回坡底礦近距離煤層采空區(qū)下工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

秦世國

（霍州煤電集團(tuán)汾河焦煤股份有限公司回坡底礦，山西 洪洞 041600）

近距離煤層在我國煤炭資源中占有很大的比例，大多礦井采用下行開采的方法進(jìn)行近距離煤層的采掘，隨著煤炭資源開采的深入，許多礦井面臨極近距離采空區(qū)下工作面回采的礦壓顯現(xiàn)及其控制問題，與常規(guī)的回采工作面相比，近距離下位煤層開采時，工作面頂板巖層的運移規(guī)律、采煤工作面和巷道內(nèi)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律均有很大差異，下位煤層由于受到上層煤回采的動壓影響，其圍巖的應(yīng)力狀態(tài)及頂板巖層的強(qiáng)度、完整性具有其特殊性。目前關(guān)于極近距離下位煤層開采頂板運移規(guī)律和工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究較少。因此，本文以回坡底礦11#煤層采煤工作面為背景，研究頂板巖層的破斷規(guī)律和工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為類似地質(zhì)條件下的近距離煤層開采過程中的采場礦壓控制提供參考。

1 工程概況

山西焦煤回坡底礦是霍州煤電集團(tuán)1997年兼并接受的洪洞縣地方煤礦，經(jīng)改造和擴(kuò)建后，于2001年8月正式投產(chǎn)。設(shè)計生產(chǎn)能力120萬噸/年。井田范圍呈北東-南西向長條多邊形分布，總面積為40.016km2，分東西兩區(qū)，西區(qū)已經(jīng)采掘完畢，現(xiàn)采東區(qū)。井田范圍內(nèi)最高點位于區(qū)北西邊界附近的山梁上，標(biāo)高+985.20m，最低點位于區(qū)北東部溝谷中，標(biāo)高+624.17m，相對高差361.03m。本次研究的對象為正在回采的東一采區(qū)11-101工作面井下位于東一采區(qū)軌道巷左翼，西部為東西區(qū)采區(qū)分界線，西北部為10-105工作面（已采，間隔25m實體煤柱），東南部為11-102工作面（未掘），東北部為2#風(fēng)井工業(yè)廣場保安煤柱，上覆10-103工作面（已采，平均層間距6.2m）。11-101工作面傾斜長190m，走向長度約為1080m，煤層厚度為3.21～3.46m，均厚3.3m，煤層平均傾角5°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中部夾2-3層夾矸，夾矸巖性為泥巖偶見砂質(zhì)泥巖。

2 近距離煤層群覆巖運動特征數(shù)值模擬研究

為具體了解回坡底礦11#煤層采煤工作面回采時上覆巖層的破斷特征，采用UDEC離散元數(shù)值模擬軟件[1～2]，根據(jù)11#煤層10-101工作面具體的地質(zhì)條件建立模型，模擬在10#煤層采空條件下進(jìn)行11#煤層回采，研究工作面頂板的垮落特征。建立的數(shù)值模型如圖1所示。根據(jù)11-101工作面具體的地質(zhì)條件，杜絕邊界效應(yīng)對于模擬結(jié)果的影響，建立模型為長條狀，沿11-101工作面推進(jìn)方向取切面，整個模型采用摩爾—庫倫彈塑性單元，模型間節(jié)理面采用庫倫滑移模型，11#煤層厚度取3.3m，10#煤層厚度為4.2m，10#煤層與11#煤層間距為6m，整個模型尺寸長×寬×高=300×40×73.5m，模型下部邊界為固定邊界，兩側(cè)邊界X方向的位移受到約束，前后邊界Y方向的位移受到約束，上部為自由邊界，根據(jù)11-101工作面的平均埋深為380m，模型上部邊界施加垂直方向的均布載荷9.5MPa，采煤工作面液壓支架采用support結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬[3]，工作面端面距取300mm，模擬支架的工作阻力為5100kN。模擬方案：模型根據(jù)回坡底礦的實際開采順序進(jìn)行開挖，考慮邊界條件的影響，10#和11#煤層工作面兩側(cè)各留50m煤柱，中間的200m進(jìn)行開挖，首先進(jìn)行10#煤層的回采，進(jìn)行11#煤層的開挖時，每次開挖3.6m。

