某煤礦近距離煤層群采空區(qū)下煤層開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

摘" 要：針對近距離煤層群采空區(qū)下煤層開采過程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的復雜性，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結合的方法，系統(tǒng)研究采動應力的分布規(guī)律、關鍵層破斷特性與礦壓演化機制。數(shù)值模擬采用三維有限元模型，模擬采動應力場和頂板破斷過程；現(xiàn)場實測通過礦壓監(jiān)測系統(tǒng)采集工作面支架阻力和頂板下沉量等關鍵數(shù)據(jù)。采空區(qū)前緣存在明顯應力集中，關鍵層破斷表現(xiàn)為彎曲變形、局部失穩(wěn)與整體破壞三階段。模擬與實測結果吻合，表明模型具有較高的可靠性。基于研究結果，提出支護優(yōu)化、采煤工藝調(diào)整及巷道布置優(yōu)化等控制措施，為類似條件下的煤礦安全高效開采提供技術參考。

關鍵詞：近距離煤層群 "采空區(qū) "礦壓顯現(xiàn) "數(shù)值模擬 "現(xiàn)場實測

中圖分類號：TD323

Analysis of the Mining Pressure Manifestation Law of Coal Seam Mining Uunder the Goaf of a Close "Range Coal Seam Group in a Certain Coal Mine

WANG Haijie

Shanxi Huangtupo Xinyun Coal Industry Co.， Ltd.， Changzhi， Shanxi Province， 046599 China

Abstract： This article aims to address the complexity of the manifestation law of mining pressure during the mining process of coal seams in close range goaf areas. A systematic study was conducted on By combining numerical simulation and on-site measurement， the distribution law of mining induced stress， key layer fracture characteristics， and mining pressure evolution mechanism through a combination of numerical simulation and on-site measurementare systematically studied. Numerical simulation adopts a three-dimensional finite element model to simulate the stress field of mining and the process of roof fracture; On- site measurement collected key data such as support resistance and roof subsidence through the mining pressure monitoring system. There is obvious stress concentration at the front edge of the goaf， and the key layer fracture is manifested in three stages： bending deformation， local instability， and overall failure. The simulation and actual measurement results are consistent， indicating that the model has high reliability. Based on the research study results， control measures such as support optimization， coal mining process adjustment， and roadway layout optimization are proposed to provide technical reference for safe and efficient mining of coal mines under similar conditions.

Key Wwords： Close range coal seam group; Goaf; Miningeral pressure manifestation; Numerical simulation; On- site testingmeasurement

煤礦資源開采是能源供應的重要環(huán)節(jié)，但隨著開采深度增加，復雜地質條件帶來明顯挑戰(zhàn)。近距離煤層群采空區(qū)下的煤層開采，由于上覆巖層垮落和應力重分布，常引發(fā)礦壓顯現(xiàn)問題，表現(xiàn)為頂板破裂、周期性應力集中和支架失效，嚴重威脅煤礦安全生產(chǎn)。礦壓顯現(xiàn)的形成機制復雜，與采動應力分布、頂板巖性特征及采空區(qū)結構密切相關。近年來，礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究取得一定進展，特別是在采動應力演化與支護優(yōu)化領域，但近距離煤層群的特殊性使其規(guī)律更加復雜，相關研究仍需要深入。

1 "工程背景

研究礦區(qū)位于煤炭資源豐富區(qū)域，地層由砂巖、泥巖與煤層構成，煤層群之間層間距較小，部分區(qū)域煤層群極近，整體呈穩(wěn)定分布。采空區(qū)形成與上覆巖層特性相關，主要由砂巖和泥巖交替構成，具備明顯的層間變形特性。礦壓顯現(xiàn)與巖層運動對后續(xù)開采影響明顯^[1][ 2]"。典型煤礦采用走向長壁開采工藝與機械化綜放技術，支護形式以液壓支架為主，支護參數(shù)依據(jù)頂板條件與礦壓顯現(xiàn)調(diào)整。上下煤層之間距20～30 m，強烈的應力相互作用影響開采安全^[2]。

