近距離上行開采工作面受下部工作面影響區(qū)域研究

盧 鑫，鄭永勝，閆明晨，李 偉，曹淑良

(1.山東能源新礦集團翟鎮(zhèn)煤礦，山東 新泰 271204；2.山東新能源有限公司，山東 濟南 251401)

翟鎮(zhèn)煤礦六采區(qū)東翼二層煤為典型的上行開采。二、四層煤層層間距為10～33m，平均23m，因此，下部四層煤的開采是否致使上部二層煤圍巖受開采影響產(chǎn)生變形破壞導致巖層裂隙發(fā)育，造成二層煤頂?shù)装迤扑?、下部采空區(qū)瓦斯積聚可能涌出到上部二層煤工作面，給工作面安全開采帶來一系列問題[1-4]。因此，亟需對六采區(qū)東翼二層煤上行開采進行研究，分析四層煤開采對二層煤開采的影響，并制定有針對性的安全技術(shù)措施，為上行開采工作面巷道的合理布置和巷道支護提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

六采區(qū)6403E和6202E工作面大部分范圍內(nèi)存在重疊現(xiàn)象，煤層間距平均27m，其中四煤6403E工作面已開采完畢，二煤6202E面目前開始準備開采，工作面的運輸巷采用外錯式布置，布置在6403E運輸巷以外20m煤柱區(qū)內(nèi)；軌道巷布置在6403E軌道巷以里約2m采空區(qū)內(nèi)。切眼布置由采區(qū)煤柱區(qū)逐步斜交進入6403E面采空區(qū)，6202E工作面全部位于下層煤6403E采空區(qū)及斷層煤質(zhì)區(qū)域內(nèi)，工作面部分區(qū)段礦山壓力現(xiàn)象明顯，開采難度較大。

6202E工作面煤層平均厚度2.0m，傾角5°，工作面傾斜長度146m，走向長度659m，直接頂為粉砂巖，平均1.35m，灰黑色，含1～3層上分層，分層厚度0.1～0.5m；基本頂為細砂巖，平均20.0m，灰白色，以石英為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，較硬；老底為細砂巖，平均9.6m，灰白色，以石英為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，較硬；直接底為粉砂巖，平均厚度1.0m，灰黑色，富含植物根部化石；與6403E工作面下部(軌道巷)高差25m，上部(運輸巷)高差28m，采用走向長壁后退式采煤法，巷道為矩形斷面，采用錨帶網(wǎng)支護。

2 上行開采工作面開采影響區(qū)域理論研究

采用長壁垮落采煤法的工作面，隨著工作面不斷推進，采空區(qū)面積也不斷擴大，采場上覆巖層到一定距離時，巖層移動波及到某一高度的覆巖，使覆巖產(chǎn)生一種在空間上和時間上有規(guī)律的移動和變形[5-7]，當工作面采完，覆巖移動穩(wěn)定之后，在采空區(qū)上方形成一個沉陷區(qū)。根據(jù)移動盆地理論[8-13]，下層煤開采影響區(qū)域如圖1所示。

運輸巷邊界內(nèi)影響區(qū)Lψ1為：

Lψ1=H0×cosψ1/sin(ψ1-α) (1)

運輸巷邊界外影響區(qū)Lβ0為：

Lβ0=H0×cosβ0/sin(α+β0) (2)

軌道巷邊界內(nèi)影響區(qū)Lγ0為：

Lγ0=H0×cosγ0/sin(γ0-α) (3)

軌道巷邊界外影響區(qū)Lψ2為：

Lψ2=cos(ψ2-α)/sinψ2(4)

式中，H0為上下煤層間距，m；α為煤層傾角，(°)；β0為下部邊界角，(°)；γ0為上部邊界角，(°)；ψ1為下部充分采動角，(°)；ψ2為上部充分采動角，(°)。

根據(jù)翟鎮(zhèn)煤礦上組煤實際地質(zhì)條件得各項指標如下：H0=23m；α=5°；β0=52°；γ0=60°；ψ1=60°；ψ2=62.5°；ψ3=60°。將上述參數(shù)值分別帶入上述公式中，求得：軌道巷邊界內(nèi)影響區(qū)Lψ1=15.3m，軌道巷邊界外影響區(qū)Ls0=18.4m；運輸巷上部邊界內(nèi)影響區(qū)Lγ0=17.1m，運輸巷邊界外影響區(qū)Lψ2=17m。