圖1 數(shù)值模型

10#煤層回采時上覆巖層的運動特征如圖2所示，由于篇幅所限，僅將典型的結(jié)果列出，工作面回采20m時，頂板巖層未出現(xiàn)明顯的垮落現(xiàn)象，直接頂和關(guān)鍵層間出現(xiàn)離層，頂板彎曲下沉量約0.09m；工作面推進(jìn)40m時，直接頂發(fā)生初次大面積垮落，關(guān)鍵層出現(xiàn)明顯的彎曲下沉現(xiàn)象，此時工作面表現(xiàn)為直接頂初次來壓；當(dāng)工作面回采80m時，直接頂和基本頂隨著工作面推進(jìn)逐漸彎曲下沉，工作面后方一定的距離內(nèi)直接頂和基本頂完全垮落，頂板下沉量達(dá)到10#煤層的采高，后方采空區(qū)被冒落矸石填滿；工作面推進(jìn)距離大于80m以后，后方直接頂和基本頂離層逐漸增大，工作面每推進(jìn)約18m，基本頂發(fā)生一次明顯的破斷，在工作面表現(xiàn)為周期來壓現(xiàn)象。

圖2 10#煤層覆巖運移規(guī)律

11#煤層回采時頂板破斷位移規(guī)律如圖3所示，由于受到10#煤層回采動壓的影響，11#煤層頂板完整性和強(qiáng)度受到破壞，當(dāng)工作面推進(jìn)10.8m時，直接頂之間即出現(xiàn)的離層，整個頂板開始輕微下沉，當(dāng)工作面回采28.8m時，直接頂發(fā)生初次垮落，層間關(guān)鍵層安全破斷，10#煤采空區(qū)的巖層隨之下沉，整個采空區(qū)已被冒落矸石充填，工作面繼續(xù)推進(jìn)，工作面直接頂和上覆巖層基本隨采隨跨，無明顯的周期性。

圖3 11#煤層開采頂板巖層破斷規(guī)律

綜上分析可知，進(jìn)行采空區(qū)下11#煤層的回采時，與常規(guī)頂板條件下相比，工作面的初次來壓取決于層間巖層的破斷，層間巖層斷裂后采空區(qū)基本快速充填滿，工作面頂板隨采隨跨，基于以上特點，預(yù)計進(jìn)行極近距離煤層下位煤層的回采時，工作面初次來壓將較為強(qiáng)烈，周期來壓將較為平緩。

3 采空區(qū)下采煤工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實測研究

為具體的了解回坡底礦11#煤層采煤工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以10-101工作面的生產(chǎn)為工程背景，在工作面及其兩側(cè)的回采巷道內(nèi)布置多個礦壓觀測站，通過對液壓支架工作阻力的監(jiān)測，研究工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，10-101工作面所用液壓支架為ZZ5200/25/47型支撐掩護(hù)式支架[4]，支架初撐力為4653kN（31.5MPa），工作阻力 5100kN（38MPa），工作面上部、中部、下部分別布置一個監(jiān)測站，每個測站監(jiān)測五個液壓支架，對液壓支架的循環(huán)末阻力進(jìn)行監(jiān)測，整理后得到各個測站液壓支架平均循環(huán)末阻力隨著工作面的推進(jìn)變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 10-101工作面支架平均工作阻力變化趨勢圖

根據(jù)圖4所示的監(jiān)測結(jié)果可知，10-101工作面液壓支架工作阻力波動較大，工作面來壓較為明顯，但是支架最大工作阻力均小于支架的額定工作阻力，支架能夠滿足工作面安全生產(chǎn)的需求。液壓支架循環(huán)末阻力雖然波動很大，但是并沒有呈現(xiàn)明顯的周期性，工作面無明顯的周期來壓現(xiàn)象；支架的前柱支撐壓力普遍大于后柱，后柱平均壓力僅為前柱的61.5%，由于工作面頂板破碎嚴(yán)重，工作面載荷以靜載荷為主，支架后柱支撐效率較低，需加強(qiáng)頂板和液壓支架的管理。

根據(jù)液壓支架工作阻力的監(jiān)測結(jié)果，整理得到液壓支架載荷位于各個區(qū)間的頻率分布直方圖，見圖5，液壓支架大多情況下其工作阻力小于4MPa，約占總數(shù)的22%，工作阻力4～20MPa的占總數(shù)的70%，僅有8%的液壓支架工作阻力達(dá)到28MPa以上，大部分液壓支架的工作阻力小于其初撐力，總體而言，10-101工作面所用液壓支架工作阻力富余較多。

圖5 液壓支架工作阻力頻率分布

4 結(jié) 語

由于受到上層煤層工作面回采的影響，下位煤層頂板完整性和強(qiáng)度遭到破壞，隨著工作面的推進(jìn)，頂板巖層基本是隨采隨跨，采空區(qū)快速被冒落的矸石充填，下位煤層工作面無明顯的周期來壓現(xiàn)象，液壓支架載荷較小，支架所受頂板壓力以靜載荷為主，10-101工作面所用液壓支架工作阻力富余較多，所用的ZZ5200/25/47型支架能夠滿足工作面安全生產(chǎn)的要求。