，當推采速度較大時，工作面來壓期間頂板壓力變化不大，動載系數有所增加。