根據(jù)移動盆地理論，結(jié)合6202E工作面上行開采的實際情況，6202E工作面受6403E工作面影響區(qū)域及應力分布情況如圖2所示。

圖2 6202E受影響區(qū)域及應力分布情況

綜上分析可知：①6202E運輸巷邊界內(nèi)影響區(qū)為17.1m，外影響區(qū)為17m，而6202E運輸布置于6403E運輸巷采空區(qū)以外20m，且巷道整體處于應力降低區(qū)，因此巷道施工期間未受到應力影響；②6202E軌道巷邊界內(nèi)影響區(qū)為15.3m，外影響區(qū)為18.4m，而6202E軌道巷布置于6403E軌道巷采空區(qū)以里2m，此巷道施工期間雖處于開采影響范圍之內(nèi)，但巷道整體處于應力降低區(qū)，對工作面的開采影響較小。

3 礦壓觀測及分析

基于前面理論分析，為了觀測6202E工作面上行開采圍巖的變形情況，在軌道巷及運輸巷內(nèi)每間隔25m布置1個測點，各設(shè)置8個測點，對頂板下沉、底鼓及兩幫移近量進行測定研究。6202E工作面受6403E工作面開采影響導致裂隙帶的發(fā)育情況如圖3所示，巷變形與時間的變化關(guān)系如圖4所示。

圖3 6202E工作面開采影響情況

圖4 巷道圍巖變形曲線

由圖3可知，越靠近采空區(qū)中部，巖層冒落帶、裂隙帶發(fā)育高度越小，巖層破斷程度越大，而在采空區(qū)邊界，由于煤柱支撐作用，冒落帶裂隙帶發(fā)育高度較采空區(qū)中部大，但是巖層破斷程度較低，這與前面的應力分析相吻合。

由圖4(a)可知，工作面運輸巷掘進期間，由于距離采空區(qū)較遠，處于裂隙帶影響范圍之外，未發(fā)現(xiàn)明顯彎曲及裂隙發(fā)育，圍巖整體性較好，在巷道其它處礦壓顯現(xiàn)也一直不明顯，巷道圍巖平均移近速度在0～5mm/d之間。

由圖4(b)可知，工作面軌道掘進期間，雖處于開采影響范圍之內(nèi)，但巷道整體處于應力降低區(qū)，對工作面的開采影響較小，且及時采用架棚支護，共復棚30排，以后至巷道貫通為止，巷道圍巖穩(wěn)定，掘進生產(chǎn)正常。巷道掘進期間圍巖活動不是很劇烈，移近速度在0～5mm/d之間，架棚段巷道圍巖移近量也比較小，移近速度在0～2mm/d之間。巷道掘進施工期間的礦壓顯現(xiàn)有效驗證了上層煤工作面巷道布局的合理性，同時也說明上行開采工作面受下部工作面影響區(qū)域分析是正確的。

4 結(jié) 論

1)越靠近采空區(qū)中部，巖層冒落帶、裂隙帶發(fā)育高度越小，巖層破斷程度越大，而在采空區(qū)邊界，由于煤柱支撐作用，冒落帶裂隙帶發(fā)育高度較采空區(qū)中部大，但是巖層破斷程度較低。

2)運輸巷邊界內(nèi)影響區(qū)為17.1m，外影響區(qū)為17m，而6202E運輸布置于6403E運輸巷采空區(qū)以外20m，巷道整體處于應力降低區(qū)，因此巷道施工期間未受到應力影響；6202E軌道巷邊界內(nèi)影響區(qū)為15.3m，外影響區(qū)為18.4m；而6202E軌道巷布置于6403E軌道巷采空區(qū)以里2m，此巷道施工期間雖處于開采影響范圍之內(nèi)，但巷道整體處于應力降低區(qū)，對工作面的開采影響較小，這與實際的礦壓觀測實際情況相符。

3)近距離上行開采時要合理布置上煤層的開采邊界，上煤層工作面應位于下煤層工作面采空區(qū)的內(nèi)部，靠近下煤層邊界區(qū)域，還應避開下煤層工作面開采邊界處覆巖臺階下沉的不利影響。