近距離煤層群疊加開采采動應力與覆巖位移場演化特征*

馬海峰，程志恒，劉 偉

(1. 安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001；2. 煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 3. 淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司，安徽 淮南 232001)

0 引 言

近距離煤層開采時，相互之間的影響較大，尤其是當層間距很小時，下煤層開采前頂板巖層受上煤層開采的影響產生不同程度的損傷破壞，導致下煤層開采引起的覆巖運移、采動應力演化有別于遠距離煤層。相關學者對近距離煤層開采時覆巖裂隙與應力的分布、巷道的合理位置等進行了研究，取得了一系列成果。李樹清[1]等研究了煤層群重復開采條件下覆巖裂隙的形成規(guī)律；屠世浩[2]等分析了房柱式采空區(qū)條件下近距離煤層綜放開采引起的覆巖變形破壞與地表移動規(guī)律；張勇[3]等研究了近距離煤層群上保護層開采過程中底板不同應力分區(qū)裂隙的分布特征；閆書緣[4]等探索了深部近距離煤層群下卸壓開采時應力的演化特征；許磊[5]等分析了下位煤層偏應力場的分布特征與回采巷道的合理位置；嚴紅[6]等研究了超近距離煤層群煤巷的布置與支護設計；程志恒[7]等研究了近距離煤層群保護層開采中圍巖應力-裂隙的演化規(guī)律；白慶升[8]等分析了近距離上煤層遺留煤柱下工作面頂板的應力演化規(guī)律；張向陽[9]等研究了上下煤層開采對中間煤層及其頂底板的影響特征；文獻[10-12]對近距離煤層開采巷道的合理位置與穩(wěn)定性進行了研究。上述成果多是在近距離煤層開采覆巖裂隙、巷道合理位置等方面取得的，關于近距離煤層疊加開采條件下覆巖的運移特征及采動應力動態(tài)演化的研究較少。因此，本文以潘二礦近距離煤層群的地質條件為背景，開展近距離煤層疊加開采條件下采動應力與覆巖運移演化規(guī)律的研究。

1 近距離煤層疊加開采相似模擬試驗

1.1 地質條件

潘二礦西四采區(qū)位于陶王背斜北翼及西部轉折端，煤系地層被厚度為280～340 m左右的巨厚的新生界地層所覆蓋。西四采區(qū)B組煤主采煤層為8煤、7煤、6煤，本文主要研究對象7煤與6煤為近距離煤層，7煤位于6煤上方，平均層間距為15.1 m，7煤平均厚度為2.6 m，為較穩(wěn)定煤層，煤層結構較復雜，6煤平均厚度為2.5 m，為不穩(wěn)定煤層，煤層結構較復雜，煤層平均傾角12°，6煤埋深約600 m。6煤工作面回風平巷外錯7煤工作面回風平巷60 m，運輸平巷內錯7煤工作面運輸平巷42 m，煤層位置示意如圖1所示。

圖1 近距離煤層群位置關系Fig.1 Location of close distance coal seam group

1.2 試驗模型的建立

根據7煤、6煤的地質條件和試驗模型的實際情況，模型尺寸：長×寬×高=1 800 mm×160 mm×1 000 mm，試驗采用幾何相似比為CL=100∶1，容重比為aγ=1.625∶1，應力相似比aσ=162.5∶1。相似模擬材料的主要成分為砂子、石灰、石膏、水，通過煤巖物理力學試驗參數和大量不同配比試件的抗壓試驗，確定材料的合理配比和力學性能進行試驗模型的搭建，各巖層物理力學參數見表1。

表1 各巖層物理力學參數

續(xù)表1

試驗模型共布置8條位移測線、3條應力測線。每條位移測線設15個測點，測點間距100 mm，位移測線1～5位于7煤上方，至7煤的距離分別為450，350，250，150，50 mm，位移測線6～8位于7煤下方，至7煤的距離分別為40，80，120 mm。每條應力測線設11個測點，測點間距150 mm，應力測線1位于7煤上方130 mm，應力測線2位于7煤下方50 mm，應力測線3位于6煤下方100 mm。

在模型左右邊界分別留設300 mm的邊界煤柱，消除邊界效應，開采長度為1 200 mm，每次開采長度為50 mm。試驗過程中先開采7煤，后開采6煤。

2 疊加開采采動應力演化特征

2.1 單一煤層開采采動應力演化

7煤層開采過程中，發(fā)生3次來壓。開采至60 m時，產生初次來壓，形成砌體梁平衡結構；開采至90 m時，發(fā)生第1次周期來壓，斷裂巖塊產生雙關鍵塊砌體梁平衡結構，平衡結構之上的軟弱巖層充分下沉運移；開采至120 m時，發(fā)生第2次周期來壓，基本頂斷裂巖塊仍可形成砌體梁平衡結構。第1，2次周期來壓時采動應力變化如圖2所示。