2 "近距離煤層群采空區(qū)下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

2.1 "礦壓顯現(xiàn)的基礎理論

礦壓顯現(xiàn)主要由采動引起的應力重分布所致，應力集中區(qū)域在工作面推進過程中逐步遷移，集中在采空區(qū)邊界，形成支承壓力峰值，并隨采空區(qū)擴展向深部巖層擴展^[3]。關鍵層理論認為，上覆巖層中的關鍵層承載作用重要，其失穩(wěn)和破斷是礦壓顯現(xiàn)的核心原因。頂板關鍵層的破斷規(guī)律直接影響采空區(qū)應力釋放和周期性礦壓現(xiàn)象。厚硬頂板破斷伴隨大范圍巖層運動，形成強烈礦壓；薄弱巖層則表現(xiàn)為持續(xù)性垮落。

2.2 "礦壓顯現(xiàn)的主要影響因素

礦壓顯現(xiàn)的強度與分布規(guī)律受地質條件和開采條件共同影響。地質條件中，巖層的力學性質決定礦壓顯現(xiàn)，硬巖層引發(fā)強烈礦壓，軟巖層則表現(xiàn)為緩慢沉降。層間距小易產(chǎn)生應力疊加效應，覆巖厚度較大時礦壓顯現(xiàn)更強^[4]。開采條件方面，煤層厚度和采高影響礦壓顯現(xiàn)，厚煤層開采時頂板承載能力下降。提高開采速度會加劇采空區(qū)動態(tài)變化，增加礦壓顯現(xiàn)的頻率和強度。

2.3 "礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律總結

采動應力集中區(qū)域的演化呈現(xiàn)明顯的階段性特征。初期，應力集中主要位于工作面前緣；隨著采空區(qū)擴大，應力逐步向深部遷移并穩(wěn)定分布^[5]。礦壓顯現(xiàn)的時間特征表現(xiàn)為初次來壓時的強烈應力釋放和周期性來壓時的重復波動。空間分布因地質條件不同而異，厚硬頂板下礦壓顯現(xiàn)集中于采空區(qū)上方和兩側，而軟弱頂板的應力集中區(qū)域則更分散。分析礦壓顯現(xiàn)規(guī)律有助于制定礦壓控制措施和優(yōu)化開采方案。

3 "數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測分析

3.1 "數(shù)值模擬方法與參數(shù)設置

數(shù)值模擬采用三維有限元模型，分析采動應力場分布及頂板破斷過程。使用FLAC3D或ANSYS等軟件，基于礦區(qū)地質條件與開采參數(shù)構建模型，包含煤層、覆巖、關鍵層、底板等關鍵部位，反映應力演化。邊界條件為底部固定，側向自由變形，頂部施加覆蓋巖層重量模擬地應力環(huán)境，確保準確性^[6]。模擬參數(shù)基于巖層物性實驗數(shù)據(jù)與工程經(jīng)驗，包括彈性模量、泊松比、密度、抗拉強度等，考慮煤層厚度、采高、工作面推進速度及力學特性調(diào)整參數(shù)。為提高模型魯棒性，進行敏感性分析，結合不同開采工藝方案動態(tài)捕捉頂板破斷及采動應力集中帶的形成過程^[7]。

3.2 模擬結果分析

數(shù)值模擬結果揭示采動應力場和頂板破斷的動態(tài)規(guī)律，表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性和階段性特征。工作面推進時，采空區(qū)前緣形成應力集中帶，峰值逐步向深部移動，并在采空區(qū)邊界形成強烈應力集中。關鍵層破斷過程經(jīng)歷彎曲變形、局部拉伸破壞和整體失穩(wěn)，當承載能力極限時，斷裂以塊狀或弧形破斷為主，導致巖層沉降和周期性礦壓顯現(xiàn)^[8]。頂板破斷演化表明，大跨度懸頂在厚硬頂板條件下易引發(fā)強烈礦壓，能量釋放大，形成周期性強峰值區(qū)域；軟弱頂板則巖層塌陷緩慢，礦壓顯現(xiàn)較弱。模擬還表明，工作面推進速度增大，加速采動應力場動態(tài)變化，提高頂板破斷頻率，增加支護系統(tǒng)壓力。

