相鄰綜采工作面采空區覆巖壓力分布特征研究

戴文琦

（晉能控股集團 和順李陽煤業有限公司，山西 和順 032700）

隨著我國煤炭行業的發展，同一煤層布置多個工作面進行連續開采的情況已成為常態。在相鄰工作面連續開采的條件下，本工作面采空區壓力分布特征受上一工作面采空區頂板運動影響，變得更為復雜。在井下復雜多變的應力環境中，采空區覆巖壓力分布特征對近距離煤層上行開采[1-4]、含水層下開采[5-6]以及廢棄采空區瓦斯分布[7-9]及巷道頂板事故防范[10-12]等具有十分重要的意義。

目前，國內外學者通過理論分析[13-14]、數值模擬[15]，以及室內相似材料模擬等手段，探討了采空區應力恢復規律，揭示了不同應力環境下采空區垮落頂板形態及演化機制。李揚[16]等通過材料力學、礦壓理論與UDEC 數值模擬的方法，對采空區垮落頂板形態的典型特征、形成機理進行了充分研究；周波[17]等采用UDEC 數值模擬軟件對比分析了單一煤層開采與近距離采空區下煤層開采的礦壓顯現規律，發現了近距離采空區下煤層開采的支承壓力及超前支承壓力更大，且下煤層頂板巖層破壞較單一煤層開采更為嚴重；許國勝[18]等依據煤層極限平衡區和彈性區的支承壓力分布函數的表達式，通過載荷守恒原理對采空區應力恢復函數進行分析，提出了巖層與煤層的垂距越大時，采空區應力恢復距離越大，且巖層采空區應力恢復距離與其和煤層的距離呈現線性增加關系的觀點；張向陽[19]等運用數值模擬、相似模擬和工程實踐相結合的研究方法，分析了上下采空極近距離煤層開采過程中采場圍巖應力分布規律、位移變化及變形破壞特征。上述研究對推進采空區壓力分布特征分析具有積極作用，但多集中于近距離煤層開采條件下采空區的應力恢復及應力分布特征，對于臨近綜采工作面采空區覆巖壓力分布特征研究相對較少。為深入研究相鄰采面推采后采空區覆巖壓力分布特征，通過現場數據實測以及理論分析相結合的方法，對相鄰綜采工作面采空區覆巖壓力分布特征進行研究。為此, 以山西李陽煤業15107 綜采工作面采空區為工程背景，利用現場實測數據及理論分析研究相鄰采空區覆巖壓力分布特征，為防范采煤工作面發生頂板事故提供一定的科學依據。

1 工程概況

李陽煤業一采區主采-339 m 水平15#煤層，采區煤層均厚2.1 m，目前布置15101、15103、15105、15107 4 個不等寬工作面。一采區工作面布置簡圖如圖1。

圖1 一采區工作面布置簡圖Fig.1 Layout diagram of working face in first mining area

目前15101 工作面、15103 工作面和15105 工作面已經回采完畢，在布置15107 工作面時，與15105工作面間隔30 m。15107 工作面采深330 m，工作面傾向長度為120 m，可采走向長度為478 m，采用傾斜長壁后退式采煤法，綜合機械化采煤，放頂煤管理頂板，一次采全高，每循環推進度為0.6 m。選用ZF4800/17/28 型掩護式支架共76 架進行支護。從刮板輸送機機頭到機尾依次編號為1#～76#。

2 綜采工作面采空區覆巖壓力分布實測

2.1 綜采工作面采空區覆巖壓力監測

采空區壓力監測設備采用山東泰安思科賽德生產的GPD300 礦用本安型采空區壓力傳感器，壓力傳感器結構示意圖如圖2。

圖2 壓力傳感器結構示意圖Fig.2 Structure diagram of pressure sensor

工作面距開切眼220 m 位置處時，安裝3 個采空區壓力傳感器，分別布置于工作面上中下（16#支架、33#支架、50#支架）3 個位置。布置方式為：在刮板輸送機前方底板處開挖1 個220 mm×150 mm×480 mm（長×寬×高）的凹槽用于放置設備，沿凹槽布置1 個線槽，線槽距底板表面350 mm、寬度40 mm直通15107 運輸巷，壓力傳感器布置圖如圖3。

圖3 壓力傳感器布置圖Fig.3 Pressure sensor layout diagram

采空區壓力傳感器可進行連續監測，數據自動傳輸至地表服務器，監測至采空區壓力穩定為止。

2.2 綜采工作面采空區覆巖壓力實測分析

工作面形成采空區后，監測位置從距開切眼前方220 m 開始，監測30 d。采空區上部（16#支架處）覆巖壓力-時空關系曲線如圖4，采空區中部（33#支架處）覆巖壓力-時空關系曲線如圖5，采空區下部（50#支架處）覆巖壓力-時空關系曲線如圖6，采空區上部、中北部和下部3 個側點壓力變化規律見表1。

圖4 采空區上部（16#支架處）覆巖壓力-時空關系曲線Fig.4 Space-time relationship curve of overburden pressure in upper goaf

圖5 采空區中部（33#支架處）覆巖壓力-時空關系曲線Fig.5 Space-time relationship curve of overburden pressure in middle of goaf

圖6 采空區下部（50#支架處）覆巖壓力-時空關系曲線Fig.6 Space-time relationship curve of overburden pressure in lower goaf