圖2 應力變化曲線Fig.2 Stress curves

由圖2可知，在7煤層開采過程中，工作面前方和切眼后方均產生了不同程度的應力集中，煤層頂底板巖層均得到了不同程度的卸壓。開采至90 m時，工作面前方和切眼后方最大應力分別為19.5，19.1 MPa，最大應力集中系數分別為1.5，1.4，卸壓區(qū)頂板巖層最小應力為7.6 MPa，底板巖層最小應力為9.3 MPa；隨著工作面的推進，頂底板巖層卸壓范圍呈擴大態(tài)勢；開采至120 m時，工作面前方和切眼后方最大應力分別為22.2，20.8 MPa，最大應力集中系數分別為1.65，1.6，卸壓區(qū)頂板巖層最小應力為6.2 MPa，底板巖層最小應力為8.2 MPa。

2.2 疊加開采采動應力演化

6煤層開采過程中(疊加開采)，工作面發(fā)生5次來壓。開采至60 m，基本頂初次來壓，受疊加采動影響，開采6煤層造成的斷裂巖層再次運移，其重力完全作用于6，7煤層之間的堅硬巖層之上，加之開采7煤層對底板造成的損傷，6，7煤層之間的巖層多次發(fā)生破斷，在工作面煤壁的支撐下發(fā)生復合破斷，形成平衡結構；開采至75 m 時，發(fā)生第1次周期來壓，基本頂形成砌體梁平衡結構；開采至90 m時，發(fā)生第2次周期來壓，基本頂斷裂線處于工作面煤壁后方，不能形成平衡結構，基本頂斷裂巖塊落向采空區(qū)，較高層位巖層在沒有支撐條件下，迅速下沉、斷裂；開采至105 m時，發(fā)生第3次周期來壓，基本頂巖塊斷裂后形成平衡結構，僅基本頂下方的直接頂垮落，基本頂及其上部巖層沒有發(fā)生明顯下沉；開采至120 m時，發(fā)生第4次周期來壓，基本頂斷裂垮落，上位基本頂在疊加采動作用下發(fā)生斷裂形成砌體梁平衡結構。6煤層開采過程中，采動應力變化見圖3。

圖3 工作面開采過程中應力Fig.3 Stress in the progress of working face mining

疊加開采過程中，6煤層工作面前方和切眼后方最大應力分別為16，15 MPa，最大應力集中系數分別為1.23，1.15，卸壓區(qū)頂板巖層最小應力為4.3 MPa，與單一開采7煤層相比，6煤層開采過程中應力集中程度相對降低，但卸壓程度增大。

圖4 覆巖運移實況Fig.4 Scene of overlying strata movement

相似模擬試驗表明，7煤層開采過程中基本頂巖層經歷了周期性的破斷下沉，基本頂破斷時產生回轉變形，在周期來壓時具有發(fā)生回轉失穩(wěn)的傾向。6煤層開采過程中，覆巖經歷多次疊加演化，覆巖位移呈現(xiàn)增大現(xiàn)象，具有位移疊加增長效應。由于7煤層工作面的開采使覆巖起到一定的墊層作用，緩和了礦山壓力，使近距離煤層疊加開采時具有應力減弱效應。與開采7煤層相比，6煤層開采過程中，來壓步距減小，但周期來壓時破斷巖層具有滑落失穩(wěn)的傾向，部分巖層發(fā)生臺階式下沉，如圖4所示，易發(fā)生沖擊破壞或其他動力災害。

3 疊加開采覆巖位移場演化特征

3.1 單一煤層開采位移場演化

圖5為7煤層開采推進90 m和120 m時各位移測線變化曲線。

圖5 位移變化曲線Fig.5 Displacement curves

由圖5可知，工作面推進至90 m時，位移測線1～2與6～8的量值基本無變化，采動應力對位移測線1～2，6～8所在巖層的影響很小，7煤層頂板巖層位移測線3～5的量值相對變化較大。推進至120 m時，位移測線6～8的量值基本無變化，7煤層上覆巖層的位移由下至上逐漸減小，主要是由于巖層破斷垮落后具有碎脹性，導致體積增大，上覆巖層運移的空間減小所致。7煤層開采過程中，上覆巖層最大位移的位置位于采空區(qū)中后部，且采空區(qū)中后部覆巖運移速度較中前部大，工作面和切眼附近巖層運移量小于采空區(qū)中部巖層。