3.3 "現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證

現(xiàn)場實測采用礦壓監(jiān)測系統(tǒng)，通過壓力傳感器、頂板下沉位移監(jiān)測裝置等設備，實時采集支架工作阻力、頂板下沉量與圍巖變形數(shù)據(jù)，監(jiān)測點布置覆蓋工作面上下及中部，確保全面反映礦壓顯現(xiàn)的動態(tài)特性。實測數(shù)據(jù)驗證數(shù)值模擬的準確性，支架阻力與模擬預測的支承壓力一致，頂板下沉量監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結果趨勢一致^[9]。對比分析發(fā)現(xiàn)，局部區(qū)域的應力集中現(xiàn)象略高于模擬預測，提示模型參數(shù)和采動邊界條件需要進一步優(yōu)化。綜合分析為采動應力控制和支護方案優(yōu)化提供支持。

4 "采動影響控制與優(yōu)化措施

4.1 "礦壓控制技術與對策

礦壓控制技術在近距離煤層群開采中，需要根據(jù)支護設計和采煤工藝進行針對性調(diào)整。支護優(yōu)化是關鍵，液壓支架選型需要根據(jù)頂板巖層力學特性和礦壓顯現(xiàn)強度進行科學匹配。對于厚硬頂板，應選擇高額定工作阻力的液壓支架并增加初撐力，以承受周期性礦壓沖擊。在采動期間，應動態(tài)調(diào)整支護參數(shù)，防止局部應力集中導致支架失效。對于軟弱頂板，可以調(diào)整支護阻力的液壓支架與注漿加固技術結合使用，提高穩(wěn)定性。采煤工藝優(yōu)化也能夠緩解采動應力，分層開采可以減少頂板破壞，并通過緩沖層和減速推進提高礦壓控制效果。例如：在山西某煤礦和內(nèi)蒙古某煤礦的實踐中，合理控制推進速度和保留緩沖層，顯著降低礦壓沖擊。

4.2 巷道布置優(yōu)化建議

巷道布置優(yōu)化對于控制采動應力和保障巷道穩(wěn)定性具有重要作用。應優(yōu)先布置在采空區(qū)應力卸壓范圍內(nèi)，避免高應力集中區(qū)域的影響。例如：淮南礦區(qū)通過將回采巷道布置在卸壓區(qū)，減少圍巖變形，延長巷道維護周期。巷道圍巖穩(wěn)定性保障需要結合主動與被動支護技術，常用錨桿、錨索和支護網(wǎng)組合支護方案，并通過注漿加固巖層裂隙，提高穩(wěn)定性^[10]。新疆某礦區(qū)采用注漿技術有效增強破碎頂板穩(wěn)定性，減少圍巖變形。采動應力較大的區(qū)域可以使用鋼架與噴射混凝土聯(lián)合支護提高抗剪切能力。對于承壓水體上方的巷道，增大支護密度可以提高安全性。

4.3 "煤礦安全生產(chǎn)的綜合建議

煤礦安全生產(chǎn)需要建立高效的風險預測與監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測關鍵參數(shù)如支架阻力、頂板下沉量與巷道變形。例如：陜西某礦區(qū)通過物聯(lián)網(wǎng)技術的礦壓實時監(jiān)測系統(tǒng)，結合大數(shù)據(jù)分析技術，成功預警礦壓突發(fā)事故。在多煤層開采條件下，需要動態(tài)優(yōu)化采煤順序和工藝設計，優(yōu)先開采影響范圍大的煤層，再開采較小煤層，減少相鄰煤層應力疊加效應。神東礦區(qū)通過合理調(diào)整開采順序并保留隔離層，減少頂板破斷幅度和頻率。智能礦壓控制技術的應用，如智能支架調(diào)整系統(tǒng)，提高了開采效率和安全性。

5 "結語

綜上所述，通過結合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測，系統(tǒng)分析了近距離煤層群采空區(qū)下煤層開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，揭示了采動應力分布特征和關鍵層破斷機理。研究表明，礦壓顯現(xiàn)強度與規(guī)律受地質條件和開采方式的影響，數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)驗證了理論分析的準確性和工程適用性。通過優(yōu)化支護設計、調(diào)整采煤工藝和巷道布置，有效控制礦壓顯現(xiàn)強度和頻率，為安全開采提供了理論依據(jù)和實踐指導。未來研究可以進一步探討復雜地質條件下的礦壓演化規(guī)律，提高智能化開采技術和安全保障能力。

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