表1 采空區壓力分布數據表Table 1 Data table of goaf pressure distribution

由圖4 可以看出，采空區上部在第4 d（滯后工作面23.4 m）覆巖壓力開始緩慢上升，到第7 d（滯后工作面33.8 m），覆巖壓力增量16 kN（0.91 MPa），增長速率為0.13 MPa/d。隨后，覆巖運動加劇，采空區壓力開始快速增長，持續至第13 d（滯后工作面96.4 m）覆巖壓力增量為55 kN（3.1 MPa），增長速率為0.44 MPa/d，再后面，采空區壓力增速變緩，說明覆巖運動逐步穩定。第26 d（滯后工作面150.4 m）采空區覆巖壓力達到最大，最大值為79 kN（4.47 MPa），覆巖運動基本穩定壓力值不再升高。

由圖5 可以看出，在第2 d（滯后工作面13.2 m）覆巖壓力開始上升，第4 d（滯后工作面25.6 m）覆巖壓力增量為10 kN（0.56 MPa），增長速率為0.14 MPa/d。第5 d（滯后工作面31.2 m）覆巖壓力開始快速增長，說明此時采空區上覆巖層運動加劇，采空區壓力快速增高，到第16 d（滯后工作面102.4 m）覆巖壓力增量為82 kN（約4.58 MPa），增長速率為0.43 MPa/d。第23 d（滯后工作面138.2 m）采空區覆巖壓力達到最大，最大值為122 kN（約6.9 MPa），覆巖運動基本穩定壓力值不再升高。

由圖6 可以看出，采空區下部覆巖壓力同樣受移架影響，前期數值上下波動。第2 d（滯后工作面13.4 m）采空區覆巖壓力值開始上升，但采空區覆巖壓力增長趨勢明顯小于采空區中部覆巖壓力，第7 d（滯后工作面35.6 m），上覆巖層運動加劇，采空區壓力開始快速增長，第17 d（滯后工作面97.4 m）采空壓力上升至100 kN（約5.66 MPa），增量為82 kN（約4.64 MPa），增長速率為0.39 MPa/d，隨后上覆巖層運動開始穩定，采空區壓力值呈現先減小隨后穩步增加的過程，在第26 d（滯后工作面155.4 m）覆巖運動基本結束，覆巖壓力穩定在100 kN（約5.66 MPa）左右。

3 綜采工作面采空區覆巖壓力分布特征

3.1 沿傾向采空區覆巖壓力分布特征

根據采空區上中下部位現場實測數據并結合文獻［20］，繪制采空區傾向方向覆巖壓力曲線，沿傾向采空區覆巖壓力分布特征圖如圖7。從圖7 中可以看出，覆巖壓力穩定后，采空區傾向壓力呈“□”類拋物線型分布。靠近實體煤側或小煤柱側的采空區壓力相對較小，中部壓力相對較大。傾向壓力大小排序為采空區中部（34～64.5 m）＞采空區下部（64.5～100 m）＞采空區上部（0～34 m）。分析其原因為，上部臨近實體煤，形成傾向方向上的懸臂梁結構，懸臂梁結構會承擔上覆巖層的一部分壓力傳遞，而下部鄰近采空區，覆巖下沉量大，傳遞壓力多，致使采空區下部壓力要大于上部。此外，通過對比發現采空區中部覆巖壓力進入穩定階段的時間要小于采空區上下2 個部位。

圖7 沿傾向采空區覆巖壓力分布特征圖Fig.7 Distribution characteristics of rock pressure along inclined goaf

3.2 沿走向采空區覆巖壓力分布特征

由表1 可知，采空區上部、中部、下部壓力變化趨勢總體同步，沿走向采空區覆巖壓力變化可分為4 個階段：①壓力值上升初期：直接頂垮落到采空區內，基本頂也已經破斷，但是上覆巖層變形下沉量很小，采空區壓力主要來源于直接頂和部分基本頂的質量，此階段的覆巖壓力較小；②壓力值緩慢上升期：上覆巖層開始慢慢下降，上覆巖層逐漸壓實，巖層會傳遞一部分壓力，壓力值緩慢上升；③壓力值快速增長期：采空區上覆巖層變形下沉的速度加快，上覆巖層壓實壓密程度加大，采空區壓力快速增加；④壓力值逐步穩定階段：在滯后采面150 m 左右采空區上覆巖層變形下沉運動結束，采空區上覆巖層壓實，采空區壓力趨于穩定。因此下一個工作面準備巷道滯后本工作面至少150 m。

在總體趨勢一致的情況下，采空區中部壓力上升初期和壓力上升末期都要早于上部和下部，說明中部頂板運動早于兩端，這是因為采空區上部頂板運動還受到上個工作面采空區穩定頂板結構的牽制，而采空區下部工作面頂板運動受到實體煤支撐，運動也受到限制。

對綜采工作面采空區覆巖壓力監測數據進行綜合分析，獲得綜采工作面采空區覆巖壓力走向分布特征如圖8。

圖8 沿走向方向上采空區覆巖壓力增長趨勢圖Fig.8 Growth trend chart of goaf rock pressure along strike direction

4 結 論

1）覆巖壓力穩定后，近距離綜采工作面采空區傾向壓力呈“□”類拋物線型分布，靠近實體煤側或小煤柱側的采空區壓力相對較小，中部壓力相對較大，傾向方向上壓力分布特征為采空區中部＞采空區下部＞采空區上部。

2）受相鄰采空區影響，傾向上采空區頂板從實體煤側（上部）至鄰面采空區側（下部）形成懸臂梁結構，致使采空區下部壓力值要大于上部，采空區中部壓力最大。

3）走向采空區覆巖壓力變化可分為壓力值初始增長階段、壓力值緩慢上升階段、壓力值快速增長階段、壓力值逐步穩定階段共4 個階段。