3.2 疊加開采位移場演化

圖6為6煤層開采90，120 m時覆巖的位移曲線。

圖6 位移變化曲線Fig.6 Displacement curves

6煤層開采過程中覆巖的宏觀運移形態(tài)和特征與開采7煤層相似，具備垮落帶、裂縫帶、彎曲下沉帶的特征，但也產生了近距離煤層疊加開采條件下覆巖運移自身的特點： 疊加開采時，各巖層的運移量明顯增大，且呈現(xiàn)出多巖層整體協(xié)調運移的規(guī)律； 疊加開采時，上覆巖層發(fā)生疊加運移，呈現(xiàn)出位移疊加增長效應，巖層整體運移增加幅度較大； 開采6煤層時，由于存在疊加效應，上覆巖層破壞程度增大，尤其是周期來壓時，部分巖層發(fā)生臺階式運移，呈現(xiàn)出局部位移場演化劇烈的特征，使上覆巖層運移非連續(xù)性較明顯。

4 工程實踐

基于以上分析，為防止6，7煤層工作面開采過程中基本頂破斷發(fā)生回轉失穩(wěn)或滑落失穩(wěn)損壞液壓支架，在設備選型時，選用了高額定工作阻力的液壓支架，額定工作阻力1 5000 kN。6、7煤層開采過程中工作面的實測來壓情況如表2所示(7煤層工作面以65#支架為例，6煤層工作面以83#支架為例)。7煤層開采過程中支架最大載荷為28.96 MPa，平均載荷為28 MPa，最大動壓系數為1.81，平均動壓系數為1.75，平均來壓步距為22.68 m；6煤層開采過程中，支架最大載荷為23.52 MPa，平均載荷為22.14 MPa，最大動壓系數為1.47，平均動壓系數為1.38，平均來壓步距為17.88 m。

表2 工作面來壓情況

實踐表明，在7煤層工作面開采過程中，基本頂巖層經歷了周期性的懸露、破裂與折斷的過程，而且?guī)r塊與巖塊的咬合處也經歷了一次變形過程，其完整性受到一定的破壞；在6煤層工作面開采時，由于7煤層工作面的開采使覆巖起到一定的墊層作用，致使礦山壓力呈現(xiàn)減弱現(xiàn)象。與開采7煤層工作面相比，6煤層工作面開采過程中周期來壓步距減小，來壓時支架載荷減弱，動壓系數相應減小，這與相似模擬結果是一致的。

6煤、7煤開采過程中分別對回采巷道的表面與深部圍巖變形進行了實測。實測表明，7煤層工作面開采時，回采巷道頂底板、兩幫最大表面位移分別為1 068，888 mm，巷道深部圍巖最大位移為868 mm；6煤層工作面開采時，回采巷道頂底板、兩幫最大表面位移分別為795，694 mm，巷道深部圍巖最大位移為744 mm。與開采7煤相比，6煤開采過程中，回采巷道的表面與深部圍巖位移相對較小，在一定程度上反映了近距離煤層疊加開采時礦山壓力呈現(xiàn)緩和的現(xiàn)象，這與相似模擬中近距離煤層疊加開采產生的應力減弱效應是一致的。

由于選用了高額定工作阻力的液壓支架，在近距離煤層疊加開采過程中，尤其是在來壓期間，采取了一定的輔助措施，同時加強了組織管理，生產中沒有發(fā)生沖擊液壓支架、壓架及其他動力災害的現(xiàn)象，液壓支架工作狀況較好。

5 結論

1)近距離煤層群6煤、7煤開采中覆巖的宏觀運移形態(tài)和特征相似，疊加開采時，覆巖位移量增大，且呈多巖層整體協(xié)調運移的規(guī)律，具有位移疊加增長效應，存在局部位移場演化劇烈現(xiàn)象，使上覆巖層運移非連續(xù)性較為明顯。

2)7煤層的開采使覆巖起到一定的墊層作用，緩和了礦山壓力顯現(xiàn)，使近距離煤層疊加開采時具有應力減弱效應。與開采7煤層相比，6煤層開采過程中，周期來壓步距減小，來壓時支架載荷減弱，動壓系數相應減小。但周期來壓時，存在部分巖層發(fā)生臺階式下沉的現(xiàn)象，易發(fā)生沖擊液壓支架或其他動力災害。

3)基于近距離煤層群疊加開采分析結果，在近距離煤層群開采的設備選型時，選用了高額定工作阻力的液壓支架，在周期來壓期間，采取了一定的輔助措施，同時加強了組織管理，生產中沒有發(fā)生沖擊液壓支架及其他動力災害的現(xiàn)象。

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