近距離煤層綜放面礦壓顯現特征模擬與觀測

史宏寶

（山西鋪龍灣煤業有限公司，山西 大同 037100）

我國多數地區都賦存有近距離煤層，由于上覆煤層開采后圍巖的應力集中現象將制約下層煤工作面開采，并且礦壓顯現特征與單一煤層開采有著較大不同，頂板事故發生的可能性增大，對礦井的安全生產形成一定的制約[1-3]。目前許多學者對近距離煤層礦壓規律進行了大量研究，但多以經驗總結、數值模擬和相似模擬研究為主[4-6]。針對近距離煤層開采礦壓顯現特征，本文以鋪龍灣煤礦8103 工作面條件為背景，采用理論分析、現場實測方法，對上覆煤層采空區下工作面上覆巖層的礦壓顯現特征進行了研究，為本礦井其他類似條件工作面開采提供參考。

1 工程背景

鋪龍灣煤礦8103 工作面位于八一采區東部，開采8#煤，煤層厚度平均6.2 m，煤層傾角平均2°，工作面煤層埋深平均為260 m。工作面北部為8#煤層首采8101 回采工作面，南部為8#煤層實煤區，西部為盤區大巷。8103 工作面傾向長度為150 m，可采長度為840 m，上覆5103 工作面采空區。5103 工作面開采煤層為5#煤，煤層厚度平均為9.1 m，與8#煤層間距為18.3～24.6 m，于2015 年8 月回采結束，工作面采用綜合機械化放頂煤開采方式。

2 覆巖結構特征模擬分析

建立物理相似模型，通過試驗判斷采場覆巖結構變化特征，模型如圖1 所示。從圖1（a）中可以看出，下伏煤層工作面推進過程中，工作面初次來壓時的推進度對應為35 m，其頂板呈現不規則梯形結構，頂板垮落高度平均為6.5 m，梯形兩垮落角分別為49°、50°，頂板垮落長度為25～30 m。從圖1（b）可以看出，當工作面推進度至達到47 m時，頂板垮落巖層與上覆煤層采空區導通。此時梯形結構發生變化，兩垮落角增大為62°、65°，頂板垮落高度平均為14.5 m。同時，模擬結果表明，下伏煤層采面開采過程中，周期來壓步距平均為19 m。

圖1 破斷頂板層運動特征

為有效確定頂板巖層位移特征，在模型頂板巖層中布置監測點，監測位移變化。監測點共布置7 組，每組數量為10 個，利用全站儀記錄工作面開采過程中的監測點變化信息，其中A～G 為未開采時各監測點的初始高程，a1～g1 代表開采后監測點的高程，監測結果如圖2 所示。從圖中可以看出，下伏煤層采面推進過程中，頂板巖層的運移體現出下層大于上層特點，上覆煤層采面開挖后，頂板下沉量對應為3.4 m；下伏煤層采面開采后，頂板下沉量對應為4.9 m。

圖2 測點高程變化曲線

綜上所述，下伏煤層開采后，兩煤層中間巖層逐步斷裂，與上覆煤層采空區頂板導通，使得頂板垮落結構進一步擴大，形成大的頂板垮落梯形結構。

3 工作面礦壓特征現場實測

為掌握工作面上覆巖層運動、支承壓力分布變化規律，分析工作面在不同情況下的來壓特征，對5103、8103 工作面支架阻力、支架受力特征、來壓特征進行了實測分析。

5103、8103 工作面均采用KBJ-60Ⅲ-2 壓力檢測儀監測支架工作阻力，工作面內共布置5 個測區，15 個測點，其中2#、9#、16#布置第一測區，23#、30#、37#布置第二測區，44#、51#、58#布置第三測區，65#、72#、79#布置第四測區，86#、93#、98#布置第五測區。

（1）工作面初次來壓分析

5103、8103 工作面初采期間支架工作阻力分布如圖3 所示，從圖中可以看出，5103 的工作面初次來壓步距約為32 m，來壓時支架工作阻力在6 000～7 000 kN 范圍內；8103 工作面初次來壓步距約為24 m，來壓時支架工作阻力在9 000～10 000 kN 范圍內。該結果表明，8103 綜放工作面初次來壓步距小于5103 綜放工作面的來壓步距，初次來壓強度大于5103 工作面的來壓強度。

圖3 工作面初次來壓期間支架工作阻力分布

（2）工作面周期來壓分析

5103、8103 工作面推進度在100～200 m 時支架工作阻力分布如圖4 所示。從圖中可以看出，5103 工作面期間共發生4 次周期來壓，來壓步距在20～25 m 范圍內，來壓時段支架工作阻力在7 000～8 000 kN 范圍內，工作面來壓時出現多處片幫，液壓支架多數安全閥頻繁開啟，頂板存在漏矸現象。8103 工作面期間共發生5 次周期來壓，來壓步距在14～22 m 范圍內，來壓時段支架工作阻力在9 000～12 000 kN 范圍內，工作面來壓時出現多處片幫，頂板較破碎，液壓支架多數安全閥頻繁開啟。

圖4 支架工作阻力分布

現場實測數據與現場礦壓顯現結果表明：老頂初次來壓時，8103 工作面的初次來壓步距小于5103 工作面； 周期來壓時，8103 工作面對應的來壓步距和持續長度小于5103 工作面，且較8103工作面，5103 工作面對應來壓期間支架工作阻力和動載系數變化更大。

2.2 超前支承壓力實測分析

為確定近距離煤層開采與單一煤層開采工作面超前支承壓力分布規律的差異，在5103、8103 工作面運輸巷道各設置了1 個超前支承壓力測站，每個測站分別安設7 組鉆孔應力計，間距為5 m，深度為15 m。

分析8103 采面開采超前支承壓力分布曲線可知，工作面超前支承壓力與距迎頭煤壁的距離相關，各鉆孔支承壓力趨勢分布基本相同，峰值有所差異。當鉆孔應力計與工作面煤壁距離在35～45 m 范圍內時，應力緩慢增長； 當距離在15～24 m 時，應力增長速度加快；當距離減小至4～9 m 時，應力達到頂峰；當距離繼續變小至0 時，應力迅速降低，如圖5（a）所示。

圖5 超前支承應力分布

分析5103 采面開采超前支承壓力分布曲線可知，工作面開采超前支承壓力與8103 面趨勢基本相同。當鉆孔應力計與工作面煤壁距離在20～40 m 范圍內時，應力緩慢增長；當距離在9～19 m時，應力增長速度加快；當距離減小至3～8 m 時，應力達到峰值；當距離繼續變小至0 時，應力迅速降低，如圖5（b）所示。

圖5（a）中各曲線峰值強度平均為10.7MPa，峰值距工作面位置平均為5.1 m，應力集中系數平均為2.6，超前影響范圍為34.4～46.3 m，工作面前方煤體支承壓力基本穩定于3.7MPa。圖5（b）中各曲線峰值強度平均為11.8 MPa，峰值距工作面位置平均為5.3 m，應力集中系數平均為2.5，超前影響范圍為20.6～37.2 m，工作面前方煤體支承壓力基本穩定于4.5 MPa。

根據8103 面與5103 面開采超前承壓力監測結果，其超前支承壓力趨勢基本相同。8103 面開采時，超前支承壓力影響范圍更大，支承壓力峰值點距工作面距離基本不變，峰值強度和原巖應力值均明顯降低，說明上覆煤層開采對下伏煤體具有明顯的卸壓作用。

4 結論

通過對8103 工作面上覆巖層礦壓顯現特征的研究，得到如下結論：

1）下伏煤層開采后，煤層中間巖層逐步斷裂，與上覆煤層采空區頂板導通，頂板垮落結構進一步擴大，形成大的頂板垮落梯形結構。

2）下伏煤層初次來壓步距與周期來壓步距小于上覆煤層，來壓時支架工作阻力與動載系數比上覆煤層更大。

3）上覆煤層開采后對下伏煤層有明顯卸壓作用，上覆煤層與下伏煤層開采超前支承壓力趨勢基本相同，壓力峰值強度和原巖應力值明顯